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納米抗體如何實(shí)現(xiàn)如此高的特異性?

發(fā)表時(shí)間:2023-10-31 訪問次數(shù):401

納米抗體如何實(shí)現(xiàn)如此高的特異性?

免疫系統(tǒng)的強(qiáng)大功能在很大程度上取決于抗原的多樣性,這種多樣性促使B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生特異性的、緊密結(jié)合的抗原受體(BCR)。生物學(xué)研究的重要工具——傳統(tǒng)抗體(Abs)以其精湛的結(jié)合特異性和對靶抗原的高親和力,成為了生物制藥行業(yè)的基礎(chǔ)。然而,這些抗體的結(jié)合特異性的巨大多樣性是由重鏈(VH)和輕鏈(VL)兩個(gè)可變域中的序列變異產(chǎn)生的,如此一來,僅僅這些序列的排列組合就可能在人類中產(chǎn)生至少10種可能的BCR,其數(shù)量遠(yuǎn)超個(gè)體B淋巴細(xì)胞群體的規(guī)模。這個(gè)巨大的潛在序列多樣性是如何轉(zhuǎn)化為抗原特異性的呢?這個(gè)問題目前尚未完全明朗。顯然,存在一定的冗余——并非每個(gè)獨(dú)一無二的VH-VL組合都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的結(jié)合特異性。然而,想要知道改變結(jié)合特異性所需的氨基酸突變數(shù)量及其位置,目前我們還無法準(zhǔn)確預(yù)測。

在駱駝、美洲駝和羊駝等駱駝科物種中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一類特殊的重鏈抗體,它們可能為我們提供了一個(gè)更易于研究的系統(tǒng),因?yàn)檫@些抗體中完全沒有輕鏈的存在。其中,被稱為納米抗體的可變VHH結(jié)構(gòu)域(約為傳統(tǒng)抗體的1/10大小),展現(xiàn)出了相當(dāng)高的穩(wěn)定性,并且能夠結(jié)合酶活性位點(diǎn),病毒衣殼以及G蛋白偶聯(lián)受體中難以接近的表位。駱駝的VHH結(jié)構(gòu)域與Ab的VH結(jié)構(gòu)域在功能上同源,都包含三個(gè)高度可變的環(huán)H1、H2和H3。這三個(gè)環(huán)在折疊蛋白結(jié)構(gòu)域的一側(cè)形成了擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)界面,為抗原結(jié)合界面或旁位提供了空間,從而決定了Nb的抗原結(jié)合特異性。相較于六個(gè)在抗體 VH-VL結(jié)構(gòu)域復(fù)合物中高度可變的環(huán),這三個(gè)環(huán)的潛在序列多樣性明顯更小,這也使得駱駝的VHH結(jié)構(gòu)域在與抗原結(jié)合時(shí)的特異性更易于掌握和控制。

傳統(tǒng)和駱駝形重鏈Abs的結(jié)構(gòu)特征

對于納米抗體(nanobody,Nb)和傳統(tǒng)抗體(Abs)來說,最大的挑戰(zhàn)在于解析出將氨基酸序列(特別是副位殘基的挑選)與折疊分子的結(jié)合特異性相關(guān)聯(lián)的分子密碼。在常規(guī)的抗體中,副位通常會(huì)出現(xiàn)在VH和VL結(jié)構(gòu)域的結(jié)合處,通常會(huì)涉及到多達(dá)六個(gè)不同的高變環(huán)區(qū)域的殘基。此外,VH和VL結(jié)構(gòu)域的結(jié)合方式也有很大的靈活性,使得抗體能夠盡可能地增加潛在抗原結(jié)合表位的多樣性。相比之下,納米抗體(nanobody,Nb)的副位則完全包裹在VHH結(jié)構(gòu)域內(nèi)部,這樣便大大限制了潛在抗原結(jié)合表位的空間多樣性,而不過多地影響其結(jié)合特異性的多樣性。實(shí)際上,納米抗體(nanobody,Nb)通常會(huì)與其靶抗原緊密結(jié)合,其親和力也與典型單克隆抗體相仿。盡管納米抗體(nanobody,Nb)體積小巧且結(jié)構(gòu)單一,但是它們是如何實(shí)現(xiàn)如此多樣化的結(jié)合特異性的呢?

為了解決這個(gè)問題,研究人員建立了兩個(gè)共晶蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集,每個(gè)數(shù)據(jù)集都包含納米抗體(nanobody,Nb)抗原或傳統(tǒng)抗體(Ab)抗原蛋白復(fù)合物。數(shù)據(jù)集由90個(gè)非冗余蛋白質(zhì)結(jié)合納米抗體(nanobody,Nb)組成,PDB中具有納米抗體(nanobody,Nb)抗原共晶體結(jié)構(gòu)。

Nb結(jié)構(gòu)多樣性與Ab結(jié)構(gòu)多樣性的比較

為了量化納米抗體(nanobody,Nb)VHH結(jié)構(gòu)域和傳統(tǒng)抗體(Ab) VH結(jié)構(gòu)域不同部分的結(jié)構(gòu)變異性,研究人員對抗原接觸殘基的結(jié)構(gòu)比對與鑒定;確定了納米抗體(nanobody,Nb)抗原和傳統(tǒng)抗體(Ab)抗原復(fù)合物的90種共晶體結(jié)構(gòu),分析了抗原結(jié)合構(gòu)象中的納米抗體(nanobody,Nb)和傳統(tǒng)抗體(Ab)結(jié)構(gòu)變化。

通過對納米序列的研究分析發(fā)現(xiàn),米抗體(nanobody,Nb)在其框架區(qū)域的序列和結(jié)構(gòu)上更加保守,這表明米抗體(nanobody,Nb)沒有很大程度地利用框架來增加可以編碼的結(jié)合特異性的數(shù)量。那么,為何納米抗體(nanobody,Nb)的序列長度縮短且單域結(jié)構(gòu)緊湊,但依然產(chǎn)生如此多樣化的結(jié)合特異性呢?

 

傳統(tǒng)抗體結(jié)構(gòu)中六個(gè)超變量環(huán)是確定Ab相互作用特異性的關(guān)鍵;相比之下,納米抗體(nanobody,Nb)只有三個(gè)高變環(huán),減少了可能的序列變異的空間,從而減少了潛在的相互作用特異性。因此,研究人員提出了三種潛在機(jī)制。

 

第一種機(jī)制與納米抗體(nanobody,Nb) H1和H2環(huán)所表現(xiàn)出的顯著增加的結(jié)構(gòu)多樣性有關(guān)。這些環(huán)并不比傳統(tǒng)抗體(Ab)環(huán)表現(xiàn)出更大的序列變異,但結(jié)構(gòu)分析表明,它們確實(shí)表現(xiàn)出更大的結(jié)構(gòu)變異。與傳統(tǒng)抗體(Ab)相比,這種結(jié)構(gòu)多樣性可能是由于不同的環(huán)序列特征——例如,較少的納米抗體(nanobody,Nb)H1環(huán)含有穩(wěn)定的F29,而納米抗體(nanobody,Nb) H2環(huán)使用更大比例的小殘基,這增加了結(jié)構(gòu)的靈活性。無論納米抗體(nanobody,Nb)如何取樣更多種類的環(huán)主鏈構(gòu)象,事實(shí)是它們對實(shí)現(xiàn)高特異性抗原結(jié)合的能力做出了重要貢獻(xiàn)。

 

其次,根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示,納米抗體(nanobody,Nb)編碼的每個(gè)氨基酸殘基的序列多樣性比傳統(tǒng)抗體(Ab) H3環(huán)多7%左右。更長的H3環(huán)被認(rèn)為能夠使Nbs通過延伸到表位腔內(nèi)的手指狀突起與抗原結(jié)合。這些發(fā)現(xiàn)表明,納米抗體(nanobody,Nb)利用其H3環(huán)中增加的多樣性,使它們能夠產(chǎn)生與它們受到挑戰(zhàn)的抗原緊密特異性結(jié)合的能力。

 

研究人員基于共晶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提出第三種機(jī)制,從比VH結(jié)構(gòu)域更大的范圍內(nèi)繪制旁位殘基的能力將促進(jìn)抗原結(jié)合界面的形狀和物理性質(zhì)的多樣性,使納米抗體(nanobody,Nb)能夠使用更廣泛的表面,通過不同的結(jié)合模式與同源抗原相互作用。

 

總之,納米抗體(nanobody,Nb)似乎并沒有通過增加框架中的序列或結(jié)構(gòu)多樣性來產(chǎn)生特異性的多樣性。這表明在小蛋白區(qū)域的分子特異性能力比我們基于經(jīng)典抗體的預(yù)期要高得多,這表明使用相對受限的短氨基酸序列與多種靶標(biāo)產(chǎn)生高親和力特異性結(jié)合的潛力令人興奮。

 

參考文獻(xiàn):

Laura S. Mitchell, Lucy J. Colwell,Comparative analysis of nanobody sequence and structure data,PROTEINS:Structure, Function, and Bioinformatics,Volume86, Issue7,July 2018,Pages 697-706