高福院士,严景华研究员连发Science,Nature子刊文章

【字体: 时间:2017年02月09日 来源:生物通

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  中科院微生物研究所严景华研究员与高福院士近期合作接连在Nature Communications,以及Science Translational Medicine杂志上发表文章,分别报道了nivolumab阻断PD-1/PD-L1 相互作用模式和PD-1蛋白糖基化修饰对其结合 nivolumab 的影响,以及高效、特异性人源寨卡病毒(zika virus, ZIKV)治疗性抗体及其机制。

  

生物通报道:中科院微生物研究所严景华研究员与高福院士近期合作接连在Nature Communications,以及Science Translational Medicine杂志上发表文章,分别报道了nivolumab阻断PD-1/PD-L1 相互作用模式和PD-1蛋白糖基化修饰对其结合 nivolumab 的影响,以及高效、特异性人源寨卡病毒(zika virus, ZIKV)治疗性抗体及其机制。

Nivolumab是百时美-施贵宝公司开发的 PD-1 靶向性抗体药物,于2014年获得美国食品药品监督管理局(FDA)加速批准,用于黑色素瘤及非小细胞肺癌等恶性肿瘤的治疗。在第一篇文章中,研究组成员发现位于 PD-1 分子胞外免疫球蛋白功能域外的 N 端 loop 区域(N-loop)介导了其与 nivolumab 主要的氢键相互作用,而通过表面等离子共振技术(SPR)分析 nivolumab 与 PD-1 的亲和力,发现 N-loop 缺失的 PD-1 完全丧失了与 nivolumab 结合的能力,因此,N-loop 在 PD-1 与 nivolumab 相互作用中发挥了至关重要的作用。

Nivolumab 的临床前研究报告表明其与 PD-1 的结合可能依赖于 PD-1 的糖基化修饰,而肿瘤细胞内源性表达的 PD-1 可能会由于糖基转移酶功能异常而导致 PD-1 糖基化修饰异常,从而使得 nivolumab 治疗效果受到影响,因此,研究人员对 PD-1 的糖基化修饰情况及其对 nivolumab 相互作用的影响进行了研究。在 PD-1 的结构中能够观察到其第 58 位天冬酰胺糖基化修饰位点的糖链修饰,然而通过 SPR 实验对 nivolumab 与 PD-1 的 4 个 N - 糖基化位点分别突变后蛋白的亲和力检测显示其与野生型 PD-1 蛋白亲和力并无显著差异。不仅如此,nivolumab 与无糖基修饰能力的原核细胞及差异性糖基修饰的昆虫细胞表达的 PD-1 之间相互作用的亲和力与哺乳动物细胞表达产生的 PD-1 无显著差异,表明 nivolumab 与 PD-1 的相互作用并不依赖于 PD-1 的糖基化修饰。通过 nivolumab 和 pembrolizumab 与 PD-1 相互作用模式的比较发现,二者结合 PD-1 不同区域,尽管其在 PD-1 上的结合面相互紧邻,但二者并未发生交互重叠。通过 OCTEC 对二者竞争 / 协同结合特性进行分析表明,PD-1 结合 niovlumab 后不能再有效结合 pembrolizumab,反之亦然。因此,尽管 nivolumab 和 pembrolizumab 结合 PD-1 的不同区域,其结合 PD-1 后产生的空间位阻对于进一步结合另一个抗体具有一定空间位阻效应。

第二篇文章则在研发寨卡病毒治疗性抗体方面取得重要进展,率先找到高效、特异性人源寨卡病毒(zika virus, ZIKV)治疗性抗体及其机制,该抗体在小鼠模型上能有效治疗ZIKV感染,有望成为治疗其感染的候选药物。

随着研究的深入,ZIKV的危害逐渐被揭示,从最初的发烧、皮疹等轻微症状,到引起新生儿小头症和格林-巴利综合征等神经系统疾病。最近高福院士团队与Michael Diamond教授团队独立研究均揭示,ZIKV在小鼠模型中引起睾丸损伤并最终导致雄性不育。截至目前还没有ZIKV疫苗及药物上市。

ZIKV表面含有E蛋白(Envelope),含有三个不同的结构域(DI, DII和DIII)是负责受体识别与膜融合的重要蛋白,含有产生中和抗体的重要表位。研究团队从一例南美输入病例入手,采集其康复后的血液并分离PBMCs,然后以ZIKV E蛋白为诱饵从PBMCs中分选到33个结合E蛋白的记忆性B细胞,并且鉴定出其中14个B细胞的抗体序列。表达、纯化这些抗体后,进行一系列的功能验证。首先,ELISA、SPR实验证明有13株抗体结合E蛋白,亲和力相差较大 (KD=10-6~10-11M);竞争实验表明13株抗体结合在E蛋白的至少5个不同表位。其次,细胞水平的体外中和实验表明,结合其中3个表位的抗体具有高中和活性(IC50=0.17~1.87 μg/ml);动物水平(小鼠感染模型)的体内功能检测发现三个不同表位的高中和活性抗体(Z20, Z3L1和Z23)分别可以完全保护小鼠。

最后,利用结构生物学手段,阐明三株保护性抗体与E蛋白的结合模式并揭示其作用机制。其中,Z20同时结合E蛋白二聚体中相邻E蛋白的DII,Z3L1主要结合E蛋白二聚体中一个E蛋白的DI以及DI与DII的连接区域,Z23主要结合DIII,同时插入到相邻两个E蛋白二聚体的沟槽中。三株抗体通过结合E蛋白的不同结构域影响膜融合过程中E蛋白构象变化从而影响病毒感染,同时Z23也有可能阻断ZIKV与受体的结合进而阻止ZIKV感染。其中,两株抗体(Z3L1和Z23)特异性阻断ZIKV感染,对于登革热等黄病毒没有交叉反应,有望进一步开发成药物,相关临床前研究正在进行并获得专利保护,为人类防治ZIKV提供了重要的抗体药物支撑。

抗原特异性免疫球蛋白及单克隆抗体在新生突发传染病应急治疗中起着重要作用。SARS、H5N1等康复病人血清可以有效治疗重症患者。然而这种血清依赖于康复者数量,限制其大规模使用。这一研究建立的B细胞单细胞测序技术能够从康复者中快速分离鉴定出抗原特异的中和抗体,并在短时间内达到规模化生产,提供大量的有效的应急抗体。同时通过对感染病人中和抗体产生机制及表位的确立,进一步指导疫苗的设计和研发。这一技术平台的建立对于我国应对新生突发传染病的暴发、保障国民健康及社会稳定具有重要意义。

原文摘要:

An unexpected N-terminal loop in PD-1 dominates binding by nivolumab

Cancer immunotherapy by targeting of immune checkpoint molecules has been a research ‘hot-spot’ in recent years. Nivolumab, a human monoclonal antibody targeting PD-1, has been widely used clinically since 2014. However, the binding mechanism of nivolumab to PD-1 has not yet been shown, despite a recent report describing the complex structure of pembrolizumab/PD-1. It has previously been speculated that PD-1 glycosylation is involved in nivolumab recognition. Here we report the complex structure of nivolumab with PD-1 and evaluate the effects of PD-1 N-glycosylation on the interactions with nivolumab. Structural and functional analyses unexpectedly reveal an N-terminal loop outside the IgV domain of PD-1. This loop is not involved in recognition of PD-L1 but dominates binding to nivolumab, whereas N-glycosylation is not involved in binding at all. Nivolumab binds to a completely different area than pembrolizumab. These results provide the basis for the design of future inhibitory molecules targeting PD-1.

Molecular determinants of human neutralizing antibodies isolated from a patient infected with Zika virus

The 2015–2016 outbreak of Zika virus (ZIKV) disease has affected many countries and is a major public health concern. ZIKV is associated with fetal microcephaly and neurological complications, and countermeasures are needed to treat and prevent ZIKV infection. We report the isolation of 13 specific human monoclonal antibodies from a single patient infected with ZIKV. Two of the isolated antibodies (Z23 and Z3L1) demonstrated potent ZIKV-specific neutralization in vitro without binding or neutralizing activity against strains 1 to 4 of dengue virus, the closest relative to ZIKV. These two antibodies provided postexposure protection to mice in vivo. Structural studies revealed that Z23 and Z3L1 bound to tertiary epitopes in envelope protein domain I, II, or III, indicating potential targets for ZIKV-specific therapy. Our results suggest the potential of antibody-based therapeutics and provide a structure-based rationale for the design of future ZIKV-specific vaccines.

 

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