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Nat Commun:中科院微生物所严景华和高福研究组揭示PD-1靶向性肿瘤治疗抗体药物nivolumab作用机制

摘要 : 2017年2月6日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院微生物研究所微生物生理与代谢工程重点实验室严景华研究员与病原微生物与免疫学重点实验室研究员高福合作的研究论文。

2017年2月6日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院微生物研究所微生物生理与代谢工程重点实验室严景华研究员与病原微生物与免疫学重点实验室研究员高福合作的题为An unexpected N-terminal loop in PD-1 dominates binding by nivolumab 的研究论文。微生物所博士谭曙光、柴彦,以及微生物所与安徽大学联合培养硕士研究生张浩为论文第一作者,严景华研究员和高福院士为论文共同通讯作者。

近年来,癌症免疫疗法研究为人类征服癌症带来了新的希望,其中最受关注的PD-1/PD-L1免疫疗法通过阻断PD-1/PD-L1信号通路,激活T 细胞活性,利用人体自身的免疫系统来控制癌症。百时美-施贵宝公司开发的PD-1靶向性抗体药物nivolumab在临床应用中获得了令人鼓舞的疗效,2014年12月获得美国食品药品监督管理局(FDA)加速批准,用于黑色素瘤及非小细胞肺癌等恶性肿瘤的治疗。为阐明nivolumab详细的作用位点及作用机制,指导nivolumab临床应用及新的靶向PD-1药物研发,该研究对nivolumab阻断PD-1/PD-L1相互作用模式以及PD-1蛋白糖基化修饰对其结合nivolumab的影响进行了系统研究,并比较了目前仅有的两个已上市PD-1靶向性抗体药物nivolumab和pembrolizumab在与PD-1相互作用中的竞争/协同作用。

通过解析nivolumab与PD-1复合物晶体结构,发现位于PD-1分子胞外免疫球蛋白功能域外的N端loop区域(N-loop)介导了其与nivolumab主要的氢键相互作用,而通过表面等离子共振技术(SPR)分析nivolumab与PD-1的亲和力,发现N-loop缺失的PD-1完全丧失了与nivolumab结合的能力,因此,N-loop在PD-1与nivolumab相互作用中发挥了至关重要的作用。Nivolumab的临床前研究报告表明其与PD-1的结合可能依赖于PD-1的糖基化修饰,而肿瘤细胞内源性表达的PD-1可能会由于糖基转移酶功能异常而导致PD-1糖基化修饰异常,从而使得nivolumab治疗效果受到影响,因此,研究人员对PD-1的糖基化修饰情况及其对nivolumab相互作用的影响进行了研究。在PD-1的结构中能够观察到其第58位天冬酰胺糖基化修饰位点的糖链修饰,然而通过SPR实验对nivolumab与PD-1的4个N-糖基化位点分别突变后蛋白的亲和力检测显示其与野生型PD-1蛋白亲和力并无显著差异。不仅如此,nivolumab与无糖基修饰能力的原核细胞及差异性糖基修饰的昆虫细胞表达的PD-1之间相互作用的亲和力与哺乳动物细胞表达产生的PD-1无显著差异,表明nivolumab与PD-1的相互作用并不依赖于PD-1的糖基化修饰。通过nivolumab和pembrolizumab与PD-1相互作用模式的比较发现,二者结合PD-1不同区域,尽管其在PD-1上的结合面相互紧邻,但二者并未发生交互重叠。通过OCTEC对二者竞争/协同结合特性进行分析表明,PD-1结合niovlumab后不能再有效结合pembrolizumab,反之亦然。因此,尽管nivolumab和pembrolizumab结合PD-1的不同区域,其结合PD-1后产生的空间位阻对于进一步结合另一个抗体具有一定空间位阻效应。

图注:nivolumab与PD-1的相互作用及其与pembrolizumab作用模式比较

原文链接:

An unexpected N-terminal loop in PD-1 dominates binding by nivolumab

原文摘要:

Cancer immunotherapy by targeting of immune checkpoint molecules has been a research ‘hot-spot’ in recent years. Nivolumab, a human monoclonal antibody targeting PD-1, has been widely used clinically since 2014. However, the binding mechanism of nivolumab to PD-1 has not yet been shown, despite a recent report describing the complex structure of pembrolizumab/PD-1. It has previously been speculated that PD-1 glycosylation is involved in nivolumab recognition. Here we report the complex structure of nivolumab with PD-1 and evaluate the effects of PD-1 N-glycosylation on the interactions with nivolumab. Structural and functional analyses unexpectedly reveal an N-terminal loop outside the IgV domain of PD-1. This loop is not involved in recognition of PD-L1 but dominates binding to nivolumab, wheras N-glycosylation is not involved in binding at all. Nivolumab binds to a completely different area than pembrolizumab. These results provide the basis for the design of future inhibitory molecules targeting PD-1.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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