CN103145834B - 一种抗体人源化改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗体人源化改造方法，包括以下步骤：抗体基因序列分析；抗体Fab的同源建模与优化；表位扫描确定人源化突变位点；虚拟突变与分子动力学模拟，确定关键氨基酸；通过上述分析设计合理的人源化抗体，并再次用表位扫描验证抗体人源化程度；最后在生物实验上对人源化抗体亲和力进行验证。本发明的有益效果：本方法可以用于鼠源或其他动物源抗体的人源化改造，只需要提供抗体Fab的基因序列，且不依赖于抗原表位的信息，所设计的人源化抗体，具有更高的亲和力保持，更高的人源化程度，可最大程度地解决抗体亲和力与人源化程度之间的矛盾。

Description

一种抗体人源化改造方法

技术领域

本发明属于免疫学、分子生物学和生物信息学领域，尤其涉及一种抗体人源化改造方法。

背景技术

单克隆抗体类药物具有特异性强，副作用小，疗效显著等优点，已经成为对抗肿瘤，传染病，自身免疫病等病患的重要工具。目前细胞融合与杂交瘤技术，仍然是最为可靠的制备单克隆抗体的方法，常用来免疫的动物有小鼠，大鼠，羊，兔子及其他动物，其中最常用的是鼠类包括大鼠与小鼠。利用该方法得到的单克隆抗体是动物源的，开发动物源单克隆抗体成为抗体类药物应用于人体，必须要进行人源化改造，以减少异源抗体所引起的人抗动物抗体反应(Human Anti-Animal Antibodies, HAAA)，同时也可以更加有效的激活人体免疫系统，降低抗体类药物的清除速度，并延长半衰期。

抗体人源化是一个古老的话题，但因为技术的限制，现有的人源化方法并不能保证100%得到人源化效果好亲和力高的抗体。常见的人源化方法有最早的嵌合抗体，CDR移植(CDR-grafting)改型抗体、表面重塑人源化抗体及噬菌体展示人源化抗体等，但是大量的实验结果表明现有的这些抗体人源化改造方法成功率有限，比如许多鼠源抗体进行CDR移植人源化改造后亲和力大大下降，甚至是特异性完全消失。

具体地分析原因：这些传统的人源化方法大多数是基于一级结构序列分析或静态的三维分子结构分析进行的，这种分析策略存在主要问题就是无法解决抗体亲和力保持与人源化程度之间的矛盾，如：人鼠嵌合抗体亲和力保持最好，几乎与亲本鼠源抗体相同，但人源化程度很低，其完全的鼠抗体可变区依然会引起严重的(Human Anti-Mouse Antibody, HAMA)反应；CDR移植人源化抗体与噬菌体展示人源化抗体被认为是人源化程度最高的抗体，但这两种方法改造的人源化抗体往往亲和力下降严重，甚至是完全消失；表面重塑抗体人源化方法基于抗体分子三维结构分析，相对于CDR移植抗体来讲在亲和力保持上有一定优势，但其抗体内部依然存在大量的鼠源氨基酸，有报道认为也会引起一定的HAMA反应，其亲和力的保持是以牺牲一定人源化程度为代价的。

抗体互补决定区(Complementary Determining Regions, CDRs)是在抗体框架区(Framework Regions, FRs)的支持下与抗原分子上的表位氨基酸相互作用的区域。CDR区与抗原表位精密的分子对接是抗体亲和力与特异性的分子基础，而天然的亲本抗体的CDRs区构象代表了最高的亲和力与最好的抗原结合特异性。理论上FRs区氨基酸的改变，会引起CDRs区构象上发生变化使亲和力下降。有研究证明，在FRs区的所有氨基酸中，大多数的氨基酸的人源化替换对CDRs区构象只产生轻微的影响，不会对抗体亲和力产物严重影响，但也存在着少数几个关键氨基酸，一旦这些关键氨基酸被替换成人的相应氨基酸后，会引起CDRs区构象上很大的改变，进而引起抗体亲和力的严重下降，现有的传统人源化方法正是无法动态地把握这些关键氨基酸，才会使其在人源化实验中往往导致人源化改造之后的抗体亲和力下降或消失。

随着现代生物物理学、计算结构生物学的发展，使人们对于生物大分子的结构，功能及抗原抗体分子相互作用的认识更加透彻：利用同源建模(Homology Modeling)技术人们可以了解抗体分子及抗原分子的结构；利用分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟技术，还可以掌握生物大分子的结构与功能之间的动态关系。将上述技术综合起来，再与生物信息学及生物学实验相结合，使解决传统人源化方法存在的问题提供了可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗体人源化改造方法，在参考多模板进行CDR移植的基础上，以生物信息学中的表位扫描（Epitope Scaning，ES）技术和计算结构生物学中的虚拟突变与分子动力学模拟为核心，来进行合理的抗体人源化设计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种抗体人源化改造方法，包括以下步骤：

抗体基因序列分析，包括以下步骤：

1）抗体基因克隆：将动物源的分泌特异性抗体杂交瘤细胞提取总RNA，并反转录合成cDNA第一条链；根据不同动物源不同抗体亚型可变区设计特异性引物，以cDNA为模板，进行抗体基因PCR扩增，纯化后的PCR产物与克隆载体相连接，连接产物转化感受态细菌，在过夜生长的平板上轻链重链各挑取白色单菌落进行PCR鉴定，将鉴定为阳性的克隆进行序列测定；

2）抗体序列分析

测定的Fab抗体基因序列可变区VL与VH利用IMGT/V-Quest在线服务器分析抗体亚型，并翻译成氨基酸序列，然后综合Kabat、Chothia及IMGT三种抗体CDRs区的Numbering方案，以最大程度地保持CDRs区氨基酸为原则，确定抗体轻链与重链的六个CDRs区序列；

2.抗体Fab的同源建模与优化，包括以下步骤：

1）抗体Fab初始结构建模：利用同源建模技术来构建动物源亲本抗体Fab及其嵌合人源化抗体Fab的空间结构，同源建模的过程包括模板搜索、初始结构建模、Loop区的构象搜索及初始模型的MD优化；嵌合抗体模型的构建：利用分子建模工具将动物源抗体可变区与人IgG1抗体的恒定区进行连接构建嵌合抗体的分子模型；

2）抗体Fab的结构优化：对于亲本抗体Fab与嵌合抗体Fab初始模型采用显性溶剂水环境下的能量最小化与10ns的分子动力学平衡模拟来进行全面的优化，从平衡的动力学轨迹中提取稳定的平均构象；

    3.表位扫描，确定突变氨基酸位点，包括以下步骤：

1）人同源序列的搜索：将抗体可变区VL及VH的氨基酸序列作为探针分别利用NCBI_Balstp工具在Genbank上进行序列搜索与VL及VH相似性最高的所有抗体序列，排除所有的非人源和人源化的同源序列并手动去除不完整或者有错误的序列，下载与VL及VH同源性最高的前50条人源抗体完整序列，作为CDR移植的参考模板，将抗体可变区VL与VH的氨基酸序列分别与下载的人同源序列采用动态规划算法进行多重序列比对；

2）表位扫描

为了排除来自多个模板比对后进行人源化替换，导致人源化后的抗体FR区可能存在的线性B细胞表位与构象型B细胞表位，进行表位扫描包括线性表位扫描与构象性表位扫描；

线性表位扫描方法：以每六个多肽段为一组探针进行，在多重序列比对中每次向前位移1个氨基酸，逐位进行扫描，如果一段表位肽没有在任何人的抗体序列中有重复，也不能用NCBI_Blast工具在Genbank找到人抗体相同的多肽序列，则此多肽定义为可能的线性表位；

构象型表位扫描方法：将所有的突变点在空间距离上进行分析(用先前构建的Fab模型)，最小以两个突变点为单位，凡是在空间距离小于3埃的，且该单位没有在任何人的下载的人抗体相应序列中出现的，则定义为一个构象型表位。

4.虚拟突变与分子动力学模拟，包括以下步骤：

采用虚拟突变结合分子动力学模拟来定位影响抗体CDR区构象的关键氨基酸，将表位扫描后确定的人源化氨基酸突变利用分子建模软件分别构建单个点突变的模型与多个点组合突变的模型，突变体经过能量最小化及简短的体系平衡模拟后，在310K与一个大气压的等温等压(NPT)系综和周期性边界条件下进行10ns显性溶剂水的分子动力学模拟，并从平衡的动力学轨迹中提取稳定的平均构象；突变体分子动力学模拟后再与亲本抗体或嵌合抗体的CDR区进行构象比对，并计算结构之间的RMSD值，通过RMSD值的大小来反映不同突变体之间CDR结构差别的大小，以查看氨基酸突变后CDR区结构改变的大小；

5.合理人源化设计，包括以下步骤：

根据筛选出来的关键氨基酸，对抗体Fab进行合理的人源化设计，包括以下步骤：

1）将FR区上的非关键氨基酸进行人源化替换；

2）对于关键氨基酸，利用blastp程序在Genbank中搜索人抗体序列上可能存在的其他可选氨基酸替换模式；

3）将所有的关键氨基酸根据不同优先级与组合，用与前面相同的方法进行虚拟突变与MD模拟，再次确认这些关键氨基酸对CDR区构象的影响；

4）最后利用表位扫描检验设计的人源化抗体可能存在的线性表位与构象型表位，根据所得到的不同氨基酸位点在分析中的优先级，设计多个不同氨基酸位点组合突变的人源化抗体以供实验验证。

6.实验验证，包括以下步骤：

将设计好的人源化抗体轻链与重链序列设计特异性引物进行PCR扩增或进行全基因合成，并构建到含有轻链与重链保守区的真核表达载体上，使之可以表达完整的抗体分子。然后将轻链与重链载体按1：1的比例共转染293T细胞进行瞬时表达，收取生长到48-72小时的转染细胞上清利用Protein A进行抗体纯化；然后利用ELISA，FACS或者SPR等技术对抗体亲和力进行检测，并与亲本抗体进行比较。

本发明的有益效果：本方法可以用于鼠源或其他动物源抗体的人源化改造，只需要提供抗体Fab的基因序列，且不依赖于抗原表位的信息，所设计的人源化抗体，具有更高的亲和力保持，更高的人源化程度，可最大程度地解决抗体亲和力与人源化程度之间的矛盾。 

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1为抗体基因cDNA PCR产物的琼脂糖凝胶电脉；

图2为TRN002 Fab抗体的最终结构及MD分析；

图3为30个突变体在各自5ns的分子动力学模拟过程中RMSD分析；

图4为30个突变体的最终结构与亲本TRN002 Fab 抗体的CDRs区进行结构比对；

图5为抗体表达的Western Blot检测；

图6为抗体亲和力的流式检测；

图7为抗体亲和力的Biacore检测。

具体实施方式

抗体TRN002是一株大鼠抗人DEC-S的单克隆抗体，亚型测定为IgG1与Kappa型，该抗体可以特异性介导抗原内吞，提高DC细胞对特异抗原的免疫呈递能力，并有望开发成治疗性疫苗应用于细胞免疫功能低下的相关疾病，但因为TRN002是鼠源的，必须进行人源化改造后才有可能作为药物应用于临床。

1  抗体基因克隆与序列分析

）抗体基因克隆

将分泌特异性抗体的杂交瘤细胞进行亚克隆操作，利用ELISA或者FACS等抗体鉴定方法对亚克隆的细胞上清进行分析，将分泌强阳性抗体的细胞克隆扩大化培养与冻存；将亚克隆操作两次以上的杂交瘤扩大化培养到10⁷ 细胞（cells），按照TRIZOL试剂盒说明书提取总RNA，利用Invitrogen的反转录试剂盒合成cDNA第一条链；根据大鼠IgG1抗体亚型可变区设计特异性引物，以cDNA为模板，进行抗体基因PCR扩增，序列见表1。

表1 抗体基因克隆设计的PCR引物

纯化后的PCR产物与pGEM-T Easy克隆载体相连接，连接产物转化DH5α感受态细菌，在过夜生长的平板上轻链重链各挑取白色单菌落进行PCR鉴定，将鉴定为阳性的克隆进行序列测定。

2）抗体序列分析

测定的Fab抗体基因可变区序列VL与VH利用IMGT/V-Quest在线服务器分析抗体亚型，并翻译成氨基酸序列，然后综合Kabat、Chothia及IMGT三种抗体CDRs区的Numbering方案，以最大程度地保持CDRs区氨基酸为原则，确定抗体轻链与重链的六个CDRs区序列。

2.Fab的同源建模与优化：

1）抗体Fab初始结构建模

因为抗体Fab段具有相对独立的空间结构，可以用分子模拟技术研究其结构与功能，本方法利用同源建模来构建动物源亲本抗体及其嵌合人源化抗体的空间结构。同源建模的过程包括模板搜索，初始结构建模，Loop区的构象搜索及初始模型的MD优化：首先将抗体轻链可变区(VL)与重链可变区(VH)的氨基酸序列作探针，在PDB数据库中搜索各自的模板与轻链重链的组合模板，然后利用建模工具软件构建亲本抗体的初始模型；对于VH区的CDR3区采用Looper算法，根据Loop环区的物理化学性质、空间限制及氨基酸组成进行构象搜索。嵌合抗体模型的构建：利用分子模拟软件将鼠源抗体可变区与人IgG1抗体的恒定区进行连接构建嵌合抗体的分子模型。

2）抗体Fab的结构优化

对于亲本抗体Fab与嵌合抗体Fab初始模型采用显性溶剂水环境下的能量最小化与10ns的分子动力学平衡模拟来进行全面的优化。该计算可以采用Gromacs等专业的MD软件进行。步骤如下：将初始模型溶解在一个含有SPC/E水分子的正方体盒子中,赋Charmm27全原子力场，添加中和离子以平衡整个体系电荷；结合最陡下降法(Steep descent, SD)与共轭梯度法 (Conjugate gradient, CG) 优化使整个体系收敛，经过简短的体系平衡模拟后, 在310K与一个大气压的等温等压(NPT)系综和周期性边界条件下进行10ns显性溶剂水的分子动力学模拟。分子动力学平衡模拟主要从体系能量(Potential)及均方根偏差(Root Mean Square Deviation, RMSD)两个方面来考察体系是否达到平衡。

对所得到的抗体的平均结构，分别从立体化学准确性、残基相容性两个指标来评估：用Procheck程序进行立体化学准确性分析；用Profile-3D程序来评估模型结构中每个残基与其对应结构的相容性。

    3.

1）人同源序列的搜索

本方法进行人源化改造是在嵌合抗体的基础上进行，所以Fab抗体的可变区的FRs区，是方法第一阶段改造的主要目标。将抗体可变区VL及VH的氨基酸序列作为探针分别利用NCBI_Balstp工具在Genbank上进行序列搜索与VL及VH相似性最高的所有抗体序列，排除所有的非人源和人源化的同源序列并手动去除不完整或者有错误的序列，下载与VL及VH同源性最高的前50条人源抗体完整序列，作为CDR移植的参考模板，将抗体可变区VL与VH的氨基酸序列分别与下载的人同源序列采用动态规划算法进行多重序列比对。

2）表位扫描

为了排除来自多个模板比对后进行人源化替换，导致人源化后的抗体FR区可能存在的线性B细胞表位与构象型B细胞表位，根据B细胞表位的定义，表位扫描包括线性表位扫描与构象性表位扫描。

线性表位扫描方法包括：在多重序列比对中，以每六个多肽段为一组探针进行，在多重序列比对中每次向前位移1个氨基酸，逐位进行扫描，如果一段表位肽没有在任何人的抗体序列中有重复，也不能用NCBI_Blast工具在Genbank找到人抗体相同的多肽序列，则此多肽定义为可能的线性表位；

构象型表位扫描方法包括：将所有的突变点在空间距离上进行分析，用来自于结构预测或实验测定的Fab结构，最小以两个突变点为单位，凡是在空间距离小于3埃的，且该单位没有在任何人的下载的人抗体相应序列中出现的，则定义为一个构象型表位。

表位扫描确定抗体进行人源化改造所需要的所有氨基酸突变，原则上完成这些氨基酸突变，就完成了抗体FRs区的人源化。用该方法人源化后的抗体虽然不是来自某一个人的抗体序列，但也排除了可能存在的线性表位与构象型表位，在实现FRs区100%的人源化程度的同时最大程度地保留了鼠亲本氨基酸序列。

4.

抗体人源化改造的关键问题在于如何确定在抗体FR区上哪些人源化替换位点对抗体亲和力产生重大影响，换句话说如何定位影响CDR区构象的关键氨基酸。本策略采用虚拟突变结合分子动力学模拟来定位这些关键氨基酸，突变体MD模拟后再与亲本抗体或嵌合抗体的CDR区进行构象比对，以查看氨基酸突变后CDR区结构改变的大小。

虚拟突变也就是在分子的原子模型上利用建模工具，替换单个或多个氨基酸再对整个分子进行优化的过程，其本质与同源建模是相同的。将表位扫描后确定的人源化氨基酸突变分别构建单个点突变的模型与多个点组合突变的模型。然后用与前面相同的方法对突变体进行全面优化，包括能量最小化与显性溶剂水的分子动力学模拟。其中分子动力学模拟用于得到位点突变后抗体Fab的整体结构。

最终构象的选取：对于每个突变体的MD模拟，通过RMSD的计算与主成分分析，选择结构平衡后的统计学上的平均构象，作为突变体的最终构象。然后提取所有突变体的CDR区构象，并与亲本抗体及嵌合抗体的CDR区构象进行比对，并计算结构之间的RMSD值。

5.合理人源化设计

根据步骤1到步骤4的分析结果，对抗体Fab进行合理的人源化设计，包括以下步骤：

1）将FR区上的非关键氨基酸进行人源化替换；

2）对于关键氨基酸，利用blastp程序在Genbank中搜索人抗体序列上可能存在的其他可选氨基酸替换模式；

3）将所有的关键氨基酸根据不同优先级与组合，用与前面相同的方法进行虚拟突变与MD模拟，再次确认这些关键氨基酸对CDR区构象的影响；

4）最后利用表位扫描检验设计的人源化抗体可能存在的线性表位与构象型表位。根据所得到的不同氨基酸位点在分析中的优先级，设计多个不同氨基酸位点组合突变的人源化抗体以供实验验证。

    6.抗体表达与亲和力检测

将多个设计好的人源化抗体，亲本抗体，嵌合抗体及简单的CDR移植抗体的轻链与重链基因分别构建到真核表达载体MH与MK上，分别包含人源抗体IgG1的恒定区。插入可变区的酶切位点分别为EcoRI和SaII、EcoRI和BsiWI。设计带有相应酶切位点的引物并扩增轻链与重链的可变区。引物序列见表2。

表2 轻链与重链可变区的R引物

将所有的抗体重链和轻链的载体以1:1的比例混合后，转染293T细胞，转染试剂用Lipofectamine 2000。转染后6-8小时换新鲜的含有2% FCS培养基，72-96小时内收集细胞培养上清液并利用Protein A进行纯化，利用表面等离子共振技术(SPR)来检测人源化抗体的直接亲和力，并与嵌合抗体及简单CDR移植人源化抗体进行比较。

实施效果

在本实施例中我们利用该人源化改造方法对TRN002进行了人源化设计，并在实验上做出了验证。

1  抗体基因克隆与序列分析

分别利用大鼠IgG轻链与重链特异性引物从提取杂交瘤细胞的cDNA中克隆出来两条抗体基因，如图1-2所示。测序结果显示得到的TRN002抗体轻链与重链基因经分析为大鼠IgG1序列，并在轻链的23-88，134-194及重链的22-96，148-203位分别含有抗体特征性的半胱氨酸(CYS)可在空间结构上形成四个二硫键。

对于抗体CDRs区的鉴定，目前主要有三种numbering方案：Kabat、Chothia及IMGT，它们分别考虑了序列比对，空间结构及遗传信息来定义CDRs区，本实施例中综合了这三种方案来确定抗体TRN002的CDRs区，以最大化亲和力保留为原则，定义了TRN002轻链与重链的六个CDRs区。

抗体TRN002 Fab分子建模与优化

利用同源建模的方法对TRN002 Fab进行初始模型的构建，由于抗体的重链的CDR3区(H-CDR3)通常是高变区，采用Looper算法对H-CDR3进行基于物理化学性质、空间限制与氨基酸组成的构象搜索，以优化H-CDR3区的构象。

初始模型的优化采用Gromacs4软件包进行，结果见图3：抗体TRN002 Fab抗体由两条多肽链主要通过疏水作用组合在一起，与PDB数据库中已经收录的抗体构型基本一致，同时分别在可变区与保守区的半胱氨酸位置形成了四个二硫键，这些二硫键对于抗体构型的保持与亲和力形成都非常重要。抗体的分子动力学模拟在抗体建模与虚拟突变后的构象搜索中都是必不可少的，为了充分优化抗体结构，本实施例对TRN002亲本抗体进行了5ns显性溶剂水的分子动力学模拟，并从PE与主链RMSD两个方面进行分析，如图所示，体系能量基本波动不大，TRN002主链的RMSD也在约2ns的时候达到了平衡状态，但也存在波动，这说明抗体本身的结构也并不是一成不变的，其分子构型也是柔性的，这种柔性关系在与抗原表位特异性的结合时显得尤为重要。

表位扫描确定人源化突变位点

传统的CDR移植人源化方法是采用最同源的某一个人抗体序列为模板，但实际上即使是人的抗体序列之间也存在序列位点的多样性，根据这个特点，为了最大程度地保持亲和力，本实施例设计了基于多个模板的表位扫描方法对FRs区进行人源化替换，以最大程度地保留亲本抗体原有氨基酸，同时又不影响人源化程度的计算，以避免线型表位与构象型表位为判断依据，来决定一个氨基酸是否进行人源化突变。

表3 Kappa链需要进行的人源化替换突变

表4 Heavy链需要进行的人源化替换突变

结果如上表所示：我们确定了30个在人源化过程中需要进行的人源化替换，其中轻链20个突变见表3，重链10个突变见表4。这些突变大多数在人鼠之间是保守氨基酸，有少数是属于TRN002独特的氨基酸，其在抗体上的氨基酸号、亲本氨基酸、突变人源氨基酸及保守性见表。理论上完成这些氨基酸突变，就完成了FRs区100%的人源化改造。

虚拟突变与分子动力学模拟

用建模工具构建好了所有虚拟突变体，然后执行能量最小化(EM)，但EM并不能解决能垒问题，所以本方法应用显性溶剂水环境下的分子动力学(MD)模拟，使抗体的构象达到氨基酸发生突变后的真实最合理构象。分子动力学模拟依然Gromacs软件包进行。如图3所示，所有30个突变体MD优化的主链RMSD在5ns的动力模拟过程中，在一定时间内构象不断发生变化，而达到某一时刻后，整体结构达到了平衡，说明氨基酸的突变还是对整体结构产生了一定的影响，通过MD自动搜索突变后分子的最合理全局最小构象。

将经过优化的30个突变体，与亲本TRN002 CDRs区进行结构比对并计算RMSD，如图4所示，在所有30个突变中，L38, L43, L45, L71和H77五个突变体的RMSD值相对较大，都大于或接近1.5埃，尤其是L38与H77两个氨基酸，所以本实施例将这5个氨基酸定义为影响CDRs区构象的关键氨基酸。一般认为，当两个CDRs区的RMSD值小于1.0埃，可以近似地认为两个结构是同一个结构，当两个CDRS区的RMSD值大于1.5埃时，可以认为两个结构的有一定的差别，当两个结构的RMSD值大于2.0时，可以认为这两个结构有较大差别。

人源化抗体设计与实验验证

经过前面的分析我们设计了优化的人源化抗体HzANT006，将人源化抗体与简单CDR移植抗体，嵌合抗体及亲本抗体基因轻链与重链共转染293T细胞进行生产，并对抗体做Westrn Blot检测与流式细胞术亲和力的初步分析。我们通过转染293T细胞瞬时表达抗体，Western Blot 结果在上清中表达了大小正确的轻链与重链蛋白，结果见图5。

抗体亲和力代表了抗原与抗体的结合能力，我们用流式细胞术的方法对已经表达成功的三种抗体及亲本TRN002抗体的亲和力做了初步的分析，结果见图6. 

亲本的大鼠抗体TRN002与表达的嵌合人源化抗体有几乎相同的亲和力，从流式结果上也可以看到二者有相同的MFI(平均荧光强度)，但表达的CDR移植人源化抗体发现其MFI大大降低如图7（C）所示，但将五个关键氨基酸回复突变后，抗体亲和力得到很大程度的提高如图6（D）所示。

利用表面等离子共振技术(SPR)来检测人源化抗体的直接亲和力，并与嵌合抗体及简单CDR移植人源化抗体进行比较，仪器采用Biacore T200，结果如图7所示。经过合理设计并优化的人源化抗体其亲和力(KD=1.874E-8)与简单CDR移植抗体(KD=3.797E-7)相比，亲和力得到了很大程度的恢复，达到了与嵌合抗体及亲本抗体相同的数量级(KD=4.093E-8)。

Claims (5)

1.一种抗体人源化改造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1）抗体基因序列分析，包括以下步骤：

1.1）抗体基因克隆：将动物源的分泌特异性抗体杂交瘤细胞提取总RNA，并反转录合成cDNA第一条链；根据不同动物源不同抗体亚型可变区设计特异性引物，以cDNA为模板，进行抗体Fab基因PCR扩增，纯化后的PCR产物与克隆载体相连接，连接产物转化感受态细菌，在过夜生长的平板上轻链重链各挑取白色单菌落进行PCR鉴定，将鉴定为阳性的克隆进行序列测定；

1.2）抗体序列分析：将测定的抗体Fab基因的可变区序列VL与VH利用IMGT/V-Quest在线服务器分析抗体亚型，并翻译成氨基酸序列，然后综合Kabat、Chothia及IMGT三种抗体CDRs区的Numbering方案，以最大程度地保持CDRs区氨基酸为原则，确定抗体轻链与重链的六个CDRs区序列；

2）抗体Fab的同源建模与优化，包括以下步骤：

2.1）抗体Fab初始结构建模：利用同源建模技术来构建动物源亲本抗体Fab及其嵌合人源化抗体Fab的空间结构，同源建模的过程包括模板搜索、初始结构建模、Loop区的构象搜索及初始模型的分子动力学优化；嵌合抗体模型的构建：利用分子建模工具将动物源抗体可变区与人IgG1抗体的恒定区进行连接构建嵌合抗体的分子模型；

2.2）抗体Fab的结构优化：对于亲本抗体Fab与嵌合抗体Fab初始模型采用显性溶剂水环境下的能量最小化与10ns的分子动力学平衡模拟来进行全面的优化，从平衡的动力学轨迹中提取稳定的平均构象；

    3）表位扫描确定人源化突变位点，包括以下步骤：

3.1）人同源序列的搜索：将抗体可变区VL及VH的氨基酸序列作为探针分别利用NCBI_Balstp工具在Genbank上进行序列搜索与VL及VH相似性最高的所有抗体序列，排除所有的非人源和人源化的同源序列并手动去除不完整或者有错误的序列，下载与VL及VH同源性最高的前50条人源抗体完整序列，作为CDR移植的参考模板，将抗体可变区VL与VH的氨基酸序列分别与下载的人同源序列采用动态规划算法进行多重序列比对；

3.2）表位扫描：是为了排除来自多个模板比对后进行人源化替换，导致人源化后的抗体FR区可能存在的线性B细胞表位与构象型B细胞表位，进行表位扫描包括线性表位扫描与构象型表位扫描；

4）虚拟突变与分子动力学模拟，包括以下步骤：

采用虚拟突变结合分子动力学模拟来定位影响抗体CDR区构象的关键氨基酸，将表位扫描后确定的人源化氨基酸突变分别构建单个点突变的模型与多个点组合突变的模型，突变体经过优化后，进行显性溶剂水的分子动力学模拟，并从平衡的动力学轨迹中提取稳定的平均构象；突变体分子动力学模拟后再与亲本抗体或嵌合抗体的CDR区进行构象比对，并计算两两结构之间的RMSD值，以查看氨基酸突变后CDR区结构改变的大小；

5）合理人源化设计：根据步骤1）到步骤4）的分析结果，对抗体Fab进行合理的人源化设计，包括以下步骤：

5.1）将FR区上的非关键氨基酸进行人源化替换；

5.2）对于关键氨基酸，利用blastp程序在Genbank中搜索人抗体序列上可能存在的其他可选氨基酸替换模式；

5.3）将所有的关键氨基酸根据不同优先级与组合，用与前面相同的方法进行虚拟突变与分子动力学模拟，再次确认这些关键氨基酸对CDR区构象的影响；

5.4）最后利用表位扫描检验设计的人源化抗体可能存在的线性表位与构象型表位，根据所得到的不同氨基酸位点在分析中的优先级，设计多个不同氨基酸位点组合突变的人源化抗体以供实验验证。

2.根据权利要求1所述的抗体人源化改造方法，其特征在于：在步骤3.2）中，线性表位扫描方法包括：在多重序列比对中，以每六个多肽段为一组探针进行，在多重序列比对中每次向前位移1个氨基酸，逐位进行扫描，如果一段表位肽没有在任何人的抗体序列中有重复，也不能用NCBI_Blast工具在Genbank找到人源抗体相同的多肽序列，则此多肽定义为可能的线性表位。

3.根据权利要求1所述的抗体人源化改造方法，其特征在于：在步骤3.2）中，构象型表位扫描方法包括：将所有的突变点在空间距离上进行分析，用来自于结构预测或实验测定的Fab结构，最小以两个突变点为单位，凡是在空间距离小于3埃的，且该单位没有在任何人的下载的人抗体相应序列中出现的，则定义为一个构象型表位。

4.根据权利要求1所述的抗体人源化改造方法，其特征在于，在步骤4）中，利用分子建模工具将表位扫描所确定的氨基酸突变构建突变体模型，经过简单优化后，将突变体在显性溶剂水310K与一个大气压的等温等压NPT系综和周期性边界条件下进行10ns的分子动力学模拟，从平衡的动力学轨迹中提取稳定的平均结构，作为突变体的最终构象。

5.根据权利要求1所述的抗体人源化改造方法，其特征在于，在步骤4）中，提取所有突变体的CDR区构象，并与亲本抗体及嵌合抗体的CDR区构象进行比对，并计算结构之间的RMSD值，通过RMSD值的大小来反映不同突变体之间CDR结构差别的大小。