DS在抗体领域的应用

1、抗体设计与改造抗体分子是生物学和医学领域用途最为广泛的蛋白分子。以肿瘤特异性抗原或肿瘤相关性抗原、抗原独特型决定簇、细胞因子及其受体、激素及一些癌基因产物作为靶分子，利用传统的免疫方法或通过细胞工程、基因工程等技术制备的多克隆抗体、单克隆抗体、基因工程抗体广泛应用于疾病诊断、治疗及科学研究等领域，并以其毒副作用小、天然和高度特异性的疗效，创造出了巨大的社会效益和经济效益。Discovery Studio 在抗体设计领域提供了非常丰富的功能模块抗体结构构建及人源化改造由于抗体的应用前景广泛，导致对其结构信息需求极大。而结构信息对于识别抗原表位、改造抗体亲和性来说非常有意义。X-ray是一种研究抗

2、体结构的方法，但抗体结晶非常困难以及耗时。而通过计算机的手段相对更快更便宜。Discovery Studio 提供一整套抗体的同源建模的工具。用户只需要提供抗体氨基酸序列就可以完成抗体可变区、全长、CDR Loop注释、建模、模型优化及模型结构可信度评估的工作。包括人源化改造抗原表位确定抗原表位又称抗原决定簇，在目前的生物实验技术条件下，单靠试验方法寻找抗原表位是非常困难的。因此通过计算机预测方法已成为表位确认的强有力的工具。预测抗原表位能够通过蛋白-蛋白对接技术来实现。在Discovery Studio中，的蛋白-蛋白对接程序是基于经典的ZDOCK/RDOCK开发完成。运用快速的傅立叶变化，

3、根据抗原、抗体间的形状匹配搜索结合构象，并获得包括参与抗体-抗原相互作用氨基酸和相互作用能力强弱等详细信息。最后对结合构象进行评估、打分、和优化。完美的兼顾了计算的速度与精确度。基于分子动力学方法可以对抗原抗体结合模式的稳定性进行深入研究。此外还能通过计算相互作用能研究抗原、抗体的结合能力。抗体设计与改造在对抗体进行理性设计与改造时，可以基于定点突变的技术去实现。但是由于进行氨基酸突变选择时的盲目性而导致效率低下、成本高昂。虚拟氨基酸突变可以通过虚拟的丙氨酸扫描和饱和突变确定最佳的氨基酸突变组合，从而为实验中的氨基酸定点突变提供指导，进而理性设计蛋白质。Discovery Studio能够快速

4、高效的对抗体进行虚拟的丙氨酸扫描和饱和突变，或者其它任意突变，并在考虑温度、pH的条件下预测抗体热稳性及抗体-抗原和力这两种突变效应，方便用户在实验前测试大量的突变位点并优先选择突变位点，是强有力的抗体设计工具。此外还提供了预测抗体聚集效应的功能，能够衡量衡量抗体表面氨基酸聚集倾向性。具有比较高的聚集趋势得分的位点表明了该区域的氨基酸倾向于发生聚集。因此这些位点的预测，使得我们可以通过氨基酸定点突变的方法来改造蛋白，增强其稳定性。案例分析一、利用同源建模和相互所用能计算研究抗体专一性1作者通过DS_MODELER对合征布尼亚病毒SFVS virus（Severe fever with thro

5、mbocytopenia syndrome bunyavirus）的抗原蛋白进行同源建模，并利用DS_CDOCKER与抗体小分子对接，发现了三个区域（图1）可能是其抗原表位，接着采用定点突变的方法对这三个区域进行了验证。（表1）图1实验思路示意图图2 抗原表面区域预测。其中黄色部分为可能的抗原表面区域AntibodiesWTNNSN10C5S9A*R. Poly+-+H2A12e+-+H2A4e+-+H2E4e+-+H2H9e+-+H1C2e+-+表1 部分通过定点突变验证同源模型实验结果案例分析二、利用分子模拟技术辅助鼠源抗体的人源化改造2（多年的研究表明，鼠源性抗体在人体可诱发人抗鼠抗体反

6、应，在临床应用一般效果不佳。研制人源化抗体可以降低抗体药物在人体的免疫原性；与鼠源性抗体相比，还可提高效应功能。）(人源化抗体：指抗体的恒定区部分或抗体所有全部由人类抗体基因所编码，含嵌合抗体、改型抗体和表面重塑抗体)（图3）图3 人源化抗体示意图（其中抗体表面重塑技术的原则就是将非人源单抗体可变区（Fv）表面非人源的残基替换为人源性的氨基酸残基，使抗体Fv区的表面人源化，降低其免疫原性，同时不影响Fv区的整体空间结构。）思路：本文应用分子模拟技术辅助抗体表面重塑，研究对象为鼠源单克隆抗体m357，它能够和人体肿瘤坏死因子作用，起到抗肿瘤的作用，首先应用DS_MODELER模建了m357可变区

7、的三维结构（图4），并应用DS_CHARMm进行能量优化，计算表面残基的溶剂可极化表面积，识别活性残基，通过序列比对预测框架区保守及非保守残基，并利用实验方法将非保守残基人源化，得到的单克隆抗体h357，经多种方法进行生物活性测定，其完全保留了鼠源抗体的活性，临床研究正在进行。图4 DS_MODELER 模拟m357可变区(Fv)三维结构 红色部分为互补决定区(CDRs)案例分析三、抗HIV-1抗体片段m36抗原表位的分析3m36是已报道的人类首个抗型人免疫缺陷病毒（HIV-1，艾滋病的主要病原体）的抗体片段，包含了抗体中的一个重链可变域（VH），它能够强力地绑定到不同的HIV-1 Env蛋白

8、，阻止HIV菌株的感染，是有效的HIV-1进入抑制剂。思路：本文基于Discovery Studio3.5，首先采用同源建模技术（DS_MODELER）预测了m36的三维结构并加以评估，然后采用蛋白对接技术（DS_ZDOCK/RDOCK）预测了m36同gp120蛋白的相互作用，从而识别出gp120中的抗原表位，最后基于预测结果对gp120进行了丙氨酸扫描定点突变实验，最终确认了6个关键的抗原表位，解释了m36具有抑制HIV-1感染活性的作用机制。图5 m36同源模型图6 gp120中m36的抗原表位（ZDOCK对接结果）案例分析四：抗二唾液酸神经节苷脂（GD2）单克隆抗体的设计4GD2（二唾液

9、酸神经节苷脂）是一种特异的糖脂抗原，在小儿神经细胞瘤发生时，其表达量会迅速升高。3F8是第一个发现的抗GD2单克隆抗体，并且对GD2有中等的活性，可以有效的抑制小儿神经细胞瘤的发生。思路：本文利用分子对接程序CDOCKER，确定了抗体3F8和GD2的相互作用模式，并确定了对于它们结合起着关键作用的12个氨基酸残基（图7）。然后利用Calculate Mutation Energy模块，将12个氨基酸进行虚拟饱和突变。饱和突变结果表明，当H：GLY54突变为ILE时，突变能下降的最多（图8），其主要原因是可以增加范德华的相互作用。作者随后利用Spatial Aggregation Propens

10、ity算法进行突变前后抗体聚集位点的对比，结果发现当GLY54突变为ILE后（图9），抗体的聚集位点的疏水性明显增大，并且更有利和GD2的结合。作者最后把设计好的抗体hu3F8进行生物学的实验，实验表明：改造后的抗体hu3F8的抗GD2的IC50值提高了6-9倍。图7 分子对接结果分析图8 虚拟氨基酸突变图9 抗体聚集位点的预测参考文献1 M. J. Ayub，B. Nyambega，L. Simonetti，et alSelective blockade of trypanosomatid protein synthesis by a recombinant antibody anti-Tr

11、ypanosoma cruzi P2beta proteinPlos One2012，7(5):e362332 K. Fan，B. Zhang，H. Yang，et alA humanized anti-osteopontin antibody protects from Concanavalin A induced-liver injury in miceEuropean journal of pharmacology2011，657(1-3):144-1513 C. Wan，J. Sun，W. Chen，et alEpitope mapping of M36, a human antibody domain with potent and broad HIV-1 inhibitory activityPlos