DS在抗體領(lǐng)域的應(yīng)用

抗體設(shè)計(jì)與改造抗體分子是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用途最為廣泛的蛋白分子。以腫瘤特異性抗原或腫瘤相關(guān)性抗原、抗原獨(dú)特型決定簇、細(xì)胞因子及其受體、激素及一些癌基因產(chǎn)物作為靶分子，利用傳統(tǒng)的免疫方法或通過(guò)細(xì)胞工程、基因工程等技術(shù)制備的多克隆抗體、單克隆抗體、基因工程抗體廣泛應(yīng)用于疾病診斷、治療及科學(xué)研究等領(lǐng)域，并以其毒副作用小、天然和高度特異性的療效，創(chuàng)造出了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。DiscoveryStudio在抗體設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了非常豐富的功能模塊抗體結(jié)構(gòu)構(gòu)建及人源化改造由于抗體的應(yīng)用前景廣泛，導(dǎo)致對(duì)其結(jié)構(gòu)信息需求極大。而結(jié)構(gòu)信息對(duì)于識(shí)別抗原表位、改造抗體親和性來(lái)說(shuō)非常有意義。X-ray是一種研究抗體結(jié)構(gòu)的方法，但抗體結(jié)晶非常困難以及耗時(shí)。而通過(guò)計(jì)算機(jī)的手段相對(duì)更快更便宜。DiscoveryStudio提供一整套抗體的同源建模的工具。用戶只需要提供抗體氨基酸序列就可以完成抗體可變區(qū)、全長(zhǎng)、CDRLoop注釋、建模、模型優(yōu)化及模型結(jié)構(gòu)可信度評(píng)估的抗原表位確定抗原表位又稱(chēng)抗原決定簇，在目前的生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下，單靠試驗(yàn)方法尋找抗原表位是非常困難的。因此通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)方法已成為表位確認(rèn)的強(qiáng)有力的工具。預(yù)測(cè)抗原表位能夠通過(guò)蛋白-蛋白對(duì)接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在DiscoveryStudio中，的蛋白-蛋白對(duì)接程序是基于經(jīng)典的ZDOCK/RDOC開(kāi)發(fā)完成。運(yùn)用快速的傅立葉變化，根據(jù)抗原、抗體間的形狀匹配搜索結(jié)合構(gòu)象，并獲得包括參與抗體-抗原相互作用氨基酸和相互作用能力強(qiáng)弱等詳細(xì)信息。最后對(duì)結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行評(píng)估、打分、和優(yōu)化。完美的兼顧了計(jì)算的速度與精確度?；诜肿觿?dòng)力學(xué)方法可以對(duì)抗原抗體結(jié)合模式的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。此外還能通過(guò)計(jì)算相互作用能研究抗原、抗體抗體設(shè)計(jì)與改造在對(duì)抗體進(jìn)行理性設(shè)計(jì)與改造時(shí)，可以基于定點(diǎn)突變的技術(shù)去實(shí)現(xiàn)。但是由于進(jìn)行氨基酸突變選擇時(shí)的盲目性而導(dǎo)致效率低下、成本高昂。虛擬氨基酸突變可以通過(guò)虛擬的丙氨酸掃描和飽和突變確定最佳的氨基酸突變組合，從而為實(shí)驗(yàn)中的氨基酸定點(diǎn)突變提供指導(dǎo)，進(jìn)而理性設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。DiscoveryStudio能夠快速高效的對(duì)抗體進(jìn)行虛擬的丙氨酸掃描和飽和突變，或者其它任意突變，并在考慮溫度、pH的條件下預(yù)測(cè)抗體熱穩(wěn)性及抗體-抗原和力這兩種突變效應(yīng)，方便用戶在實(shí)驗(yàn)前測(cè)試大量的突變位點(diǎn)并優(yōu)先選擇突變位點(diǎn)，是強(qiáng)有力的抗體設(shè)計(jì)工具。此外還提供了預(yù)測(cè)抗體聚集效應(yīng)的功能，能夠衡量衡量抗體表面氨基酸聚集傾向性。具有比較高的聚集趨勢(shì)得分的位點(diǎn)表明了該區(qū)域的氨基酸傾向于發(fā)生聚集。因此這些位點(diǎn)的預(yù)測(cè)，使得我們可以通過(guò)氨基酸定點(diǎn)突變的方法來(lái)改造蛋白，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。案例分析一、利用同源建模和相互所用能計(jì)算研究抗體專(zhuān)性⑴作者通過(guò)DS_MODELER對(duì)合征布尼亞病毒SFVSvirus（Severefeverwiththrombocytopeniasyndromebunyavirus）的抗原蛋白進(jìn)行同源建模，并禾U用DS_CDOCKE與抗體小分子對(duì)接，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)區(qū)域（圖1）可能是其抗原表位，SiteIGlulO,Phe11SiteII：Lys40Lys41andGlu44圖2抗原表面區(qū)域預(yù)測(cè)。其中黃色部分為可能的抗原表面區(qū)域?????????????????????表1部分通過(guò)定點(diǎn)突變驗(yàn)證同源模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果AntibodiesWTN+案例分析二、利用分子模擬技術(shù)輔助鼠源抗體的人源化改造（多年的研究表明，鼠源性抗體在人體可誘發(fā)人抗鼠抗體反應(yīng)，在臨床應(yīng)用一般效果不佳。研制人源化抗體可以降低抗體藥物在人體的免疫原性；與鼠源性抗體相比，還可提高效應(yīng)功能。）（人源化抗體：指抗體的恒定區(qū)部分或抗體所有全部由人類(lèi)抗體基因所編碼，含嵌合抗體、改型抗體和表面重塑抗體）（圖3）杲奧就合體人屜化靈丟嫁圭全人上（其中抗體表面重塑技術(shù)的原則就是將非人源單抗體可變區(qū)（Fv）表面非人源的殘基替換為人源性的氨基酸殘基，使抗體Fv區(qū)的表面人源化，降低其免疫原性,同時(shí)不影響Fv區(qū)的整體空間結(jié)構(gòu)。）思路：本文應(yīng)用分子模擬技術(shù)輔助抗體表面重塑，研究對(duì)象為鼠源單克隆抗體m357它能夠和人體腫瘤壞死因子作用，起到抗腫瘤的作用，首先應(yīng)用DS_MODEL模R建了m357可變區(qū)的三維結(jié)構(gòu)（圖4）,并應(yīng)用DS_CHARMm行能量?jī)?yōu)化，計(jì)算表面殘基的溶劑可極化表面積，識(shí)別活性殘基，通過(guò)序列比對(duì)預(yù)測(cè)框架區(qū)保守及非保守殘基，并利用實(shí)驗(yàn)方法將非保守殘基人源化，得到的單克隆抗體h357,經(jīng)多種方法進(jìn)行生物活性測(cè)定，其完全保留了鼠源抗體的活性，臨床研究正在進(jìn)行。VL圖4DS_MODELER莫擬m357可變區(qū)（Fv）三維結(jié)構(gòu)紅色部分為互補(bǔ)決定區(qū)（CDRs）案例分析三、抗HIV-1抗體片段m36抗原表位的分析m36是已報(bào)道的人類(lèi)首個(gè)抗I型人免疫缺陷病毒（HIV-1,艾滋病的主要病原體）的抗體片段，包含了抗體中的一個(gè)重鏈可變域（VH它能夠強(qiáng)力地綁定到的HIV-1Env蛋白，阻止HIV菌株的感染，是有效的HIV-1進(jìn)思路：本文基于DiscoveryStudio3.5，首先采用同源建模技術(shù)（DS_MODELER預(yù)測(cè)了m36的三維結(jié)構(gòu)并加以評(píng)估，然后采用蛋白對(duì)接技術(shù)（DS_ZDOCK/RDOCK預(yù)測(cè)了m36同gp120蛋白的相互作用，從而識(shí)別出gp120中的抗原表位，最后基于預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)gp120進(jìn)行了丙氨酸掃描定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)，最終確認(rèn)了6個(gè)關(guān)鍵的抗原表位，解釋了m36具有抑制HIV-1感染活性的作用機(jī)制。ABCDFC1VirsWJ27但”圖6gp120中m36的抗原表位（ZDOCK寸接結(jié)果）案例分析四：抗二唾液酸神經(jīng)節(jié)苷脂(GD2）單克隆抗體的GD2（二唾液酸神經(jīng)節(jié)苷脂）是一種特異的糖脂抗原，在小兒神經(jīng)細(xì)胞瘤發(fā)生時(shí)，其表達(dá)以有效的抑制小兒神經(jīng)細(xì)胞瘤的發(fā)生。思路：本文利用分子對(duì)接程序CDOCKER確定了抗體3F8和GD2的相互作用模式，并確定了對(duì)于它們結(jié)合起著關(guān)鍵作用的12個(gè)氨基酸殘基（圖7）。然后利用CalculateMutationEnergy模塊，將12個(gè)氨基酸進(jìn)行虛擬飽和突變。飽和突變結(jié)果表明，當(dāng)H:GLY54突變?yōu)镮LE時(shí)，突變能下降的最多（圖8），其主要原因是可以增加范德華的相互作用。作者隨后利用SpatialAggregationPropensity算法進(jìn)行突變前后抗體聚集位點(diǎn)的對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)GLY54突變?yōu)镮LE后（圖9），抗體的聚集位點(diǎn)的疏水性明顯增大，并且更有利和GD2的結(jié)合。作者最后把設(shè)計(jì)好的抗體hu3F8進(jìn)行生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：改造后的抗體hu3F8的抗GD2的IC50值提圖7分子對(duì)接結(jié)果分析Table言.ResultsofinsiiicascanningmutagenesisofCDRresiduWeightedWeightedM-utAlionEnergy-8J3中-2J9IT二-iJBElKtrastJi'IicTwrmWil023□0_07uTRPTHRVCURBHC:GLY1Q3HQQ.Y55Bnlraiiy1TwmQLI9EffectofMuitiafticnib