细胞因子hIL-21增效性抗体的增效作用分子机制研究

Accumulating　evidence shows that there are centain antibodies recognizing specific cytokines, that are able to act in an agonistic or even superagonist way by binding to the native molecules. The identity of such antibodies opens up new vistas for the application of antibodies, such as circumventing dose-toxicity effect of cytokine.However,the application of agonistic antibodies is constrained by the limited knowledge of the molecular mechanism underlying their function. We have recently identified an anti-human interlenkin 21(hIL-21) antibody showing superagonistic effects on hIL-21-mediated cell proliferation and activation.IL-21 is a pleiotropic cytokine regulating the function and differentiation of multiple immune cells,and is indispensible for effective antibody response as well as anti-viral,anti-infection, and anti-tumor response.However,how this antibody achieves its superagonistic action is unknown.Accordingly,the broad aim of this work is to perform structural，dynamics，and functional studies on this potentially important agonistic antibody and its target,IL-21.

近来发现有一些抗体，可特异性识别某些细胞因子并增强其生物活性，被称为增效性抗体。其对细胞因子的活性增强作用有望帮助克服细胞因子在临床使用中因剂量增大而引起的毒副作用，但迄今人们对这种增效性机制了解甚微，使得这种增效性抗体还未得到有效应用。 细胞因子21(IL-21)可调控多种免疫细胞功能，具有抗病毒、抗感染、和抗肿瘤作用，已进入临床实验阶段。我们筛选到一株抗人IL-21的增效性单克隆抗体，对于IL-21介导的体外和体内免疫细胞增殖分化都显示出非常明显的增效作用。我们从分子模拟发现，该增效抗体与非增效抗体相比具有明显不同的抗原结合区。因此，本项目拟以该自主发现的增效抗体为主要研究对象，应用x-射线、核磁共振、免疫表征等多种实验手段首次从分子构象、动力学及信号通路角度研究增效性抗体的增效机理。增效机制的揭示将对未来增效抗体作为疫苗佐剂或独立生物制剂应用到抗肿瘤等实践中提供理论依据。

细胞因子的增效抗体是近年来发现的可特异性识别某些细胞因子并增强其生物活性的抗体，其活性增强作用有望帮助克服细胞因子在临床使用中的剂量毒副作用。 细胞因子21(IL-21)可调控多种免疫细胞功能，具有抗病毒和抗肿瘤作用，单独或联合使用已进入临床试验阶段。 本课题以hIL-21的增效抗体为主要研究对象，应用化学与免疫学技术， 首次揭示出IL-21增效性抗体的增效机理。 1）识别出hIL-21与增效单抗的结合区并发现hIL-21与单抗结合前后构象的特点，抗体糖基化的影响，发现增效抗体可以降低配体-受体中间体过渡态自由能，由此促进生化反应速率； 2）对单抗增强hIL-21生物活性的信号通路解析发现经由JAK-STAT3轴与Clathrin介导内吞的比例；3）使用hIL-21/hIL-21R 双基因敲入小鼠模型对增效单抗的免疫活性表征表明，该抗体对NK细胞、CD4以及CD8 T细胞增殖更明显，具有比IL-21更优的肿瘤抑制作用。这些增效机制可能适用于其他类似抗体。增效机制的阐明对增效抗体应用到抗肿瘤等实践中提供了理论依据。研究结果以专利或研究论文形式发表。. 研究结果远大于最初预期，除抗体之外我们的工作在信号通路及代谢调控方面亦加深了对IL-21及其他相关细胞因子如IFN-、IL-2、IL-7、IL-15及其受体与癌症关系的理解。 我们对微扰IL-2所产生的结构变化区域进行研究，发现其结构变化区域与动态网络所及区域高度重合，据此发展了预测结构变化区域的方法。 这一成果对于细胞因子及受体工程化改造具有指导意义，比如通过设计筛选细胞因子及受体的突变体或进行其它化学修饰（如价键偶联或纳米负载）实现分子活性或信号强度的调控，进而更有效地抑制肿瘤。 这是我们下一步的研究目标。我们发现在肺癌动物模型远端器官中以及肺癌病人血清中都发生了与细胞因子相关的代谢失调及氧化还原内稳态的失衡； 发现IL-21与微环境的其它分子相互作用；这些发现引导我们进一步研究代谢对于肿瘤微环境及肿瘤中多种免疫细胞的影响。