本文來自于:TSS轉化醫(yī)學譜
變構代表了蛋白質調節(jié)的基本機制,能夠從活性位點遠端調節(jié)蛋白質功能。傳統(tǒng)上是在小分子背景下進行探索,但目前變構調節(jié)作為抗體領域的主要作用模式正在受到關注,它提供了增強的特異性和降低的毒性。
這篇近期發(fā)表于【Trends in pharmacological sciences】的綜述,詳細深入闡述了變構抗體領域快速的發(fā)展,還探討了這些抗體作為藥物發(fā)現創(chuàng)新工具的潛力,并討論了利用最先進的計算方法設計新型變構抗體的當前策略。
與變構抗體相關的定義:變構現象(Allosterism) 是在小分子世界中開始發(fā)現并發(fā)展的。然而,抗體在結構和機制上是不同的藥物。因此,需要一個新的詞匯來描述通過與變構位點/表位結合起作用的抗體及其作用。根據定義,變構位點/表位是一種在拓撲上不同于配體結合區(qū)域的蛋白質區(qū)域。值得注意的是,由于抗體是大分子,如果抗體與配體結合殘基非常接近地結合并由于其大小而阻礙它們,則出現空間位阻,不會被視為變構。此外,抗體與屬于配體結合位點的殘基的結合,即使當這些殘基處于非活性構象時,也不被視為變構。此外,變構作用是所有蛋白質的固有特性,不僅是受體或酶,而且是可以被抗體靶向的蛋白質配體。作者提出以下定義:變構抗體是一種與靶點/表位結合的抗體,該位點/表位與配體結合位點不重疊或空間重疊,隨后對靶點的結構動力學產生影響,最終調節(jié)其結合和/或活性。負向變構抗體調節(jié)劑(NAAM,negative allosteric antibody modulator )是一種穩(wěn)定并促進不利于配體、受體或共受體結合和/或活性(信號傳導)的構象的抗體。正向變構抗體調節(jié)劑(PAAM,positive allosteric antibody modulator)是一種穩(wěn)定并促進有利于配體、受體或共受體結合和/或活性(信號傳導)的構象的抗體。抗體介導的變構效應是對靶蛋白的影響,導致抗體與變構位點/表位結合,從而對其功能動力學產生影響。這些效應包括:活性/非活性狀態(tài)下構象的調節(jié)、活性的激活/抑制、與配偶體(配體、受體、共受體)的結合的增強/抑制,包括二聚化、靶標的內化,甚至靶標的拆卸。
1. 變構和抗體
作為一種無所不在的機制,變構調節(jié)蛋白質功能動態(tài)。靶向變構位點會導致蛋白質構象動力學的擾動,從而提供了另一種調節(jié)分子功能的方法。認識到需要探索新的范例來克服耐藥性并解決靶標空間限制,變構調節(jié)正在作為一種有吸引力的方式。雖然小分子傳統(tǒng)上被報道為變構調節(jié)劑,但最近才出現肽,抗體可能具有更明顯的優(yōu)勢?贵w是對治療產生巨大影響的大分子,其中 達160+多種抗體已獲得全球衛(wèi)生當局批準用于各個治療領域。與其他藥物相比,抗體由于其較大的結合位點而呈現出更高的選擇性。它們的溶解度使它們適合靶向膜結合蛋白和可溶性蛋白。此外,它們的半衰期更長,可以介導靶標效應器功能。
2. 變構抗體:新型成藥途徑對變構抗體的探索開辟了藥物發(fā)現和治療開發(fā)的新領域。通過靶向變構位點,這些抗體提供了調節(jié)蛋白質功能的創(chuàng)新機制,推進了各種疾病的治療。
2.1 歷史視角圖 1.變構抗體開發(fā)的關鍵里程碑。
第一個批準的抗體,muromonab-CD3 (OKT3),于 1986 年推出。它針對 CD3 的 epsilon 結構,CD3 是 T 細胞表面 T 細胞受體 (TCR) 的一部分。CD3 并不參與 TCR 介導的抗原識別,而是參與信號轉導。此外,最近的生化研究表明,muromonab-CD3不會與 CD3 抑制性配體競爭。相反,晶體研究揭示了 muromonab-CD3 與 CD3 構象表位的結合。它通過抗體-受體復合物的結合和隨后的內化來防止以變構方式識別抗原(圖1)。通過內化選擇性去除 TCR 會抑制 T 細胞的細胞毒功能并促進非免疫功能的 T 細胞狀態(tài)。muromonab-CD3 被批準用于預防器官排斥十年后,抗體開始被批準用于腫瘤學應用。HER2 是一種跨膜受體酪氨酸激酶 (RTK),通常在癌細胞中過度表達,有助于生長和增殖。盡管尚未鑒定出 HER2 的配體,但基于其與同一家族其他受體的相似性,通常推斷其胞外結合位點對應于結構域 I 和 III 之間的裂口。已經開發(fā)出針對 HER2 的抗體,包括曲妥珠單抗 (Herceptin) 和帕妥珠單抗 (Perjeta)。結構數據揭示了曲妥珠單抗與結構域 IV 的結合,而帕妥珠單抗則靶向二聚化界面(結構域 II)。基于細胞的檢測強調,HER2 靶向抗體會對 HER2 二聚化和隨后的信號傳導產生負面影響,并促進抗體-受體復合物的內化(圖 1 )。這些抑制性抗體可被稱為變構抗體,因為它們對 HER2 具有非配體競爭性抑制作用。 2010 年代標志著一種稱為雙特異性的新型抗體形式的首次亮相,因為它們可以結合兩個不同的靶標。 大多數雙特異性抗體被歸類為T 細胞接合劑。它們可以同時結合 T 細胞上 TCR 的 CD3 部分和癌細胞上的腫瘤相關抗原 (TAA)。雙特異性抗體將 T 細胞導向腫瘤細胞。臨床前模型表明,這些雙特異性抗體起到條件激動劑的作用,T 細胞激活依賴于同時結合 CD3 和 TAA。T 細胞通過獨立于 TCR 抗原結合結構域的機制被激活,依賴于與 TCR 變構位點 CD3 的結合(圖 1)。這種雙特異性形式不會導致受體內化,但可以介導激活信號傳導。一個突出的例子是重磅炸彈 epcoritamab (Epkinly),它靶向 T 細胞上的 CD3 和 B 細胞上的 CD20,并被批準用于治療 B 細胞惡性腫瘤。在2020年前些時候,抗體藥物偶聯物(ADC)形式的新時代出現了。ADC 是一類新型抗體療法,帶有細胞毒性有效負載。 它們以快速內化的膜結合蛋白為目標,允許有毒有效負載在細胞內釋放,最終導致表達靶標的細胞被消除。HER2 靶向 ADC 基于曲妥珠單抗,通過變構作用機制發(fā)揮作用。如前所述,曲妥珠單抗與 HER2 的變構位點結合,促進抗體-受體復合物的內化(圖 1)。因此,基于曲妥珠單抗的 ADC 已被開發(fā)并獲得批準,例如曲妥珠單抗 deruxtecan (Enhertu),用于治療表達 HER2 的某些類型的腫瘤。 基于駱駝抗體的小型可變結構域,稱為 VHH(重鏈可變重結構域)的新模式已得到進一步批準。第一種基于 VHH 的治療劑caplacizumab (Cablivi)可結合 vWF 因子,這是一種促進血小板粘附的血液糖蛋白。 與 vWF 相關的自身免疫性血液疾病會導致血栓形成。結構研究表明,caplacizumab 通過與不同于血小板受體糖蛋白 Ib 的位點結合,穩(wěn)定了 vWF 對血小板粘附的非活性構象,從而防止了危及生命的血栓形成(圖 1)。 值得注意的是,sotrovimab (Xevudy) 靶向受體結合結構域,且不與受體 (ACE2) 結合位點重疊(圖 1)。這種近距離破壞了附著后的構象變化,從而中和了COVID-19感染。大量的計算工作,特別是分子動力學 (MD)研究表明,strovimab 通過與已知的變構位點結合,在刺突蛋白內誘導變構擾動。此外,sotrovimab 與對突變不太敏感的表位結合,有助于中和其他 SARS-CoV-2 刺突突變蛋白。這些研究代表了全球首次將計算和實驗方法結合起來,以快速發(fā)現、開發(fā)和表征中和變構抗體。最近的實驗和計算方法闡明了探索性靶點的變構作用機制,這些靶點被認為是抗體不可成藥的,從而揭示了新的成藥途徑。
2.2. GPCR 和配體門控離子通道 (LGIC):靶向跨膜受體的新進展圖 2.抗體與靶蛋白變構位點結合引起的構象變化。
此外,最近的一份報告描述了一種抑制鈣敏感受體(CaSR)的變構抗體。CaSR 是另一種C 類 GPCR,可感應體內鈣濃度。該受體的激活突變會導致低鈣血癥。有趣的是,冷凍電子顯微鏡 (cryo-EM) 證明與也位于受體 VFT 結構域上的表位結合。VHH 結合并穩(wěn)定 CaSR 的非活性狀態(tài),從而抑制其信號傳導。此外,Cui 等證明了這種VHH 增強了其他 CaSR 拮抗劑的抑制作用,特別是包括小分子負變構調節(jié)劑。LGIC 是調節(jié)細胞內外離子通量的跨膜蛋白。它們構成了第二大治療靶標類別。乙酰膽堿受體(AChR)是變構背景下最廣泛表征的受體之一,盡管事實上僅報道了小分子變構調節(jié)劑。最近,Corringer 的研究組發(fā)現了一種 VHH,它可以作為 α7-nAChR 的正變構調節(jié)劑[]。他們的冷凍電鏡結構揭示了這種 VHH 穩(wěn)定了激動劑結合構象并增強了乙酰膽堿引發(fā)的電流 [10.1038/s41467-023-41734-4 ]。這些研究為利用 VHH 靶向 LGIC 的新方法提供了希望。LGIC 變構調節(jié)的另一個引人注目的例子是針對N-甲基-d-天冬氨酸受體(NMDA)的抗體:GluN2B。該抗體專門穩(wěn)定并鎖定 GluN1-GluN2B 復合體的非活性構象,從而消除其功能。通過 MD 模擬,Tajima 和同事強調了抗體結合時的長程變構通訊,將受體的數量轉變?yōu)榉腔钚詷嬒鬆顟B(tài)[ 10.1038/s41467-022-28559-3]。這項研究強調了使用計算方法驗證變構通信的重要性,以全面了解抗體如何變構發(fā)揮作用?傊,由于變構擾動,GPCR 和 LGIC 在活性和非活性狀態(tài)之間經歷了重大構象變化。這種動態(tài)性質使它們特別適合表現出變構作用模式的抗體的靶標。
2.3. 新藥理學: LRRK2、ENPP1、IL-18RβYang 及其同事討論了不同的 IgG 亞類盡管具有相同的可變區(qū),但由于其恒定區(qū)的變化而表現出不同的功能特性。這些差異會影響抗原結合親和力、特異性和效應器功能。鉸鏈是抗體的核心部分,提供靈活性并促進抗體結構內的通訊。與 IgG1 形式相比,IgG2 形式在其鉸鏈區(qū)具有額外的二硫鍵,這增加了其剛性。IgG2 賦予 TNFRSF 中多個靶標的激動特性。當修改針對TNFRSF的另一個成員CD40的抗體同種型時,可以觀察到功能的轉換,特別是激動劑和拮抗劑活性之間的翻轉。拮抗性抗CD40抗體可以通過采用IgG2形式修飾為超級激動劑,在體外研究中其效力超過其他激動劑抗體。因此,鉸鏈靈活性和激動性之間的反比關系正在出現(圖3)。這些發(fā)現構成了范式轉變,其中靶向表位和抗體形式對于活性發(fā)揮著同等的作用。這使得理解抗體的結構-活性關系變得極其困難,并凸顯了設計完整抗體結構的挑戰(zhàn)性。
圖3. 鉸鏈靈活性和對抗特性之間的反比關系。
2.7. 變構抗體的新興形式3. 變構工具抗體:超越治療應用對變構抗體的探索為未來的治療發(fā)展帶來了巨大的希望,有可能帶來更有效、更有針對性的治療。這種變構抗體是藥物發(fā)現領域的突破性進展,提供了調節(jié)蛋白質功能的獨特機制。雖然它們的治療應用有據可查,但這些抗體也可以在更廣泛的藥物發(fā)現背景下作為寶貴的工具。
3.1 支持高通量篩選4. 設計變構抗體的未來方向
發(fā)現變構抗體的主要挑戰(zhàn)之一是它們的鑒定,這主要是由于偶然性,盡管一些團體提出了有利于變構抗體的有偏倚的實驗方法。然而,計算結構生物學的最新進展顯著增強了我們識別相關變構位點的能力。這些計算方法可以與從頭抗體設計的初始步驟相結合,為開發(fā)變構抗體提供更系統(tǒng)的方法。