B细胞表位预测_黄健

B细胞表位预测X

黄 健1,郭建巍2综述;蔡美英3审校(1.电子科技大学生命科学与技术学院,成都 610054;2.军事医学科学院,北京 100850;3.四川大学华西医学中心免疫学教研室)摘 要:从原理、方法及应用等多方面对B细胞表位预测研究的既往成果、当前现状及存在问题进行了回顾与分析,对其未来发展提出了建议并作展望。关键词:B细胞;表位;预测中图分类号:R392 文献标识码:A 文章编号:1005-5673(2004)01-0040-03 B细胞表位是抗原中可被B细胞抗原受体(Bcellreceptor,BCR)或抗体特异性识别并相互结合的线性片段或空间构象性结构。准确预测B细胞表位,不仅有助于基础免疫学研究,而且也有助于疫苗和抗体的研究与开发,有助于疾病的预防与诊断。1 B细胞表位预测的原理与方法 B细胞表位预测基于B细胞表位的结构。从空间结构上看,B细胞表位可分为连续性的线性B细胞表位和不连续的空间构象性表位。早在上个世纪50年代,ElivinAKabat的实验表明,线性B细胞表位可能由6~8个氨基酸或单糖残基构成。随后,对抗原抗体复合物的X射线晶体衍射研究显示,抗体一般通过深袋状的抗原结合槽与多糖、核酸、多肽、半抗原等形成的线性B细胞表位结合。例如,血管紧张素II是一种8肽,其相应抗体通过深而狭窄面积约725平方埃的抗原结合槽与之结合;槽中血管紧张素II的氨基端和羧基端紧密折叠在一起,它的8个残基均参与产生范德华力,维系与相应抗体的结合112。另有一些X射线晶体衍射研究提示:构象性B细胞表位可能由分布于肽链不同部位、甚至不同肽链的15~22个氨基酸残基构成;针对构象性B细胞表位的抗体通常由类似数目的残基形成一个面积约650~990平方埃的比较平坦的抗原结合面。例如,鸡卵白溶菌酶与相应抗体的结合就是通过一个较为平坦却又波浪起伏的平面,抗体的抗原结合面与相应构象性B细胞表位的起伏相互嵌合122。目前,绝大多数B细胞表位预测方法只能预测由连续的氨基酸残基构成的线性B细胞表位。MichaelSera的经典实验在30多年前就已证实:蛋白中的B细胞表位通常位于在空间上能够被相应抗体及BCR触及的蛋白表面132。通过Janin142和Conoll152的方法可以计算蛋白中各亚序列的表面或液相可及性(SurfceaccessibilityorSolventaccessibl-ity),这可作为判断天然蛋白中一个亚序列能否成为B细胞表位的重要参数。Hopp和Woods通过对蛋白中局部亲水性(Localhydrophilicity)的计算发现,局部平均亲水性的峰值区域大多位于线性B细胞表位内或与之紧密相连162;Hopp-Woods法预测B细胞表位的最大优点在于,它可以用于晶体结构未知而一级结构明确的蛋白。另有几个小组的研究表明,蛋白序列中肽链的局部可动性或柔韧性(Mobility/Flexibility)与相应部位的抗原性密切相关,可以通过其X射线晶体衍射数据中的温度因子(晶体学术语,又称B因子,是衡量原子围绕所给坐标发生热力学振动程度的指标)计算蛋白局部肽链骨架的可动性并用于B细胞表位的预测17-92。Thornton等根据已知球蛋白晶体数据中的Ca座标计算各种氨基酸残基伸出球面的频率并将其转化为突出指数(Protrusionindex),通过计算蛋白中各亚序列的突出指数发现,理论计算的蛋白突出部位与实验确定的B细胞表位间有着很好的一致性1112。Welling等的方法是用各氨基酸残基在已知B细胞表位中出现40 微生物学免疫学进展2004年第32卷第1期

X 收稿日期:2003-06-23;修回日期:2003-08-11*基金项目:电子科技大学引进人才科研启动基金资助(编号:Y02002010901001) 作者简介:黄健(1973-),男,医学博土,副教授,主要从事免疫信息学研究。百分率与其通常在蛋白质中出现百分率比值的对数建立抗原性量表并以此计算蛋白中各亚序列的抗原性1122。还有研究认为,B细胞表位所在位置与进化上的高频率可接受突变区域显著相关,Frommel由此建立了平均突变率算法1132。Kolaskar等发现,Cys、Leu、Val等疏水残基位于蛋白表面时,它们往往是B细胞表位的一部分;在考虑可及性的基础上,他们成功地将这一经验方法用于B细胞表位预测1142。由于线性B细胞表位常位于蛋白表面的突出、转角(Turn)及环(Loop)结构处115,162,Pellequer等通过转角量表对转角的预测而间接地预测了线性B细胞表位的可能位置1172。总之,目前B细胞表位预测的原理基于B细胞表位结构的实验研究而类似于唯象理论(Phe-nomenologicaltheory),方法大多是通过对蛋白亚序列理化性质或二级结构的计算,利用B细胞表位与上述理化特性或二级结构的相关性而达到预测目的。在这一大方向下,不断有新的量表与新的算法涌现,如以蛋白-水相互作用能量为预测参数1182或从热力学角度进行预测1192;经典的量表时有优化,经典的算法也常常综合运用,如国内的吴氏法、万氏法等116,20-232。由此也产生了PREDITOP1242、ADEPT1252、PEOPLE1162等B细胞表位预测软件。另外,一些综合的序列分析软件如OMIGA1262、UWGCG1272、ANTHEPROT1282等也包含了部分B细胞表位预测功能。2 B细胞表位预测的应用由于种种原因,有的完整蛋白抗原不容易克隆、高效率表达或分离纯化。对于这些不易获得的抗原,要得到相应抗体或能与完整抗原发生交叉反应的抗体,可用完整蛋白序列中的一段进行免疫。最初,进行B细胞表位预测的主要目的就是为了缩小合成多肽片段的范围与数量,减少烦琐的实验工作量,提高命中率。事实证明,进行B细胞表位预测的确有这样的作用。例如,利用可动性参数从天然蛋白中筛选出的肽段,其相应抗体往往能与天然蛋白本身发生交叉反应18,102。这具有重要的实用价值,相应于预测表位的抗体既可用于亲和层析,达到分离纯化完整蛋白抗原的目的,又可用于免疫组化或其它免疫反应而有助于基础研究与临床诊断,甚至可以开发为临床诊断试剂。在对基因组的注释与验证中,B细胞表位预测也有用武之地。例如,对于基因组中一个计算机自动注释的编码序列(CDS),在体内是否有相应的蛋白存在呢?这时,我们可以通过对这样一个可能真实存在的编码序列进行B细胞表位预测,然后直接合成一段相应的抗原肽,免疫后用相应的抗体作为探针对机体各种组织进行探察。同样,对于有些疫苗的研究开发,相应的完整抗原不易获得或完整抗原具有很大毒副作用,这时可以考虑开发亚单位疫苗甚至表位疫苗。进行B细胞表位预测可以帮助研究者尽快找到具有相同或相似抗原特异性与免疫保护作用,却不再具有完整蛋白毒性的抗原片段。新近,B细胞表位预测的一项重要临床应用进展是用于预防变态反应1292。Ivanciuc等1302建立了一个变应原蛋白结构数据库(StructuralDatabaseofA-llergenicProteins,SDAP),其中包含变应原名称、来源、序列、结构、IgE表位(能与IgE结合的B细胞表位)、文献等内容,提供的免疫信息学计算工具能根据已知变应原及其IgE表位预测其它蛋白的变应原性及其和已知变应原的交叉反应性,为临床预防变态反应提供了新的有力工具。3 B细胞表位预测研究存在的问题、对策与展望尽管近20多年来B细胞表位的预测取得了很大的进展与广泛的应用,但目前的研究仍存在不少问题。首先是B细胞表位预测缺乏标准的ROC(Relativeoperatingcharacteristic)评估1312,这使得各研究小组间的预测效果难以比较与评估,各研究组之间相互质疑、争论不止132,332。虽然目前各种算法报道的预测准确率从40%~80%不等,但对现有B细胞表位预测方法效果的怀疑也时有报道134,352,而这也与标准评估体系的缺乏不无关系。其次,很多算法依赖于蛋白晶体结构的数据,这极大地限制了现有B细胞表位预测程序的应用范围与使用意义。最后,虽然近年开始有通过分子模拟与同源建模来预测构象性B细胞表位的探索1362,但目前几乎所有的B细胞表位预测算法与程序只能预测连续的由氨基酸残基构成的线性B细胞表位。由于,大多数B细胞表位是构象性的(广义地讲,所有的B细胞表位都是构象性的)110,152,因此,我们认为,在进一步完善线性B细胞表位预测研究的基础上,在今后的研究中应加强构象性B细胞表位预测算法与程序的研发,同时应在研究中引入并完善预测评估体系,充分考虑载体、机体、免疫方式等表位外因素的影响并不断拓展其应用。参考文献:112 GarciaKC,RoncoPM,VerroustPJ,etal.Three-dimensional41微生物学免疫学进展2004年第32卷第1期 structureofanangiotensinII-Fabcomplexat3@:hormonerecognitionbyanant-iidiotypicantibody1J2.Science1992,257(5069):502-507.122 AmitAG,MariazzaRA,PhillipsSE,etal.Three-dimensionalstruc-tureofanantigen-antibodycomplexat2.8@resolution1J2.Science1986,233(4765):747-753.132 SelaM.Antigenicity:somemolecularaspects1J2.Science1969,166(911):1365-1374.142 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