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關(guān)于病毒免疫方面抗原表位預(yù)測的經(jīng)驗分析 已有15人參與
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本人也正在做這方面的工作,因為是初次接觸免疫學(xué)放面的知識,一路坎坷。查了不少這方面的東東,與你分享一下吧,不知是否有幫助?都是從各文獻總結(jié)的。 1、B細(xì)胞表位預(yù)測對于多種免疫學(xué)研究是必不可少的。針對不同的蛋白,應(yīng)選擇不同的方法。一般來說,蛋白質(zhì)的C端具有較好的親水性、表面可及性和柔性,所以是很好的抗原決定簇區(qū)域。本課題選用的蛋白質(zhì)C-末端序列標(biāo)簽都是唯一的、或是其家族中的幾個成員所共有的。在人蛋白質(zhì)中,約81%的蛋白質(zhì)其C末端的5個氨基酸殘基的小肽是該蛋白質(zhì)所特有的,制備針對蛋白質(zhì)C末端小肽的抗體,常常能得到特異性識別該全蛋白的抗體。另外,蛋白的二級結(jié)構(gòu)是B細(xì)胞表位計算機預(yù)測的重要參數(shù)之一,β轉(zhuǎn)角為凸出結(jié)構(gòu),多出現(xiàn)在蛋白質(zhì)抗原表面,有利于與抗體結(jié)合,較可能成為抗原表位。而α螺旋和β折疊結(jié)構(gòu)規(guī)則不易變形,較難結(jié)合抗體,一般不作為抗原表位。含有5個以上的氨基酸殘基的轉(zhuǎn)角又常稱為環(huán)(loop)。以往的研究表明,蛋白表面的loop區(qū)可能為功能性抗體的識別位點,特異性好,可及性強。本課題選用的HPO、G-CSF、HSA空間結(jié)構(gòu)已明確,所以直接選擇loop區(qū)或無規(guī)卷曲作為B細(xì)胞表位。 舉例: 人Pif1基因編碼至少兩種蛋白亞型,分子量分別為74kDa和80kDa,與酵母具有高度的同源性,α型和β型Pif1只有C末端不同[20],其余部分完全相同,并且二者的C末端在蛋白數(shù)據(jù)庫中都是唯一的,選擇α型和β型的C末端作為B細(xì)胞表位,既滿足特異性的需要,也能區(qū)分亞型。 GPAA1是一種跨膜蛋白,原核表達非常困難,形成包涵體,且包涵體難以溶解和復(fù)性。對這一類型的蛋白,非常適合選擇其特有的B細(xì)胞表位免疫動物,來最終制備識別全蛋白質(zhì)的抗體。ABCpred是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的線性B細(xì)胞表位預(yù)測工具,該系統(tǒng)檢驗了源于Bcipep數(shù)據(jù)庫的700個非冗余B細(xì)胞表位和源于Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫的700個長度為10~20個氨基酸的隨機選擇多肽,準(zhǔn)確率近66%。Bepipred結(jié)合隱馬爾科夫模型和親水性參數(shù)評分預(yù)測線性B細(xì)胞表位,AROC評分達到0.671。將兩種預(yù)測方法得到的預(yù)測結(jié)果進行比較,其共有的預(yù)測表位是真正B細(xì)胞表位的幾率更大,如果能進一步結(jié)合蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果,就可以選出可信度更高的B細(xì)胞表位。如何選擇有效的B細(xì)胞表位是能否實現(xiàn)無完整蛋白質(zhì)抗原條件下抗體制備的關(guān)鍵。 2、對于B細(xì)胞表位的選擇,對于已有空間結(jié)構(gòu)信息的蛋白質(zhì)抗原,直接選擇蛋白分子表面的loop區(qū)或無規(guī)卷曲區(qū)域的小肽序列作為候選B細(xì)胞表位;對于缺乏空間結(jié)構(gòu)信息的蛋白質(zhì)抗原,需要根據(jù)蛋白質(zhì)抗原的特點具體分析。若蛋白質(zhì)抗原C末端的序列親水性好,可以選擇C末端的6~10個氨基酸的序列作為候選B細(xì)胞表位,并且最好該序列為該蛋白質(zhì)所特有;也可采用B細(xì)胞表位預(yù)測程序進行分析,選擇不同程序預(yù)測的共有B細(xì)胞表位;對于同源性很高的家族蛋白,根據(jù)序列比對結(jié)果選擇差異較大的區(qū)域,并且所選序列應(yīng)該符合B細(xì)胞表位的特征。基于以上原則,本實驗選擇了10個蛋白的14個表位,并對其中的12個表位進行了驗證。 3、對于B細(xì)胞表位的選擇, (1)對于空間結(jié)構(gòu)已知的蛋白質(zhì),直接選擇蛋白分子表面的loop區(qū)或無規(guī)卷曲區(qū)域的小肽序列。 (2)對于空間結(jié)構(gòu)未知的蛋白質(zhì),可采用以下策略進行選擇: A:若蛋白質(zhì)C末端序列的親水性好,可以選擇C末端的6~10氨基酸的序列作為候選B細(xì)胞表位,最好該序列為該蛋白質(zhì)所特有。可采用SIB BLASTNetwork Service(http://www.expasy.ch/tools/blast/)的BLAST軟件進行比對,數(shù)據(jù)庫選擇homo sapiens; B:采用B細(xì)胞表位預(yù)測程序ABCpred和BepiPred等進行表位預(yù)測,選擇不同程序預(yù)測的共有B細(xì)胞表位; C:對于同源性很高的蛋白質(zhì),首先根據(jù)序列比對結(jié)果選擇差異較大的區(qū)段,并且所選序列應(yīng)該符合B細(xì)胞表位的特征。 4、二級結(jié)構(gòu)預(yù)測 分別應(yīng)用EX-PASY服務(wù)器(http: //www. expasy. org/tools)上的GOR4[4]、HNN (Hierarchical Neural Network meth-od)、SOPMA、nnPredict[University ofCalifornia atSanFrancisco (UCSF)]等方法。 親水性、柔韌性、表面可能性和抗原表位預(yù)測 應(yīng)用DNAstar軟件的子程序Protean,采用Hopp-Woods和Kyte-Doolittle方案預(yù)測氨基酸的親水性[5, 6],采用Karplus-Schultz和Emini方案預(yù)測柔韌性及表面可能性[7, 8],采用Jameson-Wolf方案[9]和吳氏抗原指數(shù)法[10]預(yù)測潛在的B細(xì)胞抗原表位。 5、 對獲取序列的生物信息學(xué)處理分析 使用DNASTAR軟件分析獲取的序列,結(jié)合NCBI上的BLAST尋找最匹配的短序列。用全部和部分肽序列查詢各國專利數(shù)據(jù)庫: http: //appft1. uspto. gov/netahtml/PTO/search-adv. ht/ http: //www. freepatentsonline. com /5194592. htm / http: //www. stcsm. gov. cn/resource/data/zhuanl.i asp#1 使用蛋白質(zhì)在線分析工具分析多肽的疏水性、PI值、穩(wěn)定性: http: //www. expasy. org/ http: //www. rcsb. org/pdb/cgi/explore. cg?i pdbId=1fi6 http: //www. rcsb. org/pdb/search/searchSequence. do http: //www. expasy. org/sitemap. html http: //www. expasy. org/tools/#translate http: //www. expasy. org/tools/blast/ 常用數(shù)據(jù)庫和預(yù)測工具:名稱 網(wǎng)址 說明 ABCpred http://www.imtech.res.in/raghava/abcpred 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)線性B 細(xì)胞表位預(yù)測工具 AgAbDb http://202.4 1.70.51:8080/agabdb2/ 抗原-抗體共結(jié)晶結(jié)構(gòu)的分子相互作用數(shù)據(jù)庫 AntiJen http://www.jenner.ac.uk/AntiJen B 細(xì)胞表位定量結(jié)合數(shù)據(jù)庫 Bcipep http://www.imtech.res.in/raghava/bcipep/ B 細(xì)胞表位數(shù)據(jù)庫 Bepipred http://www.cbs.dtu.dk/services/BepiPred 基于序列的線性表位預(yù)測工具 CEP http://bioinfo.ernet.in/cep.htm 基于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和非連續(xù)性表位預(yù)測工具 DiscoTope http://www.cbs.dtu.dk/services/DiscoTope 基于序列/結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性表位預(yù)測工具 Epitome http://www.rostlab.org/services/epitome 抗原-抗體相互作用殘基數(shù)據(jù)庫 HIV database http://www.hiv.lanl.gov/content/immunology HIV免疫表位數(shù)據(jù)庫 IEDB http://www.immuneepitope.org T細(xì)胞和B細(xì)胞表位數(shù)據(jù)庫含陰性數(shù)據(jù) IEDB B-cell http://www.immuneepitope.org/tools/bcell/iedb_input 基于序列的線性表位預(yù)測工具 epitope tools 6、B細(xì)胞表位預(yù)測的方法及應(yīng)用 線性表位的預(yù)測方法 B細(xì)胞表位的預(yù)測方法主要集中于線性表位,在二十世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的大量的預(yù)測B細(xì)胞表位的算法都是基于蛋白質(zhì)序列。這些算法包括:⑴蛋白質(zhì)的親水性算法(Hydrophilicity):認(rèn)為蛋白質(zhì)各氨基酸殘基可分為親水殘基和疏水殘基兩類。在機體內(nèi),疏水性殘基一般被埋在蛋白內(nèi)部,而親水性殘基位于蛋白質(zhì)表面,因此,蛋白的親水部位與蛋白抗原表位有著密切的聯(lián)系。Hopp-Woods(Hoop TP et al.,1981)算法為最常用的。⑵可及性算法(Accessibility):常用的有Janin可及性參數(shù),即指蛋白質(zhì)抗原中氨基酸殘基被溶劑分子接觸的可能性(Rudolph R et al.,1990)。它反映了蛋白質(zhì)抗原各個氨基酸殘基的分布情況。⑶蛋白質(zhì)可塑性算法(Flexibility):此算法認(rèn)為蛋白質(zhì)抗原構(gòu)象的多肽鏈骨架具有一定程度的活動性,活動性強的氨基酸殘基即可塑性大,易形成抗原表位(Karplus PA et al.,1985)。⑷蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測算法(Secondary structure):該算法認(rèn)為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)表位的分布關(guān)系密切。α螺旋、β折疊化學(xué)鍵鍵能比較高,形態(tài)固定,常處于蛋白質(zhì)內(nèi)部,難以與抗體嵌合,而β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲多處于蛋白質(zhì)的表面,結(jié)構(gòu)松散,易展示在蛋白質(zhì)表面,有利于與抗體嵌合,成為抗原表位的可能性大(來魯華,1993)。⑸蛋白質(zhì)抗原性算法(Antigenicity):Welling(Welling GW.,1985)通過對20個已研究得很透的蛋白質(zhì)的69個連續(xù)位點的606個氨基酸統(tǒng)計分析,用各氨基酸殘基在已知B細(xì)胞表位中出現(xiàn)的百分率與其通常在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的百分率比值的對數(shù)建立了抗原性刻度,并以此計算蛋白中各亞序列的抗原性。這些方法的代表軟件有PEOPLE(Alix AJ et al.,1999)、PREDITOP(Pellequer JL et al.,1993)、BEPITOPE(Odorico M et al.,2003)、Bcepred(Saha S et al.,2004)等。但是最近Blythe及Flower(Blythe MJ et al.,2005)對氨基酸的性質(zhì)與線性表位的關(guān)系做了一個評估,結(jié)果表明基于氨基酸序列信息來預(yù)測線性表位,即使很好的結(jié)合了氨基酸的各種性質(zhì),其預(yù)測結(jié)果僅略強于隨機預(yù)測。近年來,一些應(yīng)用隱形馬爾可夫模型(HMM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、支持向量機算法(SVM)及其他技術(shù)的機器研究方法(Ponomarenko JV et al.,2007)已經(jīng)被引入來預(yù)測B細(xì)胞表位,取得了較好的結(jié)果。代表軟件有ABCpred(Saha S et al.,2006)、BepiPred(Larsen JEet al.,2006)、APP(Chen J et al.,2007)等。ABCpred采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測線性表位,從Bcipep和SwissProt數(shù)據(jù)庫中提取非冗余的表位肽和非表位肽作為訓(xùn)練集,采用5-折交叉驗證,預(yù)測敏感性約為67%,特異性約為64%。BepiPred結(jié)合氨基酸的性質(zhì)(親水性、柔韌性、可及性、極性、暴露表面、轉(zhuǎn)角)和隱形馬爾可夫模型來預(yù)測線性表位,預(yù)測結(jié)果表明,同那些僅依賴于氨基酸性質(zhì)的預(yù)測方法相比,BepiPred預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定程度的提高。Chen et al.(2007)發(fā)現(xiàn)氨基酸通常成對出現(xiàn)在抗原表位的頻率要比其出現(xiàn)在非表位肽段的頻率高,基于此,并聯(lián)合支持向量機算法建立了APP方法。應(yīng)用此方法在872個表位肽和872個非表位肽數(shù)據(jù)集中,采用5-折交叉驗證,預(yù)測準(zhǔn)確度為71%。Yasser EL-Manzalawy(EL-Manzalawy Y et al.,2008)等采用同一數(shù)據(jù)集對這三種方法進行比較,結(jié)果表明ABCpred預(yù)測表位的準(zhǔn)確性略高于BepiPred及APP。 構(gòu)象表位的預(yù)測方法目前,絕大多數(shù)B細(xì)胞表位預(yù)測方法都是基于蛋白質(zhì)的一級或二級結(jié)構(gòu)的,但這些方法只能用來預(yù)測由連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成的線性表位,而基于蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)來預(yù)測構(gòu)象表位的方法比較少,這是因為各種抗原的構(gòu)象表位可獲得的數(shù)據(jù)要遠遠少于線性表位,并且到目前為止,幾乎沒有哪個抗原的所有的表位都能夠徹底的研究清楚(HasteAndersen P et al.,2006);诘鞍踪|(zhì)三級結(jié)構(gòu)來預(yù)測構(gòu)象表位的方法CEP(Kulkarni-Kale U et al.,2005)(Conformational Epitope Prediction):這是第一個以抗原蛋白的三級結(jié)構(gòu)PDB文件作為輸入條件,以構(gòu)象性表位預(yù)測為主要目的的網(wǎng)上免費服務(wù)軟件。它提供了一個預(yù)測構(gòu)象表位的web界面,這種方法除了能夠預(yù)測構(gòu)象表位,同時也能預(yù)測線性表位。它主要根據(jù)氨基酸殘基的溶劑可及性及空間距離截值來預(yù)測表位,其公布的預(yù)測精度達75%。DiscoTope(Haste Andersen P et al.,2006):是通過蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來預(yù)測構(gòu)象表位的一種新方法,這種方法通過對X射線晶體衍射確定的76個抗原抗體復(fù)合物所組成的構(gòu)象表位數(shù)據(jù)集進行大量統(tǒng)計度量、空間特征分析和表面可及性計算,對B細(xì)胞構(gòu)象性表位進行預(yù)測,最終對組成蛋白序列的每個氨基酸打分,通過分值來反映某一氨基酸成為表位的可能性,并提供了閾值來確定組成表位的氨基酸殘基。預(yù)測蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用位點的方法除以上兩種方法之外,還有最近發(fā)展起來的一些預(yù)測蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用位點的方法。 由于抗原抗體之間的相互作用屬于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用中的一種,因此,可以參這些方法來預(yù)測B細(xì)胞表位。分子對接:主要用來研究分子間的相互作用與識別,進而預(yù)測復(fù)合物結(jié)構(gòu)。常用的分子對接軟件有ZDOCK(Chen R et al.,2003)、DOT(Shoichet BK et al.,1991)、DOCK(Mandell JG et al.,2001)、ClusPro(Comeau SR et al.,2004)等。其中ClusPro是一個提供網(wǎng)上服務(wù)的分子對接軟件,其能夠根據(jù)形狀互補快速的篩選ZDOCK和DOT程序產(chǎn)生的對接結(jié)果,并對對接結(jié)果聚類,根據(jù)聚類情況對對接結(jié)果打分,最終返回10個得分最高的對接結(jié)果,再根據(jù)這些對接結(jié)果來確定蛋白質(zhì)相互作用的位點。PPI-Pred(Bradford JR et al.,2005)(protein-protein interface prediction)將支持向量機的方法同曲面分析結(jié)合在一起預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用位點。ProMate(Neuvirth H et al.,2004)(Predicting the location of potential protein-protein binding sitesfor unbound proteins)是將一些蛋白質(zhì)相互作用界面的重要性質(zhì)綜合起來預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用位點。這些性質(zhì)包括:結(jié)合位點通常偏向位于β片層及非結(jié)構(gòu)的鏈;芳香族氨基酸的側(cè)鏈常會參與蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用;疏水氨基酸和極性氨基酸常聚集在蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的界面;以及在晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)合位點的周圍有更多的水分子與之結(jié)合。Ponomarenko和Bourne采用以上幾種方法預(yù)測構(gòu)象表位并使用同一評估體系對其進行了比較,結(jié)果表明,這些方法的準(zhǔn)確性均未超過40%,如果用ROC(Relative operating characteristic)曲線下面積的值來評估這些方法,則DiscoTope,和PPI-PRED的值大約是0.6,ClusPro的值高于0.65,但未超過0.7,而其它的方法接近于隨機預(yù)測。盡管這些年來B細(xì)胞表位預(yù)測的方法得到了一定的發(fā)展和應(yīng)用,但這些研究方法還存在一定的問題。首先,所有預(yù)測表位的方法都缺乏標(biāo)準(zhǔn)的ROC(Swets JAet al.,1988)評估,這使得各種預(yù)測方法的結(jié)果難以比較與評估;其次,大多數(shù)預(yù)測線性表位的方法都具有一定的局限性,它們僅僅是根據(jù)少數(shù)的幾個表位的特征(氨基酸的性質(zhì),殘基的表面可及性,空間分布,分子間接觸)來預(yù)測表位,而最近對各種線性表位預(yù)測方法進行評估的結(jié)果表明,僅根據(jù)氨基酸的性質(zhì)來預(yù) 測線性表位的方法并不可靠。要想提高預(yù)測的準(zhǔn)確性,需將更多表位區(qū)別于非表位的特征結(jié)合起來預(yù)測;最后,目前預(yù)測表位的方法大多數(shù)是針對于線性表位的,而據(jù)研究表明(Barlow DJ etal.,1986)90%以上的表位為構(gòu)象表位,因此在進一步完善線性B細(xì)胞表位預(yù)測研究的基礎(chǔ)上,從蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)入手,深入對構(gòu)象性B細(xì)胞表位預(yù)測算法與程序的研究。同時,我們也相信隨著PDB數(shù)據(jù)庫中抗原抗體復(fù)合物的增加,能夠?qū)Ω鞣N抗原的構(gòu)象表位進行更廣泛的分析,人們對蛋白質(zhì)抗原表位的研究將更加透徹。 以上都是前輩們總結(jié)的,我只是借平臺和同我一樣迷茫的人們一起分享,希望有助于解決問題。但有一點,大多數(shù)軟件預(yù)測得到的是線性表位,需要構(gòu)像表位,最好結(jié)合噬菌體肽庫篩選。 |
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