虚拟氨基酸突变法分析和预测抗原抗体相互作用的关键位点

摘要

蛋白质在生物体内扮演了不可或缺的重要角色，不仅是细胞和组织的物质基础，更参与各种机能反应的成分组成。蛋白质与配体分子的识别过程，包括抗原与抗体、酶与底物、激素与受体的识别等，参与了机体内的免疫反应、生化反应、信号转导等几乎所有重要的生命活动。蛋白与配体相互作用分析，是理解生命活动中的各种生物功能的分子机制和调控过程的基础。其中，对于抗原抗体识别机制的研究，有助于疫苗的分子设计和机理解释，有助于指导亲和力成熟的治疗性抗体的研究，在疾病预防和临床治疗诊断应用方面，具有十分重要的意义。
　　获得蛋白质的三维结构是分析抗原抗体的复合物体系相互作用的基础，结构解析的实验方法包括X射线晶体衍射、核磁共振波谱和电镜重构等，但是由于蛋白样品制备或实验技技术本身的限制，许多复合物的三维结构未能获得解析。而基于同源模型建立的分子模拟是目前准确度最高的三维结构预测方法，可根据已知氨基酸的序列比进行未知蛋白的结构预测。如果已知复合物的单体结构，分子对接的方法可以预测两者间的结合模式和亲和力，寻找分子间相互识别的合理构象，能量最小化和分子动力学模拟可进一步优化预测的空间结构，用于准确解释蛋白结构与功能的关系。相互作用关键位点和相互作用机制可通过突变分析实验来验证，包括丙氨酸扫描和饱和突变等，突变前后亲和力变化的检测方法有生物物理手段（AUC等）、生物化学手段(SDS-PAGE等)、免疫化学手段(ELISA、WB等)，利用细胞结合/中和实验可对突变前后的复合物进行功能性验证。分子模拟中基于结合自由能算法而发展的虚拟氨基酸突变，可以用来快速地在实验前虚拟测试大量突变位点，根据结构变化计算突变前后的能量变化，从而得出突变位点使得复合物亲和力下降或提高的结论，根据实验目的筛选预测结果，可以指导实验人员理性设计突变蛋白，大大减少工作量和实验成本。如果虚拟突变预测方法能够具有一定的准确度，甚至能够在一定程度上替代突变实验进行相互作用特异性分析。本论文拟通过对已知结构的复合物进行虚拟氨基酸突变研究该方法的关键参数和合理阈值，为虚拟氨基酸突变提供实例分析和实验验证。
　　论文的第一部分主要针对抗原抗体复合物体系进行了相互作用界面的抗原关键表位的预测分析。结构模型的精细程度是预测结果准确性的首要影响因素，因此本文首选了三个抗原抗体复合物晶体结构，通过分析定义交界面的相互作用氨基酸、虚拟突变分析能量柱状图来预测对抗原抗体结合起关键作用的表位位点，提出了关键位点定义的结合能量变化临界值1 kcal/mol，预测结果与突变实验验证结果较为吻合，且预测没有出现假阳性，体现了一定的准确度，和较高的特异度;之后，本文进行了一例广谱中和单抗13A10与四型HPV(16/31/33/58)结合模式的预测分析，并对此分子模拟预测的抗原抗体复合物体系基于临界值定义了关键表位，通过突变实验验证，预测结果亦体现了较高的准确度和特异度;第三，本文扩展引用了一例小分子体系，通过分析并与实验结果对比，同样得出了预测准确的结论。本部分的研究内容体现了该方法在预测关键表位方面的应用具有一定的广泛性，准确性和特异性。
　　论文的第二部分探索了虚拟氨基酸突变在抗体亲和力成熟方面的应用。以抗体亲和力成熟前后的两株抗原抗体复合物为研究对象，对通过亲和力提高和位点突变频率分析得到的两个重要位点，通过虚拟突变，将其分别由初始氨基酸突变为亲和力成熟的氨基酸，根据能量计算分析亲和力变化。虽然预测结果存在与实验结果没有完全吻合的现象，但具有一定的准确率，且已通过分子动力学模拟从结构上解释了预测不全面的原因。
　　综上所述，本文以四例抗原抗体复合物和一例小分子体系为例对氨基酸虚拟突变用于指导实验的可行性进行了探索分析。结果显示，虚拟氨基酸突变在抗原抗体复合物关键结合位点的预测方面具有一定的准确度，按照本文提出的能量变化临界值，进一步提高了预测的特异度，虚拟氨基酸突变后的复合物结构进一步利用分子模拟分析，可为突变实验理性设计和蛋白相互作用分析提供准确的结构模拟信息，具有重要的应用价值。

目录

声明

摘要

缩写词

第一章 前言

1 蛋白质的相互作用

1．1 蛋白与配体的相互作用机理

1．2 蛋白相互作用的影响因素

2 蛋白质相互作用中的抗原与抗体识别

2．1 抗原表位与抗体亲和力成熟

2．2 抗原抗体相互作用研究方法

3 抗原与抗体相互作用的分子模拟方法

3．1 蛋白相互作用中的分子模拟

3．2 分子模拟可靠性的关键因素

3．3 分子模拟技术介绍

3．4 虚拟氨基酸突变计算自由能

4 本论文研究内容，目的与意义

第二章 材料与方法

1 材料

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂与材料

1．3 工作站和软件

1．4 常用溶液及试剂配制

2 方法

2．1 突变法鉴定抗原表位

2．2 抗原抗体结合活性分析方法

2．3 单抗与五聚体结合比例研究

2．4 蛋白质同源模建与分子对接

2．5 虚拟氨基酸突变

2．6 分子动力学模拟

第三章 结果与分析

第一部分 基于氨基酸虚拟突变的关键表位预测

1 基于晶体结构的交界面关键表位预测以及临界值的提出

2 基于分子模拟结构的交界面关键表位预测

3 基于小分子体系的交界面关键位点预澍

4 第一部分小结

第二部分 氨基酸虚拟突变在抗体亲和力成熟方面的应用

1 虚拟氨基酸突变

2 分子动力学模拟分析

3 第二部分小结

讨论

1 能量变化临界值的意义

2 虚拟饱和突变的应用价值

3 虚拟氨基酸突变的假阴性现象

4 分子模拟技术的发展

小结与展望

参考文献

致谢

在校期间发表成果