虛擬氨基酸突變法分析和預(yù)測抗原抗體相互作用的關(guān)鍵位點.pdf

1、蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)扮演了不可或缺的重要角色，不僅是細胞和組織的物質(zhì)基礎(chǔ)，更參與各種機能反應(yīng)的成分組成。蛋白質(zhì)與配體分子的識別過程，包括抗原與抗體、酶與底物、激素與受體的識別等，參與了機體內(nèi)的免疫反應(yīng)、生化反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等幾乎所有重要的生命活動。蛋白與配體相互作用分析，是理解生命活動中的各種生物功能的分子機制和調(diào)控過程的基礎(chǔ)。其中，對于抗原抗體識別機制的研究，有助于疫苗的分子設(shè)計和機理解釋，有助于指導(dǎo)親和力成熟的治療性抗體的研究，在疾病預(yù)防

2、和臨床治療診斷應(yīng)用方面，具有十分重要的意義。
　　獲得蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是分析抗原抗體的復(fù)合物體系相互作用的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)解析的實驗方法包括X射線晶體衍射、核磁共振波譜和電鏡重構(gòu)等，但是由于蛋白樣品制備或?qū)嶒灱技夹g(shù)本身的限制，許多復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)未能獲得解析。而基于同源模型建立的分子模擬是目前準(zhǔn)確度最高的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，可根據(jù)已知氨基酸的序列比進行未知蛋白的結(jié)構(gòu)預(yù)測。如果已知復(fù)合物的單體結(jié)構(gòu)，分子對接的方法可以預(yù)測兩者間的結(jié)合模式和親

3、和力，尋找分子間相互識別的合理構(gòu)象，能量最小化和分子動力學(xué)模擬可進一步優(yōu)化預(yù)測的空間結(jié)構(gòu)，用于準(zhǔn)確解釋蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。相互作用關(guān)鍵位點和相互作用機制可通過突變分析實驗來驗證，包括丙氨酸掃描和飽和突變等，突變前后親和力變化的檢測方法有生物物理手段（AUC等）、生物化學(xué)手段(SDS-PAGE等)、免疫化學(xué)手段(ELISA、WB等)，利用細胞結(jié)合/中和實驗可對突變前后的復(fù)合物進行功能性驗證。分子模擬中基于結(jié)合自由能算法而發(fā)展的虛擬氨基酸

4、突變，可以用來快速地在實驗前虛擬測試大量突變位點，根據(jù)結(jié)構(gòu)變化計算突變前后的能量變化，從而得出突變位點使得復(fù)合物親和力下降或提高的結(jié)論，根據(jù)實驗?zāi)康暮Y選預(yù)測結(jié)果，可以指導(dǎo)實驗人員理性設(shè)計突變蛋白，大大減少工作量和實驗成本。如果虛擬突變預(yù)測方法能夠具有一定的準(zhǔn)確度，甚至能夠在一定程度上替代突變實驗進行相互作用特異性分析。本論文擬通過對已知結(jié)構(gòu)的復(fù)合物進行虛擬氨基酸突變研究該方法的關(guān)鍵參數(shù)和合理閾值，為虛擬氨基酸突變提供實例分析和實驗驗證。

5、
　　論文的第一部分主要針對抗原抗體復(fù)合物體系進行了相互作用界面的抗原關(guān)鍵表位的預(yù)測分析。結(jié)構(gòu)模型的精細程度是預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性的首要影響因素，因此本文首選了三個抗原抗體復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，通過分析定義交界面的相互作用氨基酸、虛擬突變分析能量柱狀圖來預(yù)測對抗原抗體結(jié)合起關(guān)鍵作用的表位位點，提出了關(guān)鍵位點定義的結(jié)合能量變化臨界值1 kcal/mol，預(yù)測結(jié)果與突變實驗驗證結(jié)果較為吻合，且預(yù)測沒有出現(xiàn)假陽性，體現(xiàn)了一定的準(zhǔn)確度，和較高的特異度

6、;之后，本文進行了一例廣譜中和單抗13A10與四型HPV(16/31/33/58)結(jié)合模式的預(yù)測分析，并對此分子模擬預(yù)測的抗原抗體復(fù)合物體系基于臨界值定義了關(guān)鍵表位，通過突變實驗驗證，預(yù)測結(jié)果亦體現(xiàn)了較高的準(zhǔn)確度和特異度;第三，本文擴展引用了一例小分子體系，通過分析并與實驗結(jié)果對比，同樣得出了預(yù)測準(zhǔn)確的結(jié)論。本部分的研究內(nèi)容體現(xiàn)了該方法在預(yù)測關(guān)鍵表位方面的應(yīng)用具有一定的廣泛性，準(zhǔn)確性和特異性。
　　論文的第二部分探索了虛擬氨基酸突

7、變在抗體親和力成熟方面的應(yīng)用。以抗體親和力成熟前后的兩株抗原抗體復(fù)合物為研究對象，對通過親和力提高和位點突變頻率分析得到的兩個重要位點，通過虛擬突變，將其分別由初始氨基酸突變?yōu)橛H和力成熟的氨基酸，根據(jù)能量計算分析親和力變化。雖然預(yù)測結(jié)果存在與實驗結(jié)果沒有完全吻合的現(xiàn)象，但具有一定的準(zhǔn)確率，且已通過分子動力學(xué)模擬從結(jié)構(gòu)上解釋了預(yù)測不全面的原因。
　　綜上所述，本文以四例抗原抗體復(fù)合物和一例小分子體系為例對氨基酸虛擬突變用于指導(dǎo)實驗的