PD-1与单克隆抗体残基特异性结合机制的计算丙氨酸扫描研究

doi:10.7503/cjcu20210245

摘要/Abstract

摘要：

通过分子动力学模拟检测了2种程序性细胞死亡蛋白（PD-1）/单克隆抗体(Pembrolizumab和Nivolumab)复合物, 并使用高效的计算丙氨酸扫描方法预测了单抗与PD-1的结合热点, 将它们与对PD-1/PD-L1结合重要的热点残基进行对比分析. 结果显示, Pembrolizumab以类似于PD-L1的方式与PD-1结合, 而Nivolumab则以不同的方式与PD-1结合. 2个PD-1/mAb复合物中共有的热点只有_PD-1K131. 同时发现, 与_PD-1K131结合的单抗的关键残基通常都受范德华(vdW)能量控制. 2种单克隆抗体上热点的自由能贡献都以vdW能量为主, 这表明在下一代PD-1新抗体的设计中需要提高静电型热点残基的数量.

关键词: 程序性细胞死亡蛋白, 丙氨酸扫描计算, 单克隆抗体, 分子力学广义波恩表面积, 相互作用熵

Abstract:

Molecular dynamics simulations were conducted on two PD-1/monoclonal antibody（pembrolizu-mab， nivolumab） complexes separately. The binding hotspots of the monoclonal antibody（mAb） and PD-1 were predicted by using efficient computational alanine scanning method. The comparation between the predicted hotspots and the important residues in PD-1/PD-L1 complex shows that pembrolizumab combines with PD-1 in a way similar to PD-L1， while nivolumab combines with PD-1 in a more different way by N-loop. _PD-1K131 is the only hotspot shared by the two PD-1/mAb complexes. It is also found that key residues of mAbs binding to _D-1K131 are similarly dominated by van der Waals（vdW） energy. Furthermore， hotspots on both the monoclonal antibodies are dominated by vdW energy， indicating a demand to improve the contributions of electrostatic energy. The present work provides important insights for the design of new mAbs targeting PD-1.

Key words: PD-1, Computational alanine scanning, Monoclonal antibodies, MM/GBSA, Interaction entropy

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 9

Table 1 Computational alanine scanning result for the PD-1/pembrolizumab system

Species	Chain	Mutation	ΔΔE_vdW/（kJ·mol^-1）	ΔΔE_ele/ （kJ·mol^-1）	ΔΔG_gb/ （kJ·mol^-1）	ΔΔG_np/（kJ·mol^-1）	ΔΔH/ （kJ·mol^-1）	-TΔΔS/（kJ·mol^-1）	ΔΔG/ （kJ·mol^-1）	SD^*
PD?1	Z	D85A	-3.13	85.36	-56.39	-0.04	25.79	-9.24	16.55	1.30
	Z	R86A	23.99	-42.89	37.87	2.30	21.28	-6.15	15.13	4.56
	Z	L128A	18.35	0.46	-3.64	0.29	15.47	-1.59	13.88	0.92
	Z	K131A	14.59	48.53	-44.10	3.43	22.45	-9.82	12.62	3.30
	Z	Q75A	13.88	7.23	-7.61	1.63	15.13	-3.68	11.45	5.23
	Z	I126A	13.54	-0.54	-1.34	-0.13	11.49	-1.25	10.24	1.21
	Z	K78A	10.12	-31.35	35.74	-0.33	14.21	-4.93	9.24	0.42
	Z	V64A	8.53	0.42	-0.29	-0.25	8.36	-0.54	7.82	1.0
	Z	N66A	7.27	5.69	-3.64	-0.29	8.99	-1.38	7.65	1.46
	Z	Q88A	8.65	-6.40	6.10	-0.04	8.28	-1.09	7.19	1.09
	Z	Y68A	7.48	0.54	-1.17	0.08	6.90	-0.50	6.40	1.08
Pembrolizumab	A	F103A	27.04	1.63	-2.34	0.50	26.84	-2.22	24.62	1.13
	A	Y33A	18.77	11.24	-5.81	0.29	24.49	-1.84	22.66	0.42
	A	R102A	24.24	-17.77	14.88	1.88	23.24	-5.48	17.77	2.88
	A	M105A	17.77	4.51	-6.90	0.21	15.55	-3.01	12.54	4.51
	B	Y34A	15.72	7.19	-10.62	1.88	14.21	-2.72	11.49	0.88
	A	N59A	12.58	8.61	-9.03	-0.04	12.12	-1.97	10.16	0.88
	A	Y101A	13.46	4.35	-7.48	2.01	12.33	-2.30	10.03	2.22
	B	Y57A	11.16	5.10	-6.31	1.38	11.37	-2.51	8.86	2.59
	B	Y36A	8.53	14.96	-13.67	0.21	10.03	-2.88	7.15	4.22
	B	Y53A	7.48	14.59	-12.83	0.25	9.49	-3.22	6.27	1.59
	A	Y35A	5.27	11.66	-8.19	-0.50	8.23	-2.01	6.19	0.50
	B	R96A	10.58	-30.47	27.17	0.92	8.19	-2.84	5.39	2.97
	A	D100A	3.51	28.01	-24.87	0.08	6.69	-1.34	5.39	0.96
	A	N52A	5.89	9.74	-9.49	0.04	6.23	-1.51	4.72	2.21

Fig.1 RMSDs of the heavy atoms in backbone of the PD?1/pembrolizumab(A) and PD?1/nivolumab(B) complexes relative to the initial crystal structures5 Trajectories were ran with 22 ns each for a total of 110 ns for each system.

Fig.2 RMSFs of the Cα atoms calculated from the 22 ns trajectory of PD?1/pembrolizumab(A1—A3) and PD?1/nivolumab(B1—B3) trajectories(A1) PD-1; (A2) pembrolizumab-A; (A3) pembrolizumab-B; (B1) PD-1; (B2) nivolumab-H; (B3) nivolumab-L.The hot spots predicted by MM/GB/ASIE method are labeled in blue.

Fig.3 Hot spots predicted on PD?1 in two PD?1/mAb systems compared and arranged according to the sequence of residues on PD?1(A) and the superposition diagram of two PD?1/mAb complexes(PD?1/pembrolizumab and PD?1/nivolumab)(B)（A） The overlapped binding region（FG-loop in PD-1） with pembrolizumab and nivolumab is circled by the red dotted line； the blue dotted line circles the C′ sheet and C′D-loop regions that specifically bind to pembrolizumab； the red dotted line circles the N-loop region that specifically binds to nivolumab. The black horizontal dotted line indicates the distinguishing value between hotspot and warm spot. （B） PD-1（except C′D-loop， C′sheet and FG-loop） in PD-1/pembrolizumab is in white and PD-1 in PD-1/nivolumab is in cyan. The heavy chain and light chain of pembrolizumab are palegreen cartoons and those of nivolumab are in wheat. C′D-loop， C′sheet and FG-loop on PD-1 in PD-1/pembrolizumab complex are in deeppurple， deepolive and deepblue， respectively. N-loop on PD-l in PD-1/nivolumab is in light blue. The color of tags in these regions is the same as that of residues in cartoon form.

Fig.4 Details of the interaction of hotspots and warm spots at the PD?1/pembrolizumab(A) and PD?1/nivolumab(B) interfaces（A） Predicted spots are colored according to their location： on PD-1， red； on heavy chain of mAb， green； on light chain of mAb， cyan. Predicted residues are also colored by ΔΔG values： darker color for hot spots（typically defined as > 8.37 kJ/mol）； lighter color for warm spots， 4.18 kJ/mol to 8.37 kJ/mol. For clarity， the surface of PD-1 is demonstrated and that of mAb is hidden. The PD-L1 residues are labeled in black font and are colored on the surface， and the mAb residues are labeled in white font and are represented as sticks. The atom coloring style is red for oxygen and blue for nitrogen.

Table 2 Computational alanine scanning result for the PD-1/nivolumab system

Species	Chain	Mutation	??E_vdW/（kJ·mol^-1）	??E_ele/ （kJ·mol^-1）	??G_gb/ （kJ·mol^-1）	??G_np/ （kJ·mol^-1）	??H/ （kJ·mol^-1）	-T??S/（kJ·mol^-1）	??G/ （kJ·mol^-1）	SD^*
PD?1	G	K131A	22.82	12.04	-15.13	2.72	22.45	-7.32	15.13	4.56
	G	P28A	13.54	0.17	-3.72	0.67	10.62	-0.75	9.91	1.34
	G	P130A	11.70	1.76	-3.68	0.50	10.28	-1.21	9.07	1.71
	G	R30A	14.38	-34.78	31.89	1.25	12.75	-4.51	8.23	3.47
	G	L25A	14.88	1.42	-9.28	2.13	9.15	-1.17	7.98	1.80
	G	D29A	6.35	60.44	-54.72	0.46	12.54	-6.48	6.06	1.42
	G	E61A	5.56	74.74	-71.19	0.75	9.86	-4.93	4.93	3.80
Nivolumab	H	Y53A	14.96	3.85	-4.77	1.55	15.59	-1.63	13.96	0.67
	L	Y49A	13.71	6.27	-7.98	1.42	13.42	-2.05	11.33	1.80
	H	Y102A	11.12	2.51	-3.97	1.46	11.12	-0.92	10.20	4.60
	H	W52	24.79	6.27	-14.92	1.30	21.61	-7.65	9.78	2.55
	L	L46A	9.82	-1.59	0.08	-0.42	7.90	-0.71	7.23	1.05
	H	N99A	6.98	25.67	-20.73	0.59	12.54	-5.48	7.02	2.04
	H	N31A	7.48	22.20	-20.15	0.79	10.32	-4.68	5.64	0.71

Fig.5 Composition of free energy contribution for hotspots and warm spots predicted by MM/GB/ASIE method（A） Pembrolizumab；（B） nivolumab. Hydrophobic item（vdW） is plotted in black and polar item（ELE+GB） is plotted in green. Enthalpy item and entropy item are plotted in yellow and red， respectively.

Fig.6 Hot and warm spots predicted on the PD?1/pembrolizumab(A) and PD?1/nivolumab(B)The residues on heavy chain of mAbs are in black, and residues on light chain of mAbs are in blue. The black horizontal dotted line indicates the value of hotspot.

Table 3 Residues on the mAbs interacting with the only overlapping hotspots PD-1K131 and their main interaction types and the spot types of themselves

Species	Residue		Interaction	Spot type（mAb）
Species	PD?1	mAb	Interaction	Spot type（mAb）
PD?1/pembrolizumab	_PD?1K131	Y57	cation?π（vdW）	Hot
	_PD?1K131	Y53	cation?π（vdW）	Warm
	_PD?1K131	D110	Electrostatic	Warm
PD?1/nivolumab	_PD?1K131	_LY49	cation?π（vdW）	Hot
	_PD?1K131	_HY102	cation?π（vdW）	Hot

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