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Nature | 从序列到结构:新冠抗体的研究

发布时间:2021-8-3 11:21:06阅读次数: 分享到:

自新冠疫情爆发以来,全球许多科研团队采用二代、三代、单细胞等测序技术,联合其他实验方法,发现和鉴定了一系列的候选新冠抗体,为战胜疫情提供了强大的武器。基于以SARS-CoV-2病毒S蛋白的RBD结构域(receptor-binding domain)为靶标的294个新冠中和抗体分析,发现IgG重链的IGHV3-53是最频繁使用的V基因;通过结晶两个含有IGHV3-53基因编码的中和抗体与RBD结合的复合物结构,表明中和抗体主要结合RBD上的ACE2结合位点,该结合位点使得IGHV3-53抗体的HCDR3区域更短,但兼容轻链的多样性。此外,还发现IGHV3-53抗体有更好的亲和力。总之,基于序列和结构分析中和抗体应对SARS-CoV-2病毒的分子机制,有利于优化疫苗的设计和药物发现。


一、新冠抗体V基因使用

新冠病毒感染人类主要是基于其编码的S蛋白的RBD结构域与人体编码的ACE2蛋白进行结合。因此,人类的B细胞免疫可以特异性的编码与RBD结构域结合的中和抗体,从而阻止S蛋白与ACE2的结合,进而阻止感染的发生。目前,发现的一系列抗体也主要是RBD靶向型。截止本文发表时(2020.8),共有约294种RBD-靶向型抗体被报道,其部分列表如表1。

表1. 部分发现的RBD靶向中和抗体


对这些抗体进一步分析,发现IGHV3-53是最频繁使用的IGHV基因,在患者中使用率为10%,远高于健康人的0.5-2.6%的比例(图1)。同时,相对于其他中和抗体,IGHV3-53抗体还有更低的体细胞突变率,但中和性更强;此外,对轻链也做了类似的分析(图2)。

图1. 294 RBD靶向的新冠抗体的IGHV基因使用统计


图2. 294 RBD靶向的新冠抗体的轻链V基因使用统计


二、高亲和力抗体结构

为了进一步了解IGHV3-53抗体与RBD的结合,研究者获得了两个IGHV3-53、SARS-CoV-2 RBD及Fab CR3022的复合物结构,命名为CC12.1和CC12.3(图3)。CC12.1和CC12.3均为高亲和力的抗体。尽管他们均为IGHV3-53抗体,但是CC12.1使用IGHJ6、IGKV1-9和IGKJ3,而CC12.3使用IGHJ4、IGKV3-20和IGKJ1,属于不同的BCR克隆型。序列分析发现CC12.1的IGHV和IGKV仅有4个氨基酸的区别、CC12.3仅有三个氨基酸的区别,且结构分析发现CC12.1和CC12.3有相似的抗原表位,且均与ACE2-结合位点重叠。

图3. 两个新冠抗体CC12.1和CC12.3与RBD结合蛋白结构图


三、抗原表位分析

RBD共有17个ACE2结合的氨基酸残基。其中,对于抗体CC12.1和B38(晶体结构已报到),分别有15和16个在其抗原表位,对于CC12.3则有11个位于抗原表位。序列比对发现SARS-CoV-2和SARS-CoV抗原表位氨基酸序列差异较大,可能解释为何二者的抗体缺乏相互反应性(图4)。

图4. IGHV3-53抗体的抗原表位


四、HCDR区与RBD互作分析

为了理解IGHV3-53为何可以作为共享V基因,研究者分析了CC12.1、CC12.3和B38与RBD的分子间相互作用。发现表明,重链的互补决定区CDR1、CDR2与RBD区域的相互作用主要通过特定的氢键实现(图5)。CC12.1、CC12.3和B38与RBD之间的氢键互作几乎相同,仅在58号氨基酸有区别。对于CC12.1和CC12.3,该位置发生体细胞突变为Y58F,突变前后的范德华相互作用相似,仅仅导致一个氢键的丢失(图5C)。

图5. RBD与重链CDR loop区互作分析


五、CDR3长度分析

结构分析发现IGHV3-53有两个关键的motif影响与RBD的结合:1)CDR1的NY motif,位于氨基酸32和33位;2)SGGS motif,位于CDR2的53-56位。N32通过与抗体其他氨基酸、RBD和水分子形成氢键(图6A),而Y33的残基则插入RBD形成的一个疏水口袋,并与RBD的L455形成氢键(图6B),而第二个motif SGGS则与RBD形成广泛的氢键网络(图6C)。此外,发现IGHV3-66编码的新冠抗体也具备此两motif。研究还发现CC12.1和CC12.3的HCDR3区域与RBD互作的结构有差异,这是由于二者的序列和构象的差异导致的,且二者的HCDR3氨基酸长度均为9,较人体常见的13个氨基酸更短,可能原因是IGHV3-53抗体的抗原表位体积更大,导致形成更小的“口袋”用于容纳HCDR3区(图6D)。

图6. 两个IGHV3-53胚系编码的motifs有更短的HCDR3


总  结

本研究对发现的一系统新冠抗体进行回溯性研究,发现重链V基因使用的偏好性。并对两个IGHV基因使用的抗体与RBD结合的复合物进行蛋白结构结晶,从分子水平理解了他们之间相互作用的机制。该研究对设计高亲和力的中和抗体意义重大。

参考文献:

Yuan M, Liu H, Wu N C, et al. Structural basis of a shared antibody response to SARS-CoV-2[J]. Science, 2020, 369(6507): 1119-1123.

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