【4.3】抗体中重链和轻链可变结构域的关联:对抗原特异性的影响

免疫球蛋白的抗原结合位点由六个区域形成,三个来自轻链,三个来自重链可变结构域,其在两条链的缔合下形成抗体的常规抗原结合位点。 重链和轻链可变结构域之间的相互作用模式影响抗原结合环的相对位置,因此对结合位点的整体构象具有影响。 在本文中,我们分析了重链和轻链可变结构域之间界面的结构,并表明它们的相互作用基本上有两种不同的模式,可以通过抗体序列特定位置中关键氨基酸的存在来鉴定。 我们还表明,不同的包装(packing)模式与识别的抗原类型有关

前言

免疫球蛋白是多链蛋白质,通常由两对轻链和两对重链组成(“重链抗体”除外,它们存在于骆驼科动物[1]和许多鱼类中[2,3] ],并且没有轻链)

在高等脊椎动物中,有两种类型的轻链 -k和- λ,而重链可以有五种类型:μ,δ、γ、ε和α。 根据重链的类型分别定义免疫球蛋白类:IgM,IgD,IgG,IgE和IgA。 每条链包含四个(重链)或两个(轻链)链内二硫键,由基本结构域的多个变体组成(两个用于轻链,通常四个用于重链),假设具有特征性免疫球蛋白折叠,其中两个 b-sheets片面对面包装并通过保守的链间二硫桥和链间环连接在一起。

在几种抗体的序列分析的基础上,Wu和Kabat [4]正确地预测了六个环区域(三个来自轻链,三个来自重可变区)参与抗原结合,并称它们为“互补决定区”或CDR。 这种基于序列的定义很大程度上与Chothia et al随后提供的“高变环”的结构定义重叠。[5]

这些环外部的可变结构域的区域称为框架(Fv,famework region),并且在序列和主链构象中都是高度保守的,而主要负责识别和结合抗原的抗原结合位点的六个环在 顺序和结构多变。 通过有限的蛋白水解消化获得的抗体片段,其仅包含完整抗体的一个亚组域,维持抗原结合能力[抗原结合片段(Fab),两个连接的Fab(F(ab)2),可变片段(Fv) )]或效应器功能(Fc,铰链)[6]

鉴于它们在生理免疫反应中以及在相关疾病过程中的重要作用,正确预测这些分子的结构和特异性是非常有必要的。此外,它们的模块性质和其支架结构的保守性使得抗体分子特别适合蛋白质工程。通过交换片段或抗原结合区,可以将抗原结合特性从’供体’移植到’受体’抗体。以这种方式,例如在小鼠中获得的针对给定抗原的抗体的特异性原则上可以转移至人抗体,从而获得具有所需特异性且不太可能引发免疫应答的分子。已经设计了几种策略来实现这一目标,例如抗体嵌合化[7],人源化[8,9],超人类化[10,11],表面重建[12]和人体串内容优化(human string content optimization)[13]。所有这些方法都依赖于对这类分子中序列和结构之间关系的正确理解

我们和其他人已经为规范结构方法的发展做出了贡献,以预测高变环的结构[5,14-16]。 该方法基于以下观察结果:尽管它们具有高序列可变性,但抗原结合位点的六个环中的五个和第六个环的一部分可以呈现小的主链构象库,称为“规范结构”(‘canonical structures’) ,由环的长度和环路本身内外特定位置的关键残留物的存在决定。 其他环状残基可自由变化以改变抗原结合位点的形貌和物理化学性质。 已知结构的大多数高变区具有非常接近所述规范结构的构象[5,14]。 该方法在公共可用的Web服务器PIGS [17]中实现,并且最近已经扩展,以允许预测免疫球蛋白k链的环结构[15]

先前的研究[18-21]已经表明,重链可变区 - 轻链可变区(VH-VL)缔合的变化可以改变高变环的相对位置,这反过来可以改变高变环的一般形状, 抗原结合位点,以及与抗原直接相互作用的侧链的配置[22-25]。

参考资料

  • 《The association of heavy and light chain variable domains in antibodies: implications for antigen specificity》
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