第十三讲 蛋白质分子设计

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与人McAb相比,小鼠McAb容易制备, 抗原性强,但易导致人体过敏反应。 将鼠McAb抗原结合部位转移到人抗体 上, 达到与人McAb同样的效果。
抗体剪裁
1、 抗体的人源化
• 新的挑战:
改造鼠源McAb基因,综合人—鼠嵌合McAb的优点; 获得特异性高、异源性小的,具有临床应用价值的抗体。
– 将各种二级结构片段通过共价键连接到一个刚性的模板分子上,形成一 定的三级结构。 – 模板组装合成法——绕过了蛋白质三级结构设计的难关, – 再 通过改变二级结构中的AA残基来研究蛋白质中AA间的长程作用力 – 揭示蛋白质折叠规律,也是探索蛋白质全新设计规律的有效手段。
• 自动设计方法——提高了设计的速度和效率,
难以表达完成的抗体

哺乳类细胞:真核细胞表达体系,
可完成正确的蛋白质修饰和装配,更接近天然抗体,具有正常的生物活性;
缺点是成本高,操作相对烦琐。
二、蛋白质关键残基嫁接
• 蛋白质之间相互作用,往往只有几个非常关键的aa残基对结合起到主要 作用,并不是全部蛋白分子参与。思考——如何证明这一命题?
– 已发展多种方法。结合一定的规则和算法,由计算机完成设计。如:
– 运用蛋白质反向折叠方法结合遗传算法建立自动设计方法—Jones – 运用三维剖面技术结合遗传算法发展的自动设计方法——来鲁华等
3、结构检测(设计蛋白质)
– 只有实践检验,才能判断 设计是否与预想结构(结果)符合。
• 检测项目和方法:(一般从三方面) –设计的蛋白质是否为多聚体
药物—靶细胞
化学交联双特异性抗体:制备单价抗体,双功能交联剂交联。
细胞工程双特异性抗体:通过细胞融合的方法制备双特异性抗体。可将分泌
单抗的杂交瘤与经免疫的脾细胞融合,或使两种分泌不同特异性单抗的杂交
瘤彼此融合。
基因工程双特异性抗体:体外组装表达分泌型的双特异性抗体。
4、基因工程抗体基因的表达
– 蛋白质分子全新设计的一种基本方法,理解蛋白结构形成的基本规律。
– 尽量使设计序列的复杂性最小,一般仅用很少几种氨基酸,从简单到复杂 – 设计的多肽序列具有一定的对称性或周期性。。 – 用来理解蛋白质的折叠规律,如:HP模型法(蛋白质折叠研究模型)。
• 模板组装合成法 (Mutter,1988):其思路是
• 蛋白质关键残基嫁接——实例(方法建立——来鲁华教授)
第四节 蛋白质分子全新设计
一、蛋白质分子全新设计的程序
全新设计?:基于天然蛋白质结构,以及对蛋白质结构与功能关系的认识为
基础。根据期望的结构和功能来设计全新序列的分子。
全新设计流程(7)

确定设计目标 生成初始序列


第十三讲 蛋白质分子设计 (二)
概述 部分氨基酸突变 天然蛋白质剪裁 蛋白质分子全新设计
第三节 天然蛋白质的剪裁
• 天然蛋白质的剪裁—“中改”,是指在蛋白质中替换1个肽段 或者1个结构域的分子操作技术。 – 蛋白质的立体结构可以看作由结构元件组装而成的,因此 – 将不同蛋白质之间结构元件成段地替换
– 期望能够转移相应的功能。
• “中改”操作,在新型抗体的开发中已有广泛应用。 • 谈2个问题:一是抗体剪裁,二是蛋白质关键残基嫁接
一、抗体剪裁
• 抗体的基本结构:四链结构
– 四肽链:由2条重链(H链),2条轻链(L链)组成; – 结构域:IgG ——H链4个,L链2个; – 抗体识别位点组成:由轻、重二链1个结构域的高可变区共同构成。 – 抗原决定子互补区:抗体分子可变区的一些环状肽段组成的。

双特异性抗体( BsAb)?也称双功能抗体或杂交抗体,为非天然抗体。
2个抗原结合部位,具有不同的特异性 化学结构上是双价的,结合抗原的功能上是单价的;
不同于天然抗体(在化学结构及功能上均是双价的)
BsAb具有双特异性,能交联2种抗原,可介导标记物与靶抗原结合(造影)。

双特异性抗体制备方法
• 为何要人源化?
相对于“人”杂交瘤细胞系统,“鼠”杂交瘤细胞生长快,产生抗体量 大。 鼠McAb用于人体,免疫原性和相对缺乏恒定区依赖的功能效应,使它的 Ab的作用(补充): 应用受到了一定的限制。
识别作用:特异性与抗原分子结合 生物效应:调理作用、免疫粘联、激活补体
• 改造的必要性:
对鼠源McAb进行蛋白质工程改造,合成人源化单抗。
• 基于这种情况,我国科学家来鲁华教授课题组发展了一种“蛋白质关键残基嫁接”的方 法。
• 成功地将EPO的关键残基“嫁接”到一个结构完全不同的PH蛋白结构 域上,ERPH1蛋白具有了和EPOR结合的功能。
• 促红细胞生成素 (EPO)—受体(EPOR)相互作用,促进红细胞的分化和成熟。
来鲁华教授
北京大学化学学院长江特聘教授
• 从最简单的二级结构开始,摸索蛋白质结构稳定的规律。 • 设计目标:在超二级结构和三级结构设计中,一般选择天然 蛋白质结构中一些比较稳定的模块。 • 如:四螺旋束和锌指结构等。
– 功能设计方面:
• 主要进行天然蛋白质功能的模拟, • 如:金属结合蛋白和离子通道等。
2、设计方法(3种)
• 序列最简化法:

概述:
蛋白质的表达系统有很多,其中主要包括大肠杆菌、酵母菌、哺乳动物类细胞、
昆虫细胞及植物细胞等表达系统。
抗体分子表达:常用大肠杆菌和哺乳类细胞。
大肠杆菌:原核细胞表达系统。
成熟的基因克隆、蛋白表达体系,具有繁殖迅速、易于操作控制等优点。 缺乏蛋白质加工系统,内源性蛋白酶易降解外源蛋白,内毒素导致人体热源反应 仅可用于表达抗体片段,如单链抗体等。


发展了用于 蛋白质-蛋白质相互作用定量研究的 平均势方法。
有关蛋白质表面环区结构预测及蛋白质设计、基于结构的药物设计等程序目前在国际 上拥有900多家注册用户。 详细情况加附页——略
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本节小结
• 天然蛋白质的剪裁,又称蛋白结构的“中改”,是指在蛋白质中肽段或
• 下面介绍各级结构设计的原则
– 从四个方面讲述
1、二级结构的设计( α 、 β 、T) (1)螺旋的设计
• 排阻色谱法——判断分子以几聚体形式
–二级结构含量是否与目标符合
• CD法——检测各二级结构的大致含量
–是否具有预定的三级结构。
• 主要依靠NMR技术和荧光分析(下面介绍); • 也可使用X射线晶体衍射技术分析。
二、蛋白质结构的全新设计
• 核心问题:如何确定一个既非常稳定而又具有独特的空间结构的序列。
者结构域替换和拼接。
• 蛋白质的立体结构是由结构元件组装而成的,通过不同蛋白质之间结构 元件替换和拼接。期望能够转移相应的功能和特性。
• 本节主要通过抗体分子的拼接和改进进行了论述。
– 抗体的人源化(恒定区,CDR区) – 抗体的小分子化:双链(Fab和Fv)、单链( Fab和Fv )、双价抗体片段 – 双特异性抗体

单链抗体(ScFv):将轻链和重链的可变区连接起来的抗体。1条肽链

单价抗体的特点:
优点:分子量小,免疫原性弱、渗透力强,并可用于药物导向、中和毒素等功能。 缺点:无抗体C区,不能介导抗体的其他生物学效应。
④ 双价抗体片段:利用单价抗体片段构建双价单特异性抗体和双价多特异性抗体。
3、双特异性抗体(完整抗体)
学历 进修 贡献
来鲁华教授
承担过国家自然科学青年基金,国家杰出青年基金,攀登计划(国家基础研究重大 计划)项目,八六三项目等。国家自然科学三等奖1次,求是基金会青年科学家奖 励,中国科协青年科技奖等。发表论文近百篇,其中SCI收录论文80余篇。
研究方向与兴趣
• • 1987年开始从事化学与生物学的交叉研究, 特别是生物信息学研究,在蛋白质结构预测及分子设计方面做过大量工作。近年的主 要工作方向为蛋白质-蛋白质相互作用研究,
长江学者奖励计划:国家教育部与香港爱国实业家李嘉诚基金会
来鲁华,博士,教授
头衔
北京大学化学学院长江学者特聘教授, 北京大学理论生物学中心常务副主任, 分子动态与稳态国家重点实验室主任, 国家杰出青年基金获得者。
1984年,本科毕业于北京大学化学系。 1989年,在北京大学化学系获博士学位。 1998-1999年,美国加州大学伯克莱分校伯克莱学者。

必须进行互补决定区序列与框架结构的移植设计。

移植设计的原则
① 将CDR序列和紧邻两侧的骨架序列一起移植;


对骨架区中影响抗原结合部位的aa残基改为鼠源McAb的残基;
人McAb可变区序列的选择:抗体可变区序列数据库分析,选择与鼠 单克隆抗体同源性高的人源序列;


保留可变区N末端aa序列,尤其是轻链可变区N末端序列。
将人改型可变区基因与人lg恒定区基因连接,构成完整的人改型基因 进行表达。
2、抗体的小分子化改造

小分子抗体?能与抗原结合的抗体小分子V区片段——称~,具识别活性
主要包括4类

Fab抗体:酶水解法:用木瓜水解酶消化抗体可获得2个Fab片段。2条肽链
基因工程方法:在Fab基因表达Fab片段的功能。H链和L链基因分别构建,在2个载体上,
结构预测
构建模型 对序列进行初步的优化
基因表达全新蛋白质
结构和功能检测
进一步设计
主要介绍三个环节→
设计目标的选择 设计方法 结构检测

蛋白质设计一般都要经过反复多次 设计一合成一检测一再设计的过程。
1、设计目标的选择
• 蛋白质全新设计分类:(两个方面)。
– 功能设计和结构设计。 – 重点和难点:结构设计。Why? • 设计思路: – 结构设计方面:
VH
CH1
HC LC
VL
CL CH2 CH3CH3
Mouse
Human
Chimeric
(2)人改型抗体(互补决定区移植)

问题提出:

人源化嵌合抗体的可变区仍具有抗原性。能诱发人产生抗小鼠抗体,导
致过敏反应,需对人源化抗体的可变区再进行改造。

抗体可变区组成:

互补决定区(CDR)和骨架区 组成。 CDR:识别抗原表位的区域,直接
– 克服的基本障碍:线性聚合链的构象熵。熵增(ΔS)?
– 序列(正确)折叠的相互作用(力),必须超过(大于)构象熵。?
– 设计时,使具有相互作用力的AA数目与强度达到最大。
• 设计原则和经验:
– Cys残基形成二硫键的配对无法预测,一般都尽量少用甚至不用,特别是
在自动设计方法中。 – 序列完成预定折叠后,再引入二硫键来稳定蛋白质的三级结构。 – 色氨酸吲哚环具有生色性,与其所处环境有关,常以Trp做探针? – Trp 在天然态蛋白质分子内部,其荧光光谱发生蓝移。(?) – 在全新设计中常引入Trp作为荧光探针以检验设计蛋白质的三级结构。
抗原表位
抗体识别位点
一、抗体剪裁
• 人—鼠嵌合抗体的制备(思路)
– 利用分子剪裁技术对抗体分子进行剪裁的成功实例
——实验英国剑桥大学的Winter等。
– 将小鼠单抗的V区,换到人抗体分子的相应部位上,
– 使小鼠单抗所具备的抗原结合专一性转移到人的抗体分子上。
• 单克隆抗体(单抗,McAb)? • 抗体剪裁的医学价值
共转染细胞,或者构建在一个载体上转染细胞进行表达。
②ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Fv抗体:Fv是由轻链和重链可变区组成的单价小分子,是与抗原结合的最小功
能片段。 2条肽链
分别构建含H和L可变区基因的载体,共转染细胞,使之各自表达后组装成功能性Fv分子;或 在一个载体中H可变区和L可变区基因之间设置终止密码子,分别表达2个小分子片段。
(1)鼠单克隆抗体恒定区的人源化 – 将小鼠McAb恒定区用人抗体恒定区代替而拼接成嵌合抗体,既 具有抗原结合特异性,又极大地降低了鼠单克隆抗体的异源性。
改造策略和程序: ① 克隆鼠McAb可变区基因——从鼠杂交瘤 • 提取mRNA→可变区基因cDNA文库→ 表达载体→抗原特异性筛选 →可变区基因; ② 选择合适的人恒定区基因; • 恒定区基因比较保守,易于克隆获得 ③ 重组载体的构建与表达 • 抗体分子的糖基化和可变区的折叠、链内二硫键形成, • 以及重链和轻链相互作用形成正确的立体构象。 • 常用哺乳类细胞表达系统
决定了抗体的特异性;骨架区 ——维持CDR构象

骨架区序列及其立体结构较为保守,是嵌合抗体诱导人抗小鼠抗体的主 要原因; 将鼠McAb CDR移植到人McAb的可变区的骨架上,使人McAb获得鼠 McAb结合特异性,进一步减少异源性。


互补决定区移植的设计

简单地将CDR序列移植到人源抗体中,甚至完全丧失亲和力。
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