抗体在复杂的水环境中以高度的特异性识别蛋白质抗原,其中界面水是抗体-蛋白质复合物界面的组成部分。在这项工作中,我们通过计算分析阐明了在存在显式界面水的情况下控制抗体对其同源蛋白抗原的特异性和亲和力的原则。在实验上,在四种模型抗体-蛋白质复合物中,我们比较了抗体-蛋白质抗原复合物界面中相互作用类型的贡献与选自噬菌体展示的合成抗体文库的抗体变体。显然,涉及芳香族 CDR(互补决定区)残基子集的特定相互作用在很大程度上形成了自然界中抗体-蛋白质复合物特异性的主要决定因素。伴随 CDR 芳香族相互作用的界面直接/水介导的氢键在局部进行了优化,但对确定表位位置的贡献很小。结果提供了对以下现象的见解:在抗体库中具有有限序列和结构变异的天然抗体可以识别看似无限的蛋白质抗原。我们的工作提出了设计功能性人工抗体库的指南,并在开发用于治疗和预防人类疾病的新型抗体疗法和诊断方法中具有实际应用。伴随 CDR 芳香族相互作用的界面直接/水介导的氢键在局部进行了优化,但对确定表位位置的贡献很小。结果提供了对以下现象的见解:在抗体库中具有有限序列和结构变异的天然抗体可以识别看似无限的蛋白质抗原。我们的工作提出了设计功能性人工抗体库的指南,并在开发用于治疗和预防人类疾病的新型抗体疗法和诊断方法中具有实际应用。伴随 CDR 芳香族相互作用的界面直接/水介导的氢键在局部进行了优化,但对确定表位位置的贡献很小。结果提供了对以下现象的见解:在抗体库中具有有限序列和结构变异的天然抗体可以识别看似无限的蛋白质抗原。我们的工作提出了设计功能性人工抗体库的指南,并在开发用于治疗和预防人类疾病的新型抗体疗法和诊断方法中具有实际应用。结果提供了对以下现象的见解:在抗体库中具有有限序列和结构变异的天然抗体可以识别看似无限的蛋白质抗原。我们的工作提出了设计功能性人工抗体库的指南,并在开发用于治疗和预防人类疾病的新型抗体疗法和诊断方法中具有实际应用。结果提供了对以下现象的见解:在抗体库中具有有限序列和结构变异的天然抗体可以识别看似无限的蛋白质抗原。我们的工作提出了设计功能性人工抗体库的指南,并在开发用于治疗和预防人类疾病的新型抗体疗法和诊断方法中具有实际应用。
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Antibody CDR amino acids underlying the functionality of antibody repertoires in recognizing diverse protein antigens
Antibodies recognize protein antigens with exquisite specificity in a complex aqueous environment, where interfacial waters are an integral part of the antibody–protein complex interfaces. In this work, we elucidate, with computational analyses, the principles governing the antibodies’ specificity and affinity towards their cognate protein antigens in the presence of explicit interfacial waters. Experimentally, in four model antibody–protein complexes, we compared the contributions of the interaction types in antibody–protein antigen complex interfaces with the antibody variants selected from phage-displayed synthetic antibody libraries. Evidently, the specific interactions involving a subset of aromatic CDR (complementarity determining region) residues largely form the predominant determinant underlying the specificity of the antibody–protein complexes in nature. The interfacial direct/water-mediated hydrogen bonds accompanying the CDR aromatic interactions are optimized locally but contribute little in determining the epitope location. The results provide insights into the phenomenon that natural antibodies with limited sequence and structural variations in an antibody repertoire can recognize seemingly unlimited protein antigens. Our work suggests guidelines in designing functional artificial antibody repertoires with practical applications in developing novel antibody-based therapeutics and diagnostics for treating and preventing human diseases.