Les anticorps sont essentiels au contrôle des infections et à une immunité prolongée. Outils clés de la recherche biomédicale, les anticorps sont également utilisés pour diagnostiquer les maladies humaines et détecter l’immunité adaptative aux infections passées avec des agents pathogènes particuliers.
Bien que les méthodes existantes pour découvrir et générer des anticorps soient couronnées de succès, elles ont également des limitations importantes, telles que des cibles dures (de courte durée, homologues ou instables) et des processus longs et coûteux, produisant souvent des anticorps de haute affinité mais avec des propriétés biophysiques.
Pour surmonter ces défis, les études computationnelles couplées à la biophysique et à la biotechnologie ont attiré une attention croissante. En particulier, le de novo la conception informatique de la liaison d’anticorps a été la plus réussie en synergie avec in vitro maturation d’affinité, et en particulier lorsqu’elle est appliquée à des mini-protéines. Ces méthodes réduisent le temps et le coût de la découverte d’anticorps tout en permettant le ciblage facile et précis d’épitopes spécifiques.
Dans un récent bioRxiv * preprint, une nouvelle étude a décrit une nouvelle méthode basée sur des fragments pour concevoir des boucles de région de détermination de complémentarité d’anticorps (CDR).
Dans cette étude, l’équipe interdisciplinaire a démontré sa capacité à concevoir de novo des anticorps qui peuvent se lier à des épitopes d’intérêt présélectionnés; ils les ont conçus sur des ordinateurs portables standard, en utilisant un code informatique.
Les CDR conçus ont ensuite été greffés sur des échafaudages d’anticorps et optimisés en termes de calcul pour la solubilité et la stabilité conformationnelle. Ils ont trouvé les valeurs KD de liaison jusqu’à la gamme nanomolaire, sans aucun in vitro maturation d’affinité.
Les chercheurs ont conçu et testé six anticorps à domaine unique qui ciblaient différents épitopes sur trois antigènes, y compris le domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine de pointe du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2). Le SRAS-CoV-2 étant l’agent pathogène responsable de la pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19).
Fait intéressant, les chercheurs ont montré qu’une entrée haute résolution de la structure de l’antigène n’est pas nécessaire. La méthode ici donne également des prédictions similaires même lorsque l’entrée est une structure cristalline ou un modèle généré par ordinateur. Par conséquent, cela permet une génération rapide d’anticorps de plomb se liant à des épitopes présélectionnés.
Sommaire
De novo Stratégie de conception CDR
Les chercheurs ont compilé à partir de la banque de données de protéines non redondantes (PDB) une base de données de fragments de type CDR et de régions de type antigène correspondantes.
La structure de l’épitope d’entrée a d’abord été fragmentée, suivie de chaque fragment d’épitope comparé aux régions de type antigène pour identifier celles avec une structure de squelette compatible et une séquence similaire. Les structures de type CDR résultantes ont ensuite été tournées pour correspondre à l’orientation de l’épitope en superposant chaque région de type antigène.
Illustration schématique de la stratégie de conception de CDR basée sur la structure combinatoire introduite dans ce travail. (A) L’antigène est représenté en violet avec les groupes glycane en rouge, et l’épitope cible choisi est représenté en or au centre (le site de liaison ACE2 dans le RBD de SARS-CoV-2, PDB ID 6VSB). Les bulles sur la gauche montrent deux fragments analogues de type antigène (saumon) dans le contexte de leur structure native structurellement superposée aux fragments d’épitope de requête (or) utilisés pour les identifier. Les fragments de type CDR (bleu et vert) interagissant avec ces fragments de type antigène, et donc prédits pour se lier à l’épitope, sont également représentés au-dessus de celui-ci au centre. Les fragments de type antigène dans les bulles sont non contigus car ils ont été identifiés avec le mode de fragmentation de surface-patch (voir Méthodes) en utilisant comme interrogation ces fragments d’épitope correspondant aux chaînes latérales exposées au solvant. L’identité de séquence entre le fragment d’épitope de requête (or) et le fragment de type antigène correspondant (saumon) est représentée par un alignement à côté des bulles. (B) Comme les deux fragments de type CDR ont une partie se chevauchant avec une conformation de squelette compatible et une orientation de chaîne latérale similaire, ils sont fusionnés pour former un seul candidat CDR conçu. (C) La séquence du candidat CDR est en outre optimisée (voir Méthodes) en substituant ces résidus en contact avec des acides aminés qui diffèrent entre l’épitope cible et les fragments de type antigène correspondant. (D) La séquence CDR optimisée est ensuite greffée sur un échafaudage d’anticorps à domaine unique. L’exemple présenté sur cette figure est le CDR3 de DesAb-RBD-C1 (tableau 1). Le modèle de ce panneau a été généré avec le serveur Web ABodyBuilder (22).
Enfin, les chercheurs les ont combinés pour générer des boucles CDR plus longues ou plusieurs candidats et les ont optimisés pour produire les conceptions finales.
Dessins et caractérisation biophysique
Les chercheurs ont généré les six anticorps à domaine unique contre les trois antigènes différents: 1) le domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2, 2) trois albumine sérique humaine (HSA) et une trypsine bovine pancréatique.
Ils ont observé une liaison compétitive des récepteurs, ce qui suggère que ces versions matures par affinité des anticorps peuvent avoir un potentiel neutralisant. Ils ont également signalé que tous les anticorps à domaine unique conçus présentaient d’excellentes propriétés biophysiques.
Conclusion
Cette étude a démontré une méthode basée sur des fragments pour la conception combinatoire de boucles de liaison d’anticorps et leur greffage sur des échafaudages d’anticorps.
Le point culminant de cette étude est que les résultats observés sont obtenus sans qu’il soit nécessaire de cribler un grand nombre de modèles expérimentalement. Au lieu de cela, les chercheurs ont présélectionné les CDR conçus in silico qui paraissaient les plus prometteurs selon les métriques implémentées: des proxys pour la liaison prédite, la complémentarité de la sidechain et les prédictions de solubilité.
Sans impliquer d’approximations pour calculer l’interaction des énergies libres, cette approche combinatoire basée sur l’échantillonnage de l’espace conformationnel et mutationnel est plus rapide que les autres approches.
Cela dit, les chercheurs ont souligné une limitation intrinsèque de cette stratégie. A savoir, que l’applicabilité de cette approche dépend de la disponibilité de fragments de type CDR appropriés dans les bases de données. Néanmoins, le nombre croissant de structures protéiques disponibles dans les bases de données publiques rend la procédure généralement applicable, car pour la plupart des épitopes, on obtient plusieurs CDR candidats parmi lesquels choisir, ont fait valoir les chercheurs.
Nous avons exploité les progrès récents dans les prédictions de repliement des protéines et la modélisation structurelle ab initio pour montrer que notre pipeline de conception donne des résultats similaires lors de l’exécution sur des structures expérimentales ou des modèles générés par ordinateur, même lorsque ceux-ci n’atteignent pas la précision atomistique.
Tirer parti des travaux de biotechnologie informatique décrits dans cette étude permettra aux scientifiques de générer rapidement des anticorps de plomb peu de temps après la libération d’un génome pathogène ou à partir de l’identification d’un nouvel épitope pertinent pour la maladie – quelle que soit la cible.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
