杂志：2010 年 8月《 BIOPHYSICAL JOURNAL》
题目：单克隆 IgG 抗体全原子模型的构建、MD 模拟和流体动力学验证
单位：基因泰克早期药物开发部
1 摘要
1、文章描述了从片段晶体结构构建人源 IgG1 单克隆抗体（曲妥珠单抗）模型的方法。结合分子动力学 (MD) 模拟、连续流体动力学建模和实验扩散测量来探索抗体在水溶液中的行为
2、流体动力学建模将 MD 模拟的原子级细节与流体动力学测量提供的尺寸和形状相关数据联系起来。使用 AMBER 程序套件获得了八条独立的 40 ns MD 轨迹。计算得出的所有MD轨迹的传输特性的集合平均值与在 20°C 和 27°C 下通过动态光散射（DLS）获得的平移扩散系数值以及在20°C 下测得的特性粘度值高度吻合
2 介绍
1、使用 MD 模拟，最初由碎片晶体结构拼凑而成的结构在水溶液中在计算机上平衡，并让其松弛为一种构象，该构象更可能是它在实际水溶液中代表的抗体的特征。使用初始轨迹的结果作为其起始结构启动多个 MD 轨迹。产生的每个轨迹都代表对从共同的起始结构可访问的相空间的独特探索
2、为了评估在一系列 MD 模拟中生成的结构是否可能代表溶液中人 IgG1 样品的实际构象，文章使用精确的边界元流体动力学建模技术计算了结构的传输特性。由于所使用的流体动力学建模技术基于粒子溶剂可及表面的尺寸和拓扑结构来计算粒子的性质，因此它是分析大型柔性分子（例如抗体）的MD模拟结果的理想技术
3 结果
3.1 模型构建
1、曲妥珠单抗的完整晶体结构尚不存在。为了生成本研究的起始坐标，文章获取了曲妥珠单抗Fab结构域的晶体结构，以及与之密切相关的抗体G2糖基化Fc片段的晶体结构，使用 Padlan 在计算机上组装，构建的下铰链区在空间中的 ϕ / ψ 二面角是 β 折叠的特征，这与大多数 IgG 结构的二级结构组成一致
2、电子显微镜研究表明 IgG 具有多种构象，荧光各向异性研究表明 IgG 具有片段灵活性，其内部运动发生在几十纳秒的时间尺度上
3.2 MD 模拟
1、计算出的MD轨迹为7.4 ns，在整个初始轨迹持续期间，Fab 和 Fc 域结构似乎非常稳定，从使用它们的初始坐标作为参考的均方根偏差图可以看出。如图Fig2C
2、相比之下，下铰链区非常灵活。该区域的运动振幅似乎较大，因为该区域没有二级结构并且高度暴露于溶剂中
3、在 7.4 ns 轨迹中观察到的运动表明，需要更大的模拟单元来确保模型不会与自身的图像相互作用。对 8 个 40ns 轨迹的目视检查清楚地揭示了对模拟相空间的不同探索。虽然每个轨迹使用相同的起始结构，但在每个系统的温度和压力平衡期间以及在生产动力学开始时使用不同的种子数来随机化原子速度，足以将每个抗体结构发送到构象空间中的独特路径上。8 条并行的 MD 轨迹（T1–T8）。Video 如下：https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(10)00565-5
4、在轨迹的运动层次中，Fc 相对于 Fab 结构域的旋转似乎是大型结构域运动中最快的。观察到的 Fab-Fc 角在接近 0 到 180° 的角度范围内。在短时间尺度上，Fab 结构域似乎表现得像单个 F(ab)2 单元。然而，当在较长的时间尺度和多个轨迹上观察时，很明显两个结构域彼此的方向确实会发生变化，主要是通过围绕相距 ∼140° 的非共享轴旋转，并且大致在两个 Fab 结构域最近的点处相交
5、模型中的 Fab-Fab 取向似乎受到这些域在铰链区上方相互接触的强烈影响。在八个 40 纳秒的模拟轨迹过程中，这两个域很少脱离接触。Fab 域相互接触的区域富含天冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸残基。因此，观察到的 Fab 域之间的相互作用很可能是由静电力稳定的
3.3 流体动力学传输特性的计算
1、为了评估生成的结构是否能够代表溶液中的曲妥珠单抗，文章用 BEST 分析了从每个模拟轨迹中定期获取的结构，BEST 是一种非常精确和准确的边界元流体动力学建模技术，并将结果与从曲妥珠单抗样品测量中获得的值以及文献中发现的 IgG 分子的值进行了比较
2、文章发现轨迹传输特性平均值与实验获得的值非常吻合。因此，考虑到用于评估模拟结果的流体动力学方法的精度和准确度，可以得出结论，在多个 MD 轨迹中生成的结构集合可以很好地代表抗体在水溶液中实现的构象
4 参考文献
Brandt J P, Patapoff T W, Aragon S R. Construction, MD simulation, and hydrodynamic validation of an all-atom model of a monoclonal IgG antibody[J]. Biophysical Journal, 2010, 99(3): 905-913.
