骆驼科动物IgG1抗体的另一面

前 言  

1993年比利时科学家Hamers，在骆驼科动物中发现单域抗体(VHH)以来，研究人员对这种分子量大小只有15KDa的抗体高度关注，却忽视了骆驼科动物中的常规抗体（IgG1）。骆驼科动物中的常规抗体IgG1约占Total IgG的50%，且重链人源化程度最高可以达到94%，轻链最高可以达到91%，非常具有成为治疗性抗体的潜力。本文将对骆驼科动物中IgG1与人类IgG同源性，以及其抗体药物研究情况进行介绍。

图1 骆驼科物种抗体亚型

1. 骆驼科物种IGHV

骆驼科物种IGHV，主要包括VH1、VH3、VHH3和VH4基因家族，其中VHH3基因家族为重链抗体，其余为常规四链抗体。而除了IGHV家族1、3、4的基因外，在骆驼和羊驼WGS数据库中还鉴定出IGHV5和7两个V基因家族。骆驼科动物IGHV1和IGHV3同人相应家族框架区同源性分别为92%和95%，骆驼科动物IGHV4同人相应家族框架区同源性达82%，骆驼科动物IGHV5和IGHV7与人相应家族框架区同源性较低，但是也达到77%(图1)。因此，骆驼科物种所有五个V基因家族与人类抗体对应的家族基因高度同源。

图2 骆驼科物种IGVH Germline与人IGVH Germline同源性比较

2. 骆驼科物种IGLV

人类免疫球蛋白λ(IGL)基因座由3个不同的簇组成，每个簇包含10个不同的IGLV家族成员，所有人类IGLV家族的同源基因均在骆驼科物种中检索得到，见图2。三个主要的人类IGLV家族（IGLV1-3）被发现在骆驼中具有高度的同源性，同源性在81%-91%之间(基于框架区比较)。尽管骆驼科物种IGLV与人相应的IGLV同源性在61%到91%之间，但是所有典型结构都与人类V家族相匹配。此外，骆驼科物种IGLV保守性关键残基不仅局限于框架区，而且还延伸到互补决定区。骆驼科和人类V基因之间的高同源性和结构相似性对于降低治疗性抗体免疫原性来说可能是非常重要的。

图3 骆驼科物种IGVL Germline与人IGVL Germline同源性比较

3. 骆驼科物种IGKV

在骆驼科物种中鉴定出6个IGKV家族(图3)。骆驼科物种IGKV基因与人类对应基因的同源性在60-85%之间，其中IGKV3-2家族与人类对应基因的同源性最低。同样地，骆驼科物种IGKV保守性关键残基不仅局限于框架区，也延伸到互补决定区。

图4 骆驼科物种IGVK Germline与人IGVK Germline同源性比较

4. X射线晶体学结构解析骆驼科动物IgG1抗体结构 为了证实骆驼科动物IgG1和人类抗体IgG V区之间的高结构同源性，通过X射线晶体学解析了Anti-CD70和Anti-MET这两个来源于骆驼科动物IgG1抗体的结构。这两个抗体是通过过表达CD70细胞和过表达MET细胞免疫美洲驼(Lama glama)后，构建噬菌体展示文库筛选获得。从图4A中可以看出，Anti-CD70(VH3/Vλ7)的VH结构可以与人IGHV3-23(PDB 1MFA；灰色)相匹配，存在典型结构HCDR1和HCDR2 1-3 (红色)。从图4B中可以看出，Anti-CD70(VH3/Vλ7)的Vλ结构可以与人Vλ7-1(灰色)相匹配，也存在典型结构(绿色)。 此外，Anti-MET(VH1/ Vκ4)的环状结构与人抗体重链(PDB 1FVD)和轻链(PDB 1HIL)结构相吻合(图4C和4D)。模板1FVD Fab中的HCDR1和HCDR2的经典结构1-2与Anti-MET Fab(属于IGHV1家族)的经典结构非常吻合，这说明来源于美洲驼Anti-MET利用了与人类生殖系VH1片段中相同的经典折叠组合。另外，LCDR1、LCDR2和LCDR3(红色)的经典结构3-1-1分别存在于1HIL模板中，与Vκ段（灰色）的结构完美叠加。这意味着来源于美洲驼Anti-MET IGKV4使用了与人类IGKV4段相同的典型褶皱。因此，抗体结构分析表明骆驼科动物IgG1 V区中存在预测的人类典型结构折叠组合，与人抗体IgG在结构上高度同源，产生的抗体结合位点结构与人类抗体中的结合位点结构非常相似，有利于抗体药物的开发。

图5 美洲驼Anti-CD70和Anti-MET重链和轻链结构

5. 羊驼IgG1抗体在药物开发中的优势

第一，在动物分类学上，羊驼属于骆驼科，和人与小鼠在进化上差异明显。这种差异使得羊驼抗体能够识别人类不同的抗原表位决定簇，而且能产生一些抗体同时能够识别啮齿类动物和人的同源抗原。这一特性在基础研究和药物的临床前研究中格外重要，比如说在抗肿瘤的治疗性单克隆抗体进行临床试验之前，需要利用小鼠的异种肿瘤移植模型（Xenograft）来评估该治疗性抗体对体内肿瘤的疗效和毒副作用，此时羊驼单克隆抗体便能提供一个很好的工具。

第二，目前研究发现，羊驼能够对一些小分子化合物等半抗原等产生非常强的免疫反应，而这些半抗原在小鼠体内的免疫反应很弱或无免疫应答。   

第三，在羊驼中，近交繁殖的比例比较稀少。目前大多数实验用小鼠的品系都是通过近交繁殖而来的纯系小鼠。而近交繁殖的动物，往往对外源性抗原的免疫应答比较弱，同时产生的抗体多样性和亲和力都比较低。对于羊驼，一般都不是由近交繁殖而来，使其非常容易产生高亲和力、多样化程度高的抗体。   

第四，目前开发单克隆抗体均需要用 B 淋巴细胞为材料。B 淋巴细胞的主要来源是脾脏、骨髓和外周血。和小鼠相比，羊驼有相对较大的体型。为筛选 B 淋巴细胞并保障抗体多样性提供了充足的生物学材料。

第五，羊驼抗体与人的抗体同源性非常高，达到了80%以上，人源化更简单。

6. 骆驼科动物IgG1抗体药物开发公司-arGEN-X

目前，全球唯一一家以骆驼科IgG1进行药物开发的公司是arGEN-X。arGEN-X (https://www.argenx.com/)是荷兰一家致力于改善严重的自身免疫疾病和癌症患者生活的全球创新药企(图5)。 其Simple Antibody™抗体药物开发平台就是基于美洲驼IgG1抗体可变区进行治疗性抗体药物开发(图6)，基于该平台开发的抗CD70抗体ARGX-110用于治疗急性髓性白血病（AML）和皮肤T细胞淋巴瘤（CTCL），目前正处于I/Ⅱ期临床试验中。另外一款基于Simple Antibody™抗体开发平台开发的抗c-MET抗体ARGX-111已进入血液恶性肿瘤和实体瘤患者的I期临床试验，结果显示具有良好的安全性和可控制的毒性。Simple Antibody™为抗体药物的发现提供了理想的起点，使其能够以最快的速度和效率推进。

图6 arGEN-X公司研发管线(来源于arGEN-X官网)

图7 arGEN-X公司Simple Antibody™ 抗体药物开发平台(来源于arGEN-X官网)

结 语  

在骆驼科动物中发现的天然缺失轻链的抗体，该抗体只包含一个重链可变区(VHH)，也被称为纳米抗体(Nanobody)，其分子量小，结构简单，易于表达，自发现也来受到广泛关注，被应用于免疫治疗药物开发中，目前已经有2款抗体药物和1款细胞治疗药物上市，还有诸多药物处于临床或者临床前研究中。然而，骆驼科动物中常规抗体IgG1研发进展较少，已有的研究表明骆驼科动物中常规抗体IgG1与人类IgG在序列和结构上均高度同源，有利于抗体药物的开发。当前，以骆驼科常规抗体IgG1进行抗体药物开发的公司只有arGEN-X，其基于Simple Antibody™抗体药物开发平台开发的抗CD70(ARGX-110)和抗c-MET(ARGX-111)已经在进行临床试验，最终结果让我们拭目以待，相信未来会有越来越多的生物制药公司考虑采用骆驼科常规抗体IgG1进行抗体药物开发。

文献来源：

Klarenbeek A, Mazouari K E, Desmyter A, et al. Camelid Ig V genes reveal significant human homology not seen in therapeutic target genes, providing for a powerful therapeutic antibody platform[C]//MAbs. Taylor & Francis, 2015, 7(4): 693-706.