基于柔性分子對接的CTL表位預測方法研究.pdf

1、隨著現代免疫學的發(fā)展，細胞毒性T淋巴細胞(CytotoxicTlymphocyte，CTL)在腫瘤、感染與自身免疫性疾病中發(fā)揮的重要作用越來越受到重視。如何有效地激發(fā)CTL介導的特異性細胞免疫應答，發(fā)揮抗腫瘤、抗病毒效能，已經成為當今疫苗研制領域的一個重要課題。既往研究發(fā)現，引起CTL免疫應答反應的，并非完整的腫瘤或病毒抗原分子，而是抗原來源的特異性CTL表位(Epitope)。因此，從蛋白抗原的完整序列中高效、準確地預測出CTL表位并

2、加以鑒定，是基于表位之多肽疫苗分子設計(Epitopebasedvaccinedesign，EBVD)的前提，也是發(fā)展新型預防性和保護性抗腫瘤、抗胞內感染疫苗的關鍵。 病毒或腫瘤抗原蛋白在胞內經蛋白酶體(Proteasome)降解成為8～10個氨基酸長度的多肽片段，進而與內質網腔中的MHCⅠ類分子結合形成“多肽-MHC復合物”(peptide-MHCcomplex，pMHC)，并最終將上述復合物結構遞呈到細胞表面供初始型CD8+

3、T淋巴細胞識別、活化。在上述過程中，蛋白酶體識別切割抗原、表位多肽與MHCⅠ類分子結合，都有其特定的序列特征。根據這一信息，免疫學家和計算生物學家通過提出新的算法和編寫相應程序，發(fā)展了一些CTL表位預測的方法，歸納起來可分為2大類：①基于表位多肽與MHCⅠ類分子結合特征的預測方案；②基于抗原加工處理過程的CTL表位預測方案。前者是一類目前較為成熟的CTL表位預測方法，主要包括結合基序法(Bindingmotifs)、矩陣法(Matric

4、es)、人工神經網絡(Artificialneuralnetworks，ANNs)和基于結構(Structure-based)的表位預測算法；后者主要針對抗原遞呈中所涉及的細胞器，目前集中在蛋白酶體和轉運相關蛋白(Transporterassociatedwithantigenprocessing，TAP)上。 上述這些預測方法，盡管取得了一定的成功，但卻明顯存在一些不足：①綜觀兩類預測方案，不難發(fā)現絕大多數方法都是以抗原蛋白的

5、一級序列為出發(fā)點發(fā)展預測算法。事實上，表位多肽的氨基酸側鏈與MHCⅠ類分子肽結合槽殘基間存在廣泛而復雜的相互作用，這些作用力在現有的預測方法中未能被充分考慮，直接導致預測精度不高，缺乏敏感性和特異性。如何利用肽-MHC復合物的三維結構特征發(fā)展新型預測方法，是CTL表位預測方法學研究中的一個難點；②對天然表位多肽進行合理修飾，使改造后的表位多肽(Alteredpeptideligands，APLs)上調或下調抗原特異性T細胞應答，已經成為

6、腫瘤、感染性疾病極富應用前景的治療手段。然而目前的CTL表位預測方法無法準確地預測和計算改造前后的表位多肽與MHCⅠ類分子間親和力的變化。 由此可見，迫切需要探索一種更為有效的CTL表位預測方法以克服現有方案存在的不足，以適應現代免疫學和疫苗學發(fā)展的需要。隨著結構生物學的發(fā)展，我們所關注的多肽-MHC復合物晶體結構得以大量解析；另一方面，計算機科學的飛速發(fā)展也促使分子模擬技術的理論和方法不斷成熟和完善。這使得我們從多肽-MHC復

7、合物的三維結構層面出發(fā)，在高性能計算機平臺上進行分子模建，發(fā)展新型CTL表位預測方法成為可能。 為此，我們從CTL表位數據庫中選取了40個HLA-A*0201限制性CTL表位多肽，其中30個組成訓練集，10個作為外部預測集，分別與MHCⅠ類分子進行柔性分子對接(Softdocking)。分子對接是研究小分子配體與受體生物大分子間相互作用規(guī)律，預測其結合模式和親和力的一種有效手段。對接的目的是為了得到可靠、合理的表位多肽/HLA-

8、A*0201分子結合構象。對接過程中，按照幾何互補、能量互補以及化學環(huán)境互補的原則來實時評價表位多肽分子與MHCⅠ類分子間相互作用的好壞，并找到二者的最佳結合模式。對接產生的結構，再以結合自由能的經驗打分函數評分，定量估算表位多肽與MHCⅠ類分子親和力的大小。運用多元線性回歸方法建立氫鍵相互作用、范德華相互作用、溶劑化效應等分子間相互作用力與表位肽/HLA-A*0201分子親和力之間的關系模型，進一步采用留一法交互檢驗，并對外部樣本集中

9、CTL表位與HLA-A*0201分子的親和力進行預測和估算。結果表明：我們建立的CTL表位親和力預測模型具有較好的相關性以及對外部樣本的預測能力，可較準確地估算CTL表位多肽與HLA-A*0201分子間親和力的大小，從而達到預測高親和力CTL表位的目的。預測算法建立后，我們在此基礎上進一步利用VisualBasic語言編程，開發(fā)了CTL表位預測軟件包CTLPro。 另一方面，我們應用分子對接技術研究APLs在表位改造前后，與MH

10、CⅠ類分子親和力的變化情況。表位改造有多種策略，這里我們將低親和力表位肽次級錨基P1位點(多肽N末端第一位殘基)以酪氨酸替換后構建突變體。將改造前、后的多肽分別與MHC分子對接，通過分析對接所得復合物構象以及相應能量項計算，發(fā)現：突變體與MHC分子間存在更強的氫鍵和疏水相互作用，其N末端與組成肽結合槽口袋A的殘基Tyr7、Tyr171和Tyr159之間形成穩(wěn)定的氫鍵作用網絡。另外，突變體P1位酪氨酸上的苯環(huán)可與多肽結合槽Trp167上的

11、苯環(huán)發(fā)生π-π堆積作用，導致改造后表位多肽與肽結合槽嵌合更加緊密，與MHC分子間的親和力較改造前提高，與文獻報道的實驗結果一致。本研究建立的肽-MHC復合物對接模型，可通過計算機平臺判斷APLs與MHCⅠ類分子間親和力的變化，為表位改造中選擇多肽分子的哪一位點以及用何種性質氨基酸進行替換提供理論支持，指導后續(xù)實驗，減少肽合成與功能實驗的工作量。 總之，我們從肽-MHC復合物的三維結構出發(fā)，應用柔性分子對接技術尋找合理的復合物構型