劉夫鋒，李 麗

(1. 天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457；2. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

抗體又稱免疫球蛋白，是由動(dòng)物血液和組織液中B淋巴細(xì)胞分泌的一種特殊的可溶性糖蛋白．抗體可與相應(yīng)抗原進(jìn)行高親和性和特異性的結(jié)合，這一特性是抗體在生物技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的理論基礎(chǔ)．靶向性強(qiáng)、特異性高和毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)使得抗體已被廣泛應(yīng)用于自身免疫性疾病、癌癥和眼科等多種疾病的治療[1]．經(jīng)過20余年的發(fā)展，抗體已成為最成功的醫(yī)藥之一[2]．抗體藥物包括多種類型，如單克隆抗體、雙特異性抗體、抗體片段和抗體偶聯(lián)物等.而單克隆抗體是研究最為成熟及應(yīng)用最為廣泛的抗體藥物．單克隆抗體指由單一 B細(xì)胞克隆產(chǎn)生的高度均一、僅針對(duì)某一特定抗原表位的抗體．2017年藥物銷售額排行榜前 100名中，抗體藥物占了 21名.表1列出了全球銷售額占前10名的抗體藥物．據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年抗體的全球市場(chǎng)會(huì)超 1250億美元[1,3]．

抗體含對(duì)稱的四條多肽鏈．其中相對(duì)分子質(zhì)量較小(2.5×104)的兩條稱為輕鏈，約含 250個(gè)殘基；另外兩條相對(duì)分子質(zhì)量較大(5.0×104～7.5×104)的稱為重鏈，含 450～550個(gè)殘基．輕鏈和重鏈之間通過四對(duì)二硫鍵相連接形成 Y型結(jié)構(gòu)(圖 1)．抗體 N-末端序列變化較大，因此該區(qū)域被稱為可變區(qū)，又稱Fab片段．Fab片段是抗體與抗原結(jié)合的主要部位，其結(jié)合抗原的部位在 VL及 VH 功能區(qū)的可變區(qū).相對(duì) Fab、Fc片段在同一種屬動(dòng)物中是比較恒定的，且其不能與抗原結(jié)合，因此一般作為親和配基的結(jié)合位點(diǎn)．目前，抗體分為 IgG、IgM、IgA、IgD 和 IgE五大類．其中IgG 是血清中主要的抗體成分，約占血清抗體的75%．IgG又進(jìn)一步分為IgG1、IgG2、IgG3和IgG4這四個(gè)亞類．

表1 2017年全球銷售額排名前10位的抗體藥物的相關(guān)信息Tab. 1 Top 10 global sale antibodies in 2017

圖1 單克隆抗體的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of a monoclonal antibody

由于抗體表達(dá)的復(fù)雜性以及醫(yī)用抗體的高品質(zhì)要求，抗體純化已成為抗體生產(chǎn)過程的關(guān)鍵步驟之一[4-5]．目前，抗體純化常用的分離方法主要有離子交換色譜、疏水作用色譜、凝膠過濾色譜和親和色譜等[6-7]．其中親和色譜因其對(duì)抗體的高特異性已成為抗體純化最常用的色譜方法之一．親和色譜利用固定化配基和目標(biāo)抗體之間的特異性和可逆的親和作用，從復(fù)雜的生物樣品中分離純化目標(biāo)抗體．由于親和配基僅能特異性結(jié)合目標(biāo)抗體，因此親和色譜具有非常高的選擇性和純化效率[8]．此外，親和色譜還具有條件溫和、操作簡(jiǎn)單和保證分離的蛋白質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[9-11]，因此特別適用于含量少且穩(wěn)定性低的抗體的分離[12-13]．

篩選和選擇親和配基是構(gòu)建有效親和色譜分離體系的先決條件[14]．一旦開發(fā)獲得合適的親和配基，利用親和色譜技術(shù)一步就能夠使目標(biāo)抗體的粗提液提純幾百甚至上千倍．因此，開發(fā)合適的親和配基是利用親和色譜分離純化抗體的首要問題．理想的抗體親和配基應(yīng)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：與抗體有適當(dāng)?shù)挠H和力，從而在吸附過程中特異地吸附目標(biāo)抗體且在洗脫過程中易于解離；易于大規(guī)模制備和固定到色譜介質(zhì)上；有足夠的生物和化學(xué)穩(wěn)定性，從而能夠耐受親和色譜的洗脫和再生等操作條件；不易被降解、不易脫落而污染抗體產(chǎn)品等．

隨著親和色譜技術(shù)在抗體分離純化中的廣泛應(yīng)用，目前已開發(fā)出多種類型的親和配基，如蛋白質(zhì)、染料、過渡金屬離子和短肽等[15]．抗體的蛋白質(zhì)配基主要指自然界中存在的與抗體之間具有很高的親和性和特異性(結(jié)合常數(shù)為 108～109L/mol)的蛋白質(zhì)，如抗原、凝集素和細(xì)菌細(xì)胞壁的免疫結(jié)合蛋白質(zhì)(如葡萄球菌蛋白A、蛋白G、蛋白L、蛋白H和蛋白M)等[15-16]．雖然蛋白質(zhì)配基有高特異性，但這些配基存在價(jià)格昂貴、吸附容量小、化學(xué)穩(wěn)定性差和易生物降解等缺點(diǎn)而難以大規(guī)模重復(fù)使用[17]．與蛋白質(zhì)配基相比，染料(如三嗪類和蒽醌等)和過渡金屬離子(如Ni2+、Zn2+、Cu2+和 Co2+等)具有價(jià)格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好且能夠承受較苛刻的洗脫條件，但這些配基的選擇性不高[18]，且通常有毒，這進(jìn)一步限制了它們?cè)诳贵w分離純化中的應(yīng)用[19]．

1986年 Geysen等[20]首次提出的親和短肽配基能夠彌補(bǔ)上述三類配基的缺點(diǎn)．肽配基指由少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸殘基組成，且與目標(biāo)蛋白之間存在較強(qiáng)的親和作用力的短肽．因此，抗體的親和短肽配基具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與抗體之間有足夠高的親和性；具有較好的理化穩(wěn)定性；由于是小分子質(zhì)量的短肽，即使不慎脫落進(jìn)入抗體產(chǎn)品中也不易引起免疫和中毒反應(yīng)；短肽配基與抗體之間的親和性適中，在洗脫過程中不需引入苛刻的洗脫條件，從而避免洗脫過程中抗體變性．但因自然界中與抗體具有較高親和性的短肽數(shù)量有限，如何尋找高親和性的多肽配基就成為制約利用親和色譜技術(shù)純化抗體的關(guān)鍵問題．本文結(jié)合作者的前期研究工作，簡(jiǎn)要綜述了抗體親和短肽配基的篩選、理性設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的進(jìn)展．

1 抗體親和短肽配基的高通量篩選

由于自然界中的短肽含量很少，目前最常用的獲取親和短肽配基的方法就是從肽庫(kù)中篩選．近年來，快速發(fā)展的組合化學(xué)、噬菌體展示和核糖體展示技術(shù)均為快速構(gòu)建大容量肽庫(kù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．同時(shí)，高通量快速篩選技術(shù)的發(fā)展也使從大容量肽庫(kù)中篩選獲得高親和性肽配基成為了可能．利用目標(biāo)抗體篩選相應(yīng)的肽庫(kù)，可以獲得與該抗體有一定親和力的短肽配基．

1.1 組合化學(xué)合成肽庫(kù)篩選技術(shù)

組合化學(xué)合成肽庫(kù)篩選技術(shù)是利用組合化學(xué)技術(shù)將氨基酸按隨機(jī)組合方式進(jìn)行酰胺反應(yīng)，從而在短時(shí)間內(nèi)就可獲得含有所有可能氨基酸序列的多肽庫(kù)[21].然后再用待分離的抗體為靶標(biāo)，從上述組合化學(xué)合成肽庫(kù)中篩選出與該目標(biāo)抗體具有較高親和性的短肽[22]．理論上利用組合化學(xué)合成技術(shù)可以非常容易地獲得具有所有排列組合的短肽序列．因利用組合化學(xué)技術(shù)獲得的短肽之間具有盡可能大的差異性和化學(xué)多樣性，利用該技術(shù)來篩選短肽配基就引起了研究者的關(guān)注與重視，表2列出了部分應(yīng)用組合化學(xué)肽庫(kù)技術(shù)篩選獲得的親和短肽配基．Yang等[23]從線性六肽庫(kù)中經(jīng)過三輪篩選獲得親和短肽配基HWRGWV，并利用該配基從哺乳動(dòng)物培養(yǎng)液中純化獲得人 IgG．為了提高合成效率同時(shí)降低篩選工作量，F(xiàn)rank[24]開發(fā)了單點(diǎn)多肽陣列合成技術(shù)來替代傳統(tǒng)的固相和液相多肽合成技術(shù)，從而使高密度合成短肽成為現(xiàn)實(shí)．Sugita等[25]利用該技術(shù)篩選獲得了鼠源和人源抗體的八肽配基NKFRGKYK和NARKFYKG，然后利用這些短肽配基從細(xì)胞培養(yǎng)液中分離獲得了抗體．為了克服線性短肽易于被體外降解的缺點(diǎn)，一些穩(wěn)定性較高的多聚肽段被開發(fā)出來用于抗體的親和配基．例如，F(xiàn)assina等[26-27]通過三輪篩選從組合肽庫(kù)中獲得一個(gè)多聚短肽配基(RTY)4K2KG. 然后利用固定化該配基的色譜柱純化獲得了不同來源的 IgG，并取得了良好的分離效果．

表2 應(yīng)用組合化學(xué)肽庫(kù)技術(shù)篩選獲得的親和短肽配基Tab. 2 Some peptide affinity ligands for antibody purification using combinatorial peptide library

1.2 噬菌體展示肽庫(kù)篩選技術(shù)

噬菌體展示技術(shù)是近年發(fā)展起來的利用噬菌體表達(dá)外源基因的一項(xiàng)新技術(shù)[34-35]．該技術(shù)以噬菌體(如 M13、λ和 T4等)為載體，首先把化學(xué)合成的隨機(jī)核苷酸序列與噬菌體外殼蛋白的基因相融合，然后再將對(duì)應(yīng)于上述隨機(jī)核苷酸序列的短肽展示于噬菌體表面．隨后利用待分離的抗體分子為靶標(biāo)，利用多輪篩選方法獲得與該目標(biāo)抗體具有較高親和性的多肽，最后通過測(cè)序技術(shù)獲得展示在噬菌體表面的與目標(biāo)抗體具有較高親和性的短肽序列(圖2)[36]．綜上所述，噬菌體展示技術(shù)是一種利用生物技術(shù)快速構(gòu)建隨機(jī)組合肽庫(kù)的常用方法[37]．

圖2 噬菌體展示肽庫(kù)篩選多肽的流程Fig. 2 Screening of peptides with phage display peptide library

噬菌體展示技術(shù)的出現(xiàn)為獲得親和性高且性質(zhì)穩(wěn)定的多肽配基提供了相對(duì)簡(jiǎn)便和快速的篩選途徑[38]. 國(guó)內(nèi)外的研究者利用這一技術(shù)已成功獲得多種短肽配基并且已經(jīng)廣泛用于抗體的親和色譜分離[39]．表 3列出了應(yīng)用噬菌體展示肽庫(kù)技術(shù)篩選獲得的部分親和短肽配基．例如，Ehrlich等[40]利用噬菌體展示隨機(jī)肽庫(kù)技術(shù)建立了兩個(gè)噬菌體庫(kù)(七肽庫(kù)和十二肽庫(kù))，以抗體的 Fc片段為靶標(biāo)分別篩選了上述肽庫(kù)，從 34億個(gè)隨機(jī)序列中獲得了多肽EPIHRSTLTALL，合成后作為親和配基分離獲得了高純度人 IgG 單克隆抗體．針對(duì)單克隆抗體 3-E7，Cwirla等[41]利用噬菌體展示技術(shù)經(jīng)過三輪篩選得到了51個(gè)含酪氨酸的六肽配基．實(shí)驗(yàn)測(cè)得其中6個(gè)配基與目標(biāo)蛋白質(zhì)之間的結(jié)合常數(shù)在 0.35～8.3μmol/L之間．

表3 應(yīng)用生物展示肽庫(kù)技術(shù)篩選獲得的親和短肽配基Tab. 3 Some peptide affinity ligands for antibody purification using biological display technology

噬菌體展示肽庫(kù)雖然已用于抗體親和短肽配基的篩選，但該技術(shù)尚存在如下三個(gè)缺點(diǎn)：(1)DNA的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率直接限制了噬菌體展示肽庫(kù)容量的上限為1010[50]；(2)噬菌體宿主細(xì)胞對(duì)多肽的種類也有一定的選擇性，從而使一些性能良好的多肽因?yàn)閷?duì)宿主生長(zhǎng)不利或具有毒性而首先被排除；(3)一些多肽作為噬菌體外鞘蛋白的一部分時(shí)具有很高的親和性. 但當(dāng)把該多肽合成并固定化后，其親和作用力會(huì)大大降低甚至完全消失[51]．

1.3 核糖體展示肽庫(kù)篩選技術(shù)

核糖體展示肽庫(kù)技術(shù)是另外一種利用生物技術(shù)構(gòu)建體外肽庫(kù)的方法[52]．由于該技術(shù)采用無細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、翻譯和選擇的方法，從而有效克服了噬菌體展示技術(shù)的上述缺點(diǎn)．圖 3為利用核糖體展示肽庫(kù)技術(shù)篩選親和短肽配基的示意圖．從圖 3可以看出：首先通過聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增目的基因的 DNA文庫(kù)(圖3A)，同時(shí)加入T7啟動(dòng)子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)和莖環(huán)結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)錄成 mRNA(圖 3B)[53]．上述 DNA 文庫(kù)可以利用化學(xué)合成的方法獲得．將上述DNA文庫(kù)在無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)中孵育，使目的基因的翻譯肽鏈展示在核糖體表面，形成“mRNA-核糖體-多肽”三元復(fù)合物，構(gòu)成核糖體展示的短肽庫(kù)(圖 3C)．然后采用常規(guī)的酶聯(lián)免疫分析方法從混合物中篩選出與目標(biāo)抗體具有較高親和性短肽的核糖體三聚體(圖3D)．最后通過調(diào)節(jié)溶液使核糖體三聚體解離而釋放mRNA(圖 3E)．后者經(jīng)純化后作為模板進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)得到富集DNA(圖3A)．最后經(jīng)過多輪展示和富集，將最終得到的 DNA進(jìn)行測(cè)序分析即可確定與目標(biāo)蛋白具有較高親和性的短肽的氨基酸序列．

與噬菌體展示這一類的體內(nèi)展示方法相比，核糖體展示技術(shù)具有建庫(kù)簡(jiǎn)單、庫(kù)容量大(高達(dá) 1013～1015)、分子多樣性強(qiáng)、易于添加非天然氨基酸和短肽環(huán)化等優(yōu)點(diǎn)[54-55]．由于核糖體展示技術(shù)沒有選擇壓力的限制，從而可以大大提高該技術(shù)的庫(kù)容量和分子多樣性．利用該技術(shù)非常容易進(jìn)行后續(xù)的體外重組和突變，以進(jìn)一步提高活性．此外，利用該方法可篩選有細(xì)胞毒性的多肽[56]．例如，Yonezawa等[57]以單克隆抗體anti-FLAG M2為目標(biāo)蛋白，篩選獲得了高親和性短肽FLAG．該研究表明核糖體展示能在一天內(nèi)完成兩輪篩選，且篩選周期更短，是一種快速篩選的有效方法．Lamla等[58]也采用同樣方法從含 2×1013條序列的核糖體展示肽庫(kù)中篩選鏈霉親和素的親和肽配基，所得到的九肽配基的解離常數(shù)為17nmol/L，其親和力是已有九肽配基 Strep-tagⅠ和Strep-tagⅡ的1000倍以上．

圖3 利用核糖體展示技術(shù)體外篩選高親和性短肽配基的示意圖Fig. 3 Screening high affinity short peptide ligands in vitro with ribosome display technology

2 抗體親和短肽配基的理性設(shè)計(jì)

前述的組合化學(xué)合成肽庫(kù)技術(shù)、噬菌體和核糖體展示技術(shù)的建立分別從化學(xué)和生物學(xué)的角度推動(dòng)了組合庫(kù)構(gòu)建方法和篩選技術(shù)的迅速發(fā)展，使大容量肽庫(kù)的快速構(gòu)建和篩選成為可能，但利用這些篩選技術(shù)獲得短肽配基均存在工作量大、篩選靈敏度差和容易遺漏等缺點(diǎn)．因此，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在抗體及其已有配基的三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)高效的親和短肽配基就成為更加快速的獲得高親和性短肽配基的有效方法．利用分子模擬軟件可以對(duì)短肽與目標(biāo)蛋白之間的親和性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而能夠提高合成短肽的命中率，減少短肽的合成數(shù)目，雙向降低合成與篩選的成本，從而大大縮短開發(fā)周期．因此，借助于分子模擬技術(shù)，親和短肽配基的理性設(shè)計(jì)整合了抗體的結(jié)構(gòu)特異性和合成肽配基在穩(wěn)定性方面的各種優(yōu)點(diǎn)，為高親和性肽配基的設(shè)計(jì)提供了一種全新思路．

近年來，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展使研究者能夠從微觀角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)-肽配基之間的作用模式，以及結(jié)合過程中作用力和能量的變化，這些均為高親和性肽配基的開發(fā)提供了一條新的途徑.在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)上，近年來分子模擬軟件得到了快速發(fā)展．基于先進(jìn)的分子圖形學(xué)技術(shù)，利用分子模擬技術(shù)能在三維水平上了解短肽的分子結(jié)構(gòu)和各種重要的理化性質(zhì)，如靜電勢(shì)和疏水性等與所期望的宏觀性質(zhì)、親和性之間的定量關(guān)系．理性設(shè)計(jì)親和短肽配基的研究歷史雖然僅有十余年，但其發(fā)展對(duì)于親和色譜技術(shù)在抗體分離純化過程中的應(yīng)用具有重要的意義．表 4列出了部分應(yīng)用分子模擬技術(shù)理性設(shè)計(jì)獲得的親和短肽配基．目前常用的抗體短肽配基理性設(shè)計(jì)方法有：基于結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法、基于功能的理性設(shè)計(jì)方法和理性設(shè)計(jì)結(jié)合組合庫(kù)技術(shù)方法．

表4 應(yīng)用分子模擬技術(shù)理性設(shè)計(jì)獲得的部分親和短肽配基Tab. 4 Some peptide affinity ligands for antibody purification using molecular simulation method

2.1 基于結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法

基于結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法是在抗體三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分子模擬軟件虛擬篩選或開發(fā)獲得與抗體具有較高親和力的短肽配基．近年來，生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和分子模擬技術(shù)的飛速發(fā)展為抗體功能和三維結(jié)構(gòu)的解析提供了更為廣闊的平臺(tái)．截至2018年6月，已有3142個(gè)抗體的三維結(jié)構(gòu)信息通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，這些信息都存儲(chǔ)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Protein Data Bank，PDB)(http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)中，供全世界的研究人員免費(fèi)使用．這些抗體的三維結(jié)構(gòu)為抗體短肽配基的理性設(shè)計(jì)提供了便利，使其成為更加快速地獲得抗體高親和性短肽配基的有效方法．基于目標(biāo)抗體三維結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法一般包括以下步驟：

(1)通過蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)下載或同源建模的方法獲得目標(biāo)抗體的三維結(jié)構(gòu)信息．

(2)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或分子模擬軟件分析找到潛在的配基結(jié)合位點(diǎn)(基于抗體結(jié)構(gòu)的特殊性，一般的抗體的配基結(jié)合位點(diǎn)為Fc片段)．

(3)下載或建立一個(gè)含有大量候選分子的短肽數(shù)據(jù)庫(kù)．

(4)利用分子對(duì)接軟件(FlexX、Dock和 Autodock等)對(duì)上述短肽庫(kù)進(jìn)行虛擬篩選，并利用打分函數(shù)評(píng)價(jià)各配基與目標(biāo)抗體之間的親和性，獲得與目標(biāo)抗體有較高親和性的短肽配基．

(5)利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件(Gromacs、Charmm和 Amber等)進(jìn)一步驗(yàn)證上述虛擬篩選獲得的短肽配基和抗體Fc片段之間的親和性．

(6)然后利用分子顯示分析軟件評(píng)價(jià)所獲得的配基和目標(biāo)抗體之間的親和性．

(7)最后利用親和色譜實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上述配基與目標(biāo)蛋白質(zhì)之間的親和性．

利用基于目標(biāo)抗體三維結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法篩選抗體親和配基的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果．例如，Wang等[62]結(jié)合柔性分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法從含 128個(gè)短肽配基的肽庫(kù)中篩選獲得了人IgG的四肽配基YFRH．利用該配基從CHO細(xì)胞培養(yǎng)液中分離純化獲得純度達(dá) 98%的單克隆抗體．Wei等[63]利用分子對(duì)接在 hIgG三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出三種新型的四肽配基 DWHW、CEWW 和HEYW；并利用DWHW配基從cMEM和CHO細(xì)胞培養(yǎng)液中分離獲得高純度的抗體 IgG．在蛋白 A結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用仿生設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了一個(gè)八肽庫(kù)，然后依次利用半柔性分子對(duì)接、柔性分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法篩選獲得了 FYWHCLDE配基，并利用固定化該配基的親和色譜柱，從人血清中分離獲得高純度的人IgG[65]．

2.2 基于功能的理性設(shè)計(jì)方法

基于功能的理性設(shè)計(jì)方法是在自然界中存在的親和作用體系的基礎(chǔ)上，利用已知的配體或抑制劑的功能基團(tuán)來設(shè)計(jì)新的親和配基[66]．例如，通過研究目標(biāo)蛋白的底物、抑制劑或輔酶的形狀或物理化學(xué)性質(zhì)，如疏水性、靜電勢(shì)等來設(shè)計(jì)一種與目標(biāo)蛋白具有高親和性的配基．若目標(biāo)蛋白的活性部位所暴露的殘基已知，也可以根據(jù)理化性質(zhì)互補(bǔ)的原則，如鎖鑰模式；或引進(jìn)一些特殊的功能基團(tuán)來理性設(shè)計(jì)配基[67]．因此，基于功能的理性設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是在經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上模仿自然界中存在的配體．例如，芐脒基團(tuán)常被用來作為配基來分離純化胰蛋白酶類蛋白酶[68]．Platis等[69]以鎖鑰原理為基礎(chǔ)，理性設(shè)計(jì)了人艾滋病毒單克隆抗體 2F5的親和配基，同時(shí)利用親和色譜實(shí)驗(yàn)證明了該配基與目標(biāo)蛋白具有較高的親和力．

利用基于功能的理性設(shè)計(jì)方法，理性設(shè)計(jì)肽配基有以下兩種途徑：一種途徑是通過研究與目標(biāo)抗體具有較高親和性的蛋白質(zhì)(如抗原、蛋白 A、蛋白 G 和蛋白 L等)的形狀或理化性質(zhì)(如疏水性和靜電勢(shì))，設(shè)計(jì)與目標(biāo)抗體具有高親和性的配基；另一種途徑是在目標(biāo)抗體的活性部位所暴露殘基的基礎(chǔ)上，根據(jù)理化性質(zhì)互補(bǔ)的原則或引進(jìn)一些特殊的功能基團(tuán)，理性設(shè)計(jì)短肽配基．因此，該方法的實(shí)質(zhì)是在經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上模仿自然界中存在的配體．例如，Palombo等[64]在蛋白 A結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)獲得了短肽配基TG19318，從腹水粗提液中分離獲得 IgE．由于三嗪類基團(tuán)與糖蛋白上的糖鏈部分有較強(qiáng)的親和作用，因此基于三嗪類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多種親和配基用于抗體分離[70]．

2.3 結(jié)合理性設(shè)計(jì)和組合庫(kù)技術(shù)的方法

理性設(shè)計(jì)的成功率雖然很高，但該方法必須依賴于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)-功能之間關(guān)系的深入了解．由于目前很多目標(biāo)抗體缺乏結(jié)構(gòu)-功能的信息，從而大大限制了該方法在親和肽配基設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用．組合庫(kù)技術(shù)雖然可以不用考慮目標(biāo)抗體的結(jié)構(gòu)與功能，但是利用該方法需要建立大容量的短肽庫(kù)和高效靈敏的篩選方法．基于上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合理性設(shè)計(jì)和組合庫(kù)技術(shù)的方法被廣泛用于親和短肽配基的篩選和設(shè)計(jì)[71]．該方法在組合庫(kù)技術(shù)的基礎(chǔ)上加入理性設(shè)計(jì)的元素，使庫(kù)容量大大降低，從而極大降低后期的篩選工作量和篩選成本，同時(shí)能夠提高篩選命中率．因此，與組合庫(kù)篩選技術(shù)理性設(shè)計(jì)兩種方法相比，基于目標(biāo)抗體及其現(xiàn)有配體結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上更加高效．結(jié)合理性設(shè)計(jì)和組合庫(kù)技術(shù)的配基篩選過程一般包括以下步驟：

(1)在抗體或其自然配基三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上選擇合適的結(jié)合位點(diǎn)．

(2)利用分子模擬軟件理性設(shè)計(jì)一些與目標(biāo)蛋白結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)互補(bǔ)的氨基酸片段．

(3)以這些氨基酸片段為先導(dǎo)利用組合庫(kù)技術(shù)來合成一系列的候選化合物．

(4)以目標(biāo)抗體為靶標(biāo)篩選與其具有高親和性的短肽配基．

(5)合成該配基，固定化后制得親和層析柱，利用其來分離目標(biāo)蛋白；若其分離效果不佳，重復(fù)第(4)步進(jìn)行重新篩選．

首先利用計(jì)算機(jī)的分子模擬技術(shù)獲得抗體或其自然配基的盡可能詳盡的結(jié)構(gòu)信息，把合成的注意力更多地集中在具有相關(guān)結(jié)構(gòu)或化學(xué)特性的潛在短肽配基上，以此構(gòu)成一個(gè)小規(guī)模的短肽配基庫(kù)用于實(shí)驗(yàn)篩選，研究人員可以從中獲得親和性較高的短肽配基；同時(shí)，通過分析篩選結(jié)果與短肽配基結(jié)構(gòu)的定性關(guān)系獲得一些更為直觀的經(jīng)驗(yàn)，用于指導(dǎo)短肽配基化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化．由于單純的規(guī)?；Y選目的性不強(qiáng)，篩選結(jié)果很大程度上取決于所建肽庫(kù)的容量和質(zhì)量；而單純的計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)過程不能將隨后的短肽配基固定化過程以及復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境、動(dòng)態(tài)的結(jié)合模式等諸多可變因素考慮在內(nèi)[26]．目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能信息與組合短肽配體庫(kù)和高效篩選方法的結(jié)合，在很大程度上彌合了經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際過程之間的偏差，這種設(shè)計(jì)思路將對(duì)親和色譜的規(guī)?；瘧?yīng)用產(chǎn)生積極的影響．

2005年，Roque等[72]首先利用分子模擬工具分析了蛋白 L和人抗體輕鏈之間的相互作用，利用理性設(shè)計(jì)的方法獲得了與抗體或其小片段(Fab或scFv)具有親和作用的12個(gè)先導(dǎo)化合物分子，然后利用固相合成技術(shù)生成一個(gè)化合物庫(kù)，通過篩選獲得與目標(biāo)蛋白具有高親和性的化合物．合成并固定化該化合物制得親和層析柱，用于人免疫球蛋白 G木瓜蛋白酶消化液中 Fab的分離純化，純度達(dá)到 96%～98%．

由于線性短肽易于被蛋白酶降解，尤其是利用親和短肽配基從動(dòng)物血漿等含有多種蛋白酶的樣品中分離純化抗體，該問題更加嚴(yán)重．雖然通過添加一些蛋白酶抑制劑能緩解該問題，但由于這些抑制劑價(jià)格較貴且后期需要從抗體中進(jìn)一步去除，這都會(huì)提高抗體生產(chǎn)的成本．因此，將易于被蛋白酶降解的線性肽改造成含有非天然氨基酸或擬肽可以有效解決上述問題．環(huán)形肽具有非常好的穩(wěn)定性和抗蛋白酶解的能力，已被廣泛用作抗體的親和配基．Dias等[49]基于組合肽庫(kù)和理性設(shè)計(jì)方法在 Fc-Ⅲ的 N-和 C-端引入D-Pro-L-Pro得到 FcBP-2環(huán)肽，從而形成雙環(huán)的結(jié)構(gòu)．結(jié)果表明，F(xiàn)cBP-2與IgG的親和性提高80倍以上．但由于 D-Pro不能固定化到介質(zhì)上，因此 N-和C-端環(huán)化不能用于固相多肽合成，從而制約其工業(yè)化應(yīng)用．為了克服上述缺點(diǎn)，Gong等[73]在FcBP-2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上利用一個(gè)二硫鍵來替代 D-Pro-L-Pro，獲得環(huán)肽 Fc-Ⅲ-4C(氨基酸序列為 DCAWHLGELVWCT)．結(jié)果表明，利用Fc-Ⅲ-4C與IgG的親和性比Fc-Ⅲ提高30倍以上．

3 總結(jié)和展望

抗體在治療炎癥、腫瘤和傳染類疾病等方面應(yīng)用廣泛．由于抗體表達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，下游的分離純化已成為整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵步驟．由于具有高選擇性和高特異性等優(yōu)點(diǎn)，親和色譜技術(shù)是工業(yè)制備高純度抗體的主要手段之一．目前親和色譜技術(shù)的應(yīng)用瓶頸在于缺少合適的親和配基．由于短肽配基具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、易于從抗體產(chǎn)品中分離、與抗體的作用條件溫和從而避免目標(biāo)抗體的變性等優(yōu)點(diǎn)，親和短肽配基已廣泛用于抗體分離純化．

近年來，隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù)(如晶體衍射、核磁共振和低溫電鏡技術(shù)等)的快速發(fā)展，越來越多的抗體及其復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)被解析，親和短肽配基理性設(shè)計(jì)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用．但是該技術(shù)目前尚有一些關(guān)鍵問題亟待解決．

首先，短肽配基與目標(biāo)抗體之間親和作用力的精確計(jì)算．目前主要使用分子對(duì)接方法來篩選與目標(biāo)抗體有較高親和性的短肽配基，因此虛擬篩選的效率與所用分子對(duì)接所用打分函數(shù)的準(zhǔn)確性密切相關(guān).只有準(zhǔn)確判定短肽配基與目標(biāo)抗體之間的親和性，才能大大提高虛擬篩選的成功率．現(xiàn)有分子對(duì)接軟件大多采用經(jīng)驗(yàn)性力場(chǎng)來預(yù)測(cè)短肽與目標(biāo)抗體之間的親和作用力，而目前的經(jīng)驗(yàn)性力場(chǎng)的準(zhǔn)確度有待提高，因此如何準(zhǔn)確判定短肽配基與目標(biāo)抗體之間的親和性是制約短肽配基理性設(shè)計(jì)發(fā)展的主要問題之一．目前已開發(fā)出一些方法，如自由能微擾和分子力學(xué)-帕松波爾茨曼表面積計(jì)算等[74]用于計(jì)算抗體-短肽配基之間的結(jié)合自由能，并獲得了比較精確的結(jié)果.

其次，分子模擬過程中對(duì)抗體柔性的處理．現(xiàn)有的絕大多數(shù)分子對(duì)接軟件僅考慮配基的柔性，而將抗體看成剛性的；而實(shí)際的短肽-抗體結(jié)合和解離過程中，短肽和抗體均是柔性的．因此，這種近似處理在一定程度上會(huì)給基于分子對(duì)接方法的理性設(shè)計(jì)造成很大的誤差．雖然已有研究將分子動(dòng)力學(xué)模擬和分子對(duì)接結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)在對(duì)接過程中同時(shí)考慮配基和受體的柔性[75-76]，但由于分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算量較大，從而僅使用該方法不利于大規(guī)模篩選短肽配基[77]．將蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對(duì)接技術(shù)(如 HADDOCK軟件[78])以及基于此技術(shù)開發(fā)的相應(yīng)的打分函數(shù)(dMMPBSA[79])應(yīng)用于短肽配基-抗體之間的親和作用力評(píng)價(jià)會(huì)極大解決上述問題．

由于現(xiàn)有分子模擬技術(shù)存在上述問題，因此目前理性設(shè)計(jì)的親和肽配基的成功率仍然較低．例如，本研究室開發(fā)的仿生設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)獲得的15個(gè)短肽配基．利用親和色譜實(shí)驗(yàn)證明只有 5個(gè)短肽能夠作為配基用于抗體的分離，另外 10條短肽配基與抗體之間的親和力比較弱，所以不能直接用于抗體的親和分離[80]．因此，單純利用分子模擬來設(shè)計(jì)親和短肽配基的成功率還比較低．但隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是分子模擬基本原理的飛速發(fā)展，分子模擬現(xiàn)存的上述問題將逐步得到解決，理性設(shè)計(jì)作為一種新興的技術(shù)，必將在親和肽配基的開發(fā)方面應(yīng)用得越來越廣泛，從而為抗體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量．