一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，包括以下步骤：1)根据抗原抗体复合物结构数据集，提取一组表征抗原抗体相互作用界面互补特异性的空间匹配模式；2)基于目标抗原空间表位，选取抗体框架模板与之预对接；3)根据1)所述的空间匹配模式，模拟生成抗体高变区的互补序列，替换到抗体框架模板的对应区域，生成多个模拟抗体；4)对所述模拟抗体进行理论亲和力排序。与现有技术相比，本发明专利技术具有降低实验时间成本、提高实验准确度等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法
本专利技术属于生物学
，涉及一种抗体序列设计方法，尤其是涉及一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法。
技术介绍
抗体分子是人体免疫系统中的重要组成部分，用于特异性识别和中和不断出现的异于自身的抗原性物质。近年来，以HER2、VECF-A、PD-1/PD-L1等特异性抗体靶向药物在肿瘤治疗中疗效显著，已在全球销售额前十名的药物中占据半壁江山。实际上，特异性功能抗体不仅成为了疾病预防和临床治疗的新利器，也广泛应用于特定抗原的实验室诊断和传染病中和阻断。然而面对巨大的需求，设计和制备具有高亲和力、高特异性的抗体仍充满困难和挑战。目前，设计制备抗体主要依赖杂交瘤实验和噬菌体展示实验技术等。现有实验技术主要存在以下局限：1)实验工作量巨大，耗时耗力。实验一般需要在抗原刺激下进行一轮一轮筛选，传统的杂交瘤单克隆抗体制备技术通常需要4-6个月才能筛到有亲和力的抗体。2)相较于杂交瘤技术，噬菌体抗体展示库技术制备时间较低，但是这种技术建库的工作量很大，而且初次使用噬菌体库技术所筛得的抗体亲和力往往较低，仅相当于初级免疫应答的水平，还需要通过后期设计逐步提高抗体亲和力；3)杂交瘤等技术从体外获得的抗体往往具有免疫原性，会引发新的免疫排斥反应，需要通过后续人源化处理；4)成功率非常低：现有技术构建的天然的抗体库容量有限，很难构建出足以覆盖所有氨基酸位点的高亲和力抗体库；另外，体外抗体筛选往往通过线性表位或者整个抗原蛋白来筛选，随机性高，无法直接靶向特定抗原表位，而90％以上的B细胞抗原表位属于结构性表位，这导致了抗体筛选的阳性成功率非常低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，包括以下步骤：1)根据抗原抗体复合物结构数据集，提取一组界面互补特异性的空间匹配模式；2)基于目标抗原空间表位区域，选取抗体框架模板与所述目标抗原空间表位区域进行预对接；3)根据所述互补特异的空间匹配模式，为所述目标抗原空间表位区域生成抗体高变区的模拟互补序列，替换到抗体框架模板的对应区域，生成多个模拟抗体；4)对所述模拟抗体进行理论亲和力排序。进一步地，所述空间匹配模式包括界面氨基酸匹配关系矩阵。进一步地，所述界面氨基酸匹配关系矩阵包括抗原表位侧的氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征对应抗体侧对位的氨基酸互补排布频率矩阵，以及抗体互补位同侧氨基酸、氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征的邻域氨基酸排布频率矩阵Mc。进一步地，所述氨基酸互补排布频率矩阵通过以下方式获得：在给定的第一距离阈值X下，对于任意抗原表位侧氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征类型，搜索并统计对应抗体互补位侧与所选目标类型的空间最小距离小于第一距离阈值的氨基酸排布特征集合，生成氨基酸互补排布频率矩阵Mc。进一步地，所述邻域氨基酸排布频率矩阵通过以下方式获得：在给定的第二距离阈值Y下，对于任意抗体互补位侧氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征类型，搜索并统计抗体同侧邻域氨基酸组成，生成邻域氨基酸排布频率矩阵Mp，所述抗体同侧邻域氨基酸定义为抗体同侧中与所选目标空间最小距离小于第二距离阈值Y的氨基酸。进一步地，所述步骤3)中，模拟互补序列通过以下方式生成：301)确定所述目标抗原空间表位区域的一个或多个优先起始单元；302)根据对应抗体侧的所述氨基酸互补排布频率矩阵，获得对应位置氨基酸匹配概率矩阵；303)对抗原空间表位中非优先起始单元的其它区域，根据所述氨基酸互补排布频率矩阵和邻域氨基酸排布频率矩阵，获得对应位置氨基酸匹配概率矩阵；304)根据以上抗体互补位特定位置的氨基酸匹配概率矩阵，构建随机筛选模型，模拟生成抗体对位区互补序列。进一步地，所述空间匹配模式还包括抗体侧反向互斥规则。进一步地，进行所述步骤4)前，根据所述抗体侧反向互斥规则对步骤3)获得的模拟抗体进行筛选。进一步地，所述抗体侧反向互斥规则包括抗体互补区氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征所占的比例、排布模式、取值分布、空间组成之间的互斥关系中一个或多个。进一步地，所述步骤4)中，理论亲和力包括亲疏水性相互作用、电性相互作用、氢键相互作用和范德华力相互作用。由于天然高亲和力抗体本质上需要在抗原刺激下逐步进化和成熟，传统的抗体设计往往需要通过免疫动物大量筛选细胞克隆，或通过一轮轮重复扩增实验来寻找功能性单克隆抗体。目前的技术普遍时间长，步骤多，操作复杂，且初步获得的抗体在亲和力和特异性上还需进一步优化，成功率很低。基于这些问题，本专利技术对抗体高变区序列的设计进行研究，具有以下有益效果：1)通过计算方法，越过抗体进化成熟的实验筛选过程，借助超算设备进行并行计算可将计算时间压缩至数天甚至数小时，相较于杂交瘤技术显著降低了时间成本，直接计算指导抗体序列进行重组性表达和结合实验将大大缩短相关流程，提高效率。2)本专利技术通过模拟抗原抗体特异性识别的互补模式，得到的抗体普遍具有高亲和力，可以克服实验初筛的抗体亲和力低，需要后期设计逐步提高亲和力的缺陷。3)本专利技术可以直接以人源化抗体作为模板，对抗体高变区(又称互补决定区，CDR，complementarity-determiningregion)进行模拟改造，得到的抗体人源化程度高，可以克服体外获得的抗体具有免疫原性的缺点。4)本方法仅对CDR进行计算模拟，可达108至1010的数量级，远大于现有技术的抗体库，同时直接根据抗原表位进行设计，成功率高，得到的抗体可以直接与表位区域进行相互作用。5)本专利技术同时采用了抗体侧反向互斥规则作为空间匹配模式，可以有效减少无用模拟抗体的个数，提高实验效率。6)本专利技术在抗体模拟时设定了优先起始单元，可将抗体CDR区分成不同区域按优先等级模拟，加快模拟速度提高效率。经实验表明，本方法能为高亲和力抗体设计提供帮助，可以用以辅助抗体药物设计以及免疫治疗。附图说明图1为本专利技术方法的原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例提供一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，包括以下步骤：1)根据历史抗原抗体复合物数据集，提取一组表征抗原抗体相互作用界面特异性的空间匹配模式；2)基于目标抗原空间表位区域，选取抗体框架模板与所述目标抗原空间表位区域进行预对接，对于任意给定表位区域的抗原结构，将抗原表位与抗体框架模板预对接至结合取向，使得抗体高变区对接抗原表位结构，根据抗原表位形状、大小、排布特征确定抗体互补位区域范围；3)根据所述空间匹配模式，为所述目标抗原空间表位区域生成抗体高变区的模拟互补序列，替换到抗体框架模板的对应区域，生成多个模拟抗体；4)对所述模拟抗体进行理论亲和力排序。应用案例：1、数据集获取PDB数据库中，利用利用antibody，antigen，immu*，Fab，IgG等作为关键字搜索PDB数据库，收集抗原-抗体复合物数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据抗原抗体复合物结构数据集，提取一组界面互补特异性的空间匹配模式；2)基于目标抗原空间表位区域，选取抗体框架模板与所述目标抗原空间表位区域进行预对接；3)根据所述互补特异的空间匹配模式，为所述目标抗原空间表位区域生成抗体高变区的模拟互补序列，替换到抗体框架模板的对应区域，生成多个模拟抗体；4)对所述模拟抗体进行理论亲和力排序。

【技术特征摘要】
1.一种基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据抗原抗体复合物结构数据集，提取一组界面互补特异性的空间匹配模式；2)基于目标抗原空间表位区域，选取抗体框架模板与所述目标抗原空间表位区域进行预对接；3)根据所述互补特异的空间匹配模式，为所述目标抗原空间表位区域生成抗体高变区的模拟互补序列，替换到抗体框架模板的对应区域，生成多个模拟抗体；4)对所述模拟抗体进行理论亲和力排序。2.根据权利要求1所述的基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，所述空间匹配模式包括界面氨基酸匹配关系矩阵。3.根据权利要求2所述的基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，所述界面氨基酸匹配关系矩阵包括抗原表位侧的氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征对应抗体侧对位的氨基酸互补排布频率矩阵，以及抗体互补位同侧氨基酸、氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征的邻域氨基酸排布频率矩阵。4.根据权利要求3所述的基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，所述氨基酸互补排布频率矩阵通过以下方式获得：在给定的第一距离阈值X下，对于任意抗原表位侧氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物化特征类型，搜索并统计对应抗体互补位侧与所选目标类型的空间最小距离小于第一距离阈值的氨基酸排布特征集合，生成氨基酸互补排布频率矩阵Mc。5.根据权利要求3所述的基于抗原表位结构直接设计抗体高变区序列的方法，其特征在于，所述邻域氨基酸排布频率矩阵通过以下方式获得：在给定的第二距离阈值Y下，对于任意抗体互补位侧氨基酸或氨基酸类或特定氨基酸组合簇或物...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志伟，裘天颐，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31