Sci Adv | Hybrid Tech使用电镜和测序加速抗体发现

原创 图灵基因 图灵基因 2022-01-28 14:42

收录于话题#前沿分子生物学技术

Scripps研究所的科学家们已经设计出一种方法，可能能够缩短现代疫苗开发的一大步。研究人员表明，他们可以应用高分辨率冷冻电子显微镜（cryo EM）数据来快速表征由疫苗或感染引发的抗体，这些抗体在原子水平上与病毒上的所需靶标结合。该方法使用了一种“结构-序列”计算机算法，可以将由冷冻电镜确定的单克隆抗体（mAb）结构与产生该结构的DNA序列联系起来。

“COVID-19大流行凸显了对强大而快速的疫苗和抗病毒技术的需求。”该研究的资深作者、Scripps研究所综合结构和计算生物学系教授Andrew Ward博士说，“我们乐观地认为，我们的新方法将通过大大简化抗体发现来帮助满足这一需求。”

Ward及其同事在《Science Advances》上的一篇题为“From structure to sequence: Antibody discovery using cryoEM”的论文中描述了他们的技术。

作者指出，分析疫苗或感染免疫反应的一个关键限速步骤是单克隆抗体的分离和鉴定。“传统抗体分离方法的限速步骤之一是筛选单克隆抗体库，以鉴定具有所需表位特异性的克隆……对感染或疫苗免疫反应的综合分析既费时又昂贵。”正如该研究的共同第一作者Aleksandar Antanasijevic博士指出的那样：“传统上，识别对病毒有用的抗体需要费力地对产生抗体的B细胞进行分类和测试，以找到合适的B细胞——这一过程需要数月的时间。”

研究人员的这一壮举部分得益于cryo-EM（冷冻电镜）技术的最新改进。冷冻电镜是一种使用电子束对远低于普通光学显微镜规模的目标进行照明和成像的技术。例如，在发表在《Nature Communications》上的一项研究中，研究人员使用高分辨率冷冻电镜快速准确地绘制出恒河猴体内的抗体与正在为潜在HIV疫苗开发的HIV包膜蛋白的合成版本结合的位置。“最近，我们开发了一种方法，利用冷冻电子显微镜（cryoEM）在免疫血清水平上对疫苗接种或感染（CRYEMPEM）引发的多克隆抗体（pAb）反应进行表征。”他们写道。

在他们的新研究中，研究人员将这一研究方向进一步推进。他们采用了一种“结构到序列”的计算机算法，可以将冷冻电镜确定的抗体结构与产生该结构的DNA序列联系起来。“在这项研究中，我们通过引入一种从结构观察中识别功能性抗体序列的方法，扩展了cryoEMPEM数据的适用性。”他们写道。

为了实现这一点，该团队组装了一个包含恒河猴所有抗体编码DNA序列的文库，该文库可以通过对来自动物淋巴结产生抗体的B细胞的遗传物质进行快速批量测序获得。将该算法应用于冷冻电镜数据和抗体序列库，科学家们可以可靠地将冷冻电镜图像中感兴趣的抗体与序列数据库中定义的独特抗体进行匹配。

研究人员表明，他们可以通过使用序列数据复制单克隆抗体来确认结果的准确性，并用冷冻电镜验证抗体与最初成像的抗体以相同的方式结合。“我们开发了一种直接从cryoEMPEM图谱中确定单克隆抗体序列的方法。”该团队表示。“这种由电子显微镜（EM）和下一代测序（NGS）组成的混合方法能够对多克隆Fab（Fv）的可变区进行序列分配，包括互补决定区（CDR）……这种方法为基于单B细胞分选、杂交瘤和噬菌体展示技术的传统单克隆抗体发现方法提供了一种替代方法。”

“通过这种新方法，我们可以在大约十天内从感染或免疫患者的血样采集到识别所有感兴趣的诱发抗体。”科学家、该研究的共同第一作者Charles Bowman博士说。

作者还指出，他们报告的概念验证研究使用了对特定抗原具有特异性的淋巴结B细胞。然而，他们预计，他们的方法将适用于从其他来源获得的B细胞，如外周血、脾脏、骨髓或浆细胞，并且无需预先分选抗原结合。“通过使用cryoEM直接对血清抗体进行成像，我们有了丰度、亲和力和克隆性的替代物。”他们评论道。

科学家们现在正在改进他们的技术以优化其速度和可用性，并将其应用于几个领域：快速评估人类抗体对实验性HIV疫苗的反应；开发针对自身免疫性疾病的抗体阻断疗法；并发现可以治疗性地攻击细胞上其他蛋白质靶点的抗体。

他们预计，冷冻电镜技术和结构-序列算法的未来改进将允许仅使用高分辨率结构图像更快速地识别抗体，而无需对B细胞进行DNA测序。

“这种结构-序列的方法在免疫学及其他领域具有很大的潜力。”研究人员说，“我们设想有朝一日能够利用它来研究蛋白质之间的相互作用，例如，发现特定蛋白质的结合伙伴。”正如作者总结的那样，“……我们的方法将为发现mAb和分析抗体对感染和疫苗接种的反应打开新的大门。持续的COVID-19大流行凸显了对这种强大而快速的技术的需求。”