聯系我們
納米抗體如何實現(xiàn)如此高(gāo)的特異性？
免疫系統的強大(dà)功能(néng)在很(hěn)大(dà)程度上(shàng)取決于抗原的多樣性，這(zhè)種多樣性促使B淋巴細胞産生特異性的、緊密結合的抗原受體（BCR）。生物學研究的重要工(gōng)具——傳統抗體（Abs）以其精湛的結合特異性和(hé)對(duì)靶抗原的高(gāo)親和(hé)力，成爲了(le)生物制藥行業的基礎。然而，這(zhè)些(xiē)抗體的結合特異性的巨大(dà)多樣性是由重鏈（VH）和(hé)輕鏈（VL）兩個可變域中的序列變異産生的，如此一來(lái)，僅僅這(zhè)些(xiē)序列的排列組合就可能(néng)在人類中産生至少10種可能(néng)的BCR，其數量遠超個體B淋巴細胞群體的規模。這(zhè)個巨大(dà)的潛在序列多樣性是如何轉化爲抗原特異性的呢(ne)？這(zhè)個問題目前尚未完全明(míng)朗。顯然，存在一定的冗餘——并非每個獨一無二的VH-VL組合都會(huì)産生獨特的結合特異性。然而，想要知(zhī)道(dào)改變結合特異性所需的氨基酸突變數量及其位置，目前我們還無法準确預測。
在駱駝、美(měi)洲駝和(hé)羊駝等駱駝科物種中，科學家們發現(xiàn)了(le)一類特殊的重鏈抗體，它們可能(néng)爲我們提供了(le)一個更易于研究的系統，因爲這(zhè)些(xiē)抗體中完全沒有輕鏈的存在。其中，被稱爲納米抗體的可變VHH結構域（約爲傳統抗體的1/10大(dà)小(xiǎo)），展現(xiàn)出了(le)相當高(gāo)的穩定性，并且能(néng)夠結合酶活性位點，病毒衣殼以及G蛋白(bái)偶聯受體中難以接近的表位。駱駝的VHH結構域與Ab的VH結構域在功能(néng)上(shàng)同源，都包含三個高(gāo)度可變的環H1、H2和(hé)H3。這(zhè)三個環在折疊蛋白(bái)結構域的一側形成了(le)擴展的結構界面，爲抗原結合界面或旁位提供了(le)空(kōng)間，從(cóng)而決定了(le)Nb的抗原結合特異性。相較于六個在抗體 VH-VL結構域複合物中高(gāo)度可變的環，這(zhè)三個環的潛在序列多樣性明(míng)顯更小(xiǎo)，這(zhè)也(yě)使得駱駝的VHH結構域在與抗原結合時(shí)的特異性更易于掌握和(hé)控制。
對(duì)于納米抗體（nanobody，Nb）和(hé)傳統抗體（Abs）來(lái)說，最大(dà)的挑戰在于解析出将氨基酸序列（特别是副位殘基的挑選）與折疊分子的結合特異性相關聯的分子密碼。在常規的抗體中，副位通常會(huì)出現(xiàn)在VH和(hé)VL結構域的結合處，通常會(huì)涉及到(dào)多達六個不同的高(gāo)變環區(qū)域的殘基。此外(wài)，VH和(hé)VL結構域的結合方式也(yě)有很(hěn)大(dà)的靈活性，使得抗體能(néng)夠盡可能(néng)地增加潛在抗原結合表位的多樣性。相比之下(xià)，納米抗體（nanobody，Nb）的副位則完全包裹在VHH結構域内部，這(zhè)樣便大(dà)大(dà)限制了(le)潛在抗原結合表位的空(kōng)間多樣性，而不過多地影響其結合特異性的多樣性。實際上(shàng)，納米抗體（nanobody，Nb）通常會(huì)與其靶抗原緊密結合，其親和(hé)力也(yě)與典型單克隆抗體相仿。盡管納米抗體（nanobody，Nb）體積小(xiǎo)巧且結構單一，但(dàn)是它們是如何實現(xiàn)如此多樣化的結合特異性的呢(ne)？
爲了(le)解決這(zhè)個問題，研究人員建立了(le)兩個共晶蛋白(bái)複合物結構的數據集，每個數據集都包含納米抗體（nanobody，Nb）抗原或傳統抗體（Ab）抗原蛋白(bái)複合物。數據集由90個非冗餘蛋白(bái)質結合納米抗體（nanobody，Nb）組成，PDB中具有納米抗體（nanobody，Nb）抗原共晶體結構。
爲了(le)量化納米抗體（nanobody，Nb）VHH結構域和(hé)傳統抗體（Ab） VH結構域不同部分的結構變異性，研究人員對(duì)抗原接觸殘基的結構比對(duì)與鑒定；确定了(le)納米抗體（nanobody，Nb）抗原和(hé)傳統抗體（Ab）抗原複合物的90種共晶體結構，分析了(le)抗原結合構象中的納米抗體（nanobody，Nb）和(hé)傳統抗體（Ab）結構變化。
通過對(duì)納米序列的研究分析發現(xiàn)，米抗體（nanobody，Nb）在其框架區(qū)域的序列和(hé)結構上(shàng)更加保守，這(zhè)表明(míng)米抗體（nanobody，Nb）沒有很(hěn)大(dà)程度地利用(yòng)框架來(lái)增加可以編碼的結合特異性的數量。那麽，爲何納米抗體（nanobody，Nb）的序列長度縮短且單域結構緊湊，但(dàn)依然産生如此多樣化的結合特異性呢(ne)？
傳統抗體結構中六個超變量環是确定Ab相互作(zuò)用(yòng)特異性的關鍵；相比之下(xià)，納米抗體（nanobody，Nb）隻有三個高(gāo)變環，減少了(le)可能(néng)的序列變異的空(kōng)間，從(cóng)而減少了(le)潛在的相互作(zuò)用(yòng)特異性。因此，研究人員提出了(le)三種潛在機制。
第一種機制與納米抗體（nanobody，Nb） H1和(hé)H2環所表現(xiàn)出的顯著增加的結構多樣性有關。這(zhè)些(xiē)環并不比傳統抗體（Ab）環表現(xiàn)出更大(dà)的序列變異，但(dàn)結構分析表明(míng)，它們确實表現(xiàn)出更大(dà)的結構變異。與傳統抗體（Ab）相比，這(zhè)種結構多樣性可能(néng)是由于不同的環序列特征——例如，較少的納米抗體（nanobody，Nb）H1環含有穩定的F29，而納米抗體（nanobody，Nb） H2環使用(yòng)更大(dà)比例的小(xiǎo)殘基，這(zhè)增加了(le)結構的靈活性。無論納米抗體（nanobody，Nb）如何取樣更多種類的環主鏈構象，事(shì)實是它們對(duì)實現(xiàn)高(gāo)特異性抗原結合的能(néng)力做出了(le)重要貢獻。
其次，根據研究數據顯示，納米抗體（nanobody，Nb）編碼的每個氨基酸殘基的序列多樣性比傳統抗體（Ab） H3環多7%左右。更長的H3環被認爲能(néng)夠使Nbs通過延伸到(dào)表位腔内的手指狀突起與抗原結合。這(zhè)些(xiē)發現(xiàn)表明(míng)，納米抗體（nanobody，Nb）利用(yòng)其H3環中增加的多樣性，使它們能(néng)夠産生與它們受到(dào)挑戰的抗原緊密特異性結合的能(néng)力。
研究人員基于共晶結構數據提出第三種機制，從(cóng)比VH結構域更大(dà)的範圍内繪制旁位殘基的能(néng)力将促進抗原結合界面的形狀和(hé)物理(lǐ)性質的多樣性，使納米抗體（nanobody，Nb）能(néng)夠使用(yòng)更廣泛的表面，通過不同的結合模式與同源抗原相互作(zuò)用(yòng)。
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構多樣性來(lái)産生特異性的多樣性。這(zhè)表明(míng)在小(xiǎo)蛋白(bái)區(qū)域的分子特異性能(néng)力比我們基于經典抗體的預期要高(gāo)得多，這(zhè)表明(míng)使用(yòng)相對(duì)受限的短氨基酸序列與多種靶标産生高(gāo)親和(hé)力特異性結合的潛力令人興奮。
參考文(wén)獻：
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
