抗体优化魔法——IgG铰链区或可增强免疫

撰文丨我的闺蜜老红帽

责编丨酶美

随着生物和医学技术的发展，单克隆抗体逐渐在医疗领域占据重要位置【1】。截止2021年3月，已经有100种抗体类药物经美国食品与药物管理局认证，进入临床【2】，并且增长势头迅猛【3】。这也彰显了抗体的独特优势，即一方面可以与各类特异性靶点相结合，一方面可以增强免疫应答【4】。抗体与特异性靶点相结合主要依靠两组特异性抗原结合结构域F（ab），其间通过铰链区结构域Fc相连。其中Fc的免疫学功能主要依赖其对应免疫球蛋白的亚型：人类IgG1和IgG3可以有效活化Fc gamma受体表达细胞，而人类IgG2和IgG4相对来说并不活跃【5】。与此同时，改造Fc可以有效改变抗体的生物活性和临床表现【6，7】。抗体的F（ab）与免疫细胞的细胞表面受体，比如肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，简称TNFR），相结合后，就可以启动免疫响应【8，9】。CD40就是这样一类受体【10】。

作者之前的工作指出，在CD40对应的4组人类免疫球蛋白亚型中，IgG2拮抗作用最强，且已有SGN-40 和ChiLob7/4 两个抗CD40单克隆抗体用于临床。而且，IgG2还可以有效将具有拮抗作用的CD40配基阻断性抗体转变为竞争态。近期，作者还发现这一现象在另外两种已经用于临床的TNFR，4-1BB 和OX40中也存在，这说明在多种TNFR家族成员中，均存在IgG2亚型增强免疫活性的情况。

血液中循环的IgG2铰链区是通过二硫键进行氧化还原反应而来维持和行使功能的。两个半胱氨酸之间的二硫键可以打开，并与临近的半胱氨酸再次形成新的二硫键。但是，其精细拓扑异构结构以及生物学功能仍就研究不多。近日，来自英国南安普顿大学的Ivo Tews等研究组在Science Immunology上发表题为Hinge disulfides in human IgG2 CD40 antibodies modulate receptor signaling by regulation of conformation and flexibility 的文章，通过综合生物化学手段、结构生物学研究方法以及生物信息技术，发现抗体铰链区通过二硫键变化来影响其功能。

首先，作者构建了针对抗CD40抗体的6组F（ab）变体以及铰链区的半胱氨酸突变为丝氨酸的变体。并通过检测胞间连接、活化（CD23水平）以及增值等情况发现，铰链区二硫键突变可以改变单克隆抗体的生物学活性。

原始的人类IgG2抗体轻链重链之间的二硫键是维持其稳定性的关键结构。通常来说，这些二硫键一般形成在C232, C233, C239和C242等位点。作者通过X射线晶体成像技术发现，虽然上述变体结构相似，但二硫键形式明显不同，而且，在具有激动剂功能的单克隆抗体中，二硫键呈现交叉状态。作者猜测， 二硫键交叉可以从构象上促进其竞争作用。为了证实这一猜测，作者通过小角度X射线衍射的方法研究其液态构象。发现将半胱氨酸突变为丝氨酸，其液态构象也明显不同。其竞争性变体构象更加紧致。

最后，作者通过小角度X射线衍射以及分子动力学刺激建库等方法，研究这些变体的柔性。作者给每组变体建立了多达8000种的构象库。结合这些数据，作者发现，非竞争性变体与构象库的吻合程度要明显高于竞争性变体。

综上所述，作者通过在临床应用广泛的抗CD40抗体ChiLob7/4上，构建一系列铰链区半胱氨酸突变为丝氨酸的变体，通过解析这些变体的结构确定，抗体的竞争性与二硫键的形成直接相关，其竞争性构象F（ab）间形成了二硫键交叉。而且，二硫键形成直接影响抗体的构象和柔性。柔性越低的变体对应构象变化越少，其受体竞争性越强。

文章来源

https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abm3723

制版人：十一

参考文献

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10. S. P. Schoenberger, R. E. Toes, E. I. van der Voort, R. Offringa, C. J. Melief, T-cell help for cytotoxic T lymphocytes is mediated by CD40-CD40L interactions. Nature 393, 480–483 (1998).

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