HLA-I類(lèi)分子超型特異性表位預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)工具的研究.pdf

1、在細(xì)胞免疫中，主要組織相容性復(fù)合物（Majorhistocompatibilitycomplex，MHC）結(jié)合抗原多肽并將其提呈至細(xì)胞表面從而被T細(xì)胞受體(T-cellreceptor,TCR)識(shí)別。與MHC分子結(jié)合并引起T細(xì)胞應(yīng)答的多肽稱(chēng)之為T(mén)細(xì)胞表位（epitope），是研究免疫系統(tǒng)特異性的重要組件，表位肽的鑒定可以促進(jìn)防治病毒感染、自身免疫性疾病以及腫瘤等疾病的多肽疫苗的研究和開(kāi)發(fā)。多肽與MHC分子的結(jié)合具有高度特異性，是其被T細(xì)

2、胞識(shí)別的必要條件，然而實(shí)驗(yàn)室鑒定MHC分子結(jié)合肽是個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程;采用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)方法可以大大降低需要合成和檢測(cè)的多肽的數(shù)量，使得抗原表位的大規(guī)模篩選成為可能。
　　人MHC基因稱(chēng)為白細(xì)胞抗原(Humanleukocyteantigen，HLA)，其中多數(shù)HLA-(I)類(lèi)分子根據(jù)其結(jié)合肽的特異性劃分為特定的超型(supertype)，與特定HLA分子結(jié)合的多肽往往可以與對(duì)應(yīng)超型中多個(gè)HLA分子結(jié)合，這種泛宿主性的結(jié)合多肽稱(chēng)為超型特

3、異性結(jié)合肽(supertypespecificbinders)，是開(kāi)發(fā)具有高人群覆蓋率疫苗的優(yōu)先選擇對(duì)象。然而，每個(gè)HLA分子都有自己獨(dú)特的多肽結(jié)合傾向，一條多肽與特定HLA分子結(jié)合并不意味著該肽就可以和對(duì)應(yīng)超型中其他HLA分子結(jié)合。因此，預(yù)測(cè)HLA-I類(lèi)分子超型特異性結(jié)合肽需要區(qū)分多肽與同超型不同HLA分子間的交叉結(jié)合能力。同時(shí)，理解多肽各位點(diǎn)殘基對(duì)其與同超型HLA分子交叉結(jié)合能力的貢獻(xiàn)將為高人群覆蓋率疫苗的設(shè)計(jì)提供重要的參考。

4、>　　預(yù)測(cè)模型的建立依賴(lài)于可利用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在本研究中，我們首先遍歷當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)上的免疫表位數(shù)據(jù)庫(kù)，提取HLA-I類(lèi)分子限制性的多肽結(jié)合數(shù)據(jù)，根據(jù)HLA-I類(lèi)分子超型對(duì)多肽數(shù)據(jù)整合，采用多肽與同超型不同HLA分子的交叉結(jié)合能力來(lái)描述多肽序列，建立了HLA-I類(lèi)分子超型特異性表位（結(jié)合肽）數(shù)據(jù)庫(kù)(HLASupertypeSpecificBinderDatabase，HLASSBDB)。該數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了18157條多肽與同超型HLA分子交叉結(jié)合

5、的數(shù)據(jù)，涵蓋了10個(gè)HLA-I類(lèi)超型的主要38種等位基因限制性。HLASSB_DB提供了三種檢索方式:多肽序列檢索、超型及其等位基因檢索、蛋白序列檢索，為基于表位的疫苗設(shè)計(jì)，尤其是具有高人群覆蓋率的疫苗的設(shè)計(jì)提供參考。
　　預(yù)測(cè)模型的性能取決于建模過(guò)程中多肽數(shù)據(jù)的性質(zhì)，然而當(dāng)前可用的多肽數(shù)據(jù)多是不均衡的，因?yàn)槊庖邔W(xué)家更傾向于鑒定帶特定HLA結(jié)合基序的候選多肽與對(duì)應(yīng)HLA分子的結(jié)合能力。我們?cè)诖搜芯恐刑剿髁硕嚯男再|(zhì)對(duì)建模性能的影響。

6、結(jié)果顯示，采用不均衡多肽數(shù)據(jù)建立的模型對(duì)生物學(xué)數(shù)據(jù)(biologicaldataset)的預(yù)測(cè)性能較差（從指定抗原分子中預(yù)測(cè)特定HLA分子限制性結(jié)合肽的能力）。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型在預(yù)測(cè)生物數(shù)據(jù)和區(qū)分含基序多肽時(shí)存在沖突:多肽數(shù)據(jù)中不含超基序的非結(jié)合肽（non-motifcontainingnon-binders，NMNs）的存在可以改善預(yù)測(cè)模型對(duì)生物學(xué)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)性能卻降低了對(duì)含基序多肽的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（區(qū)分多肽與同超型HLA分子交叉結(jié)合的

7、能力）。目前多數(shù)HLA-I類(lèi)分子可以劃分為特定的超型，同超型HLA分子具有相似的結(jié)合特異性，為了克服多肽數(shù)據(jù)帶來(lái)的負(fù)面影響，我們提出一種基于超型(supertype-based)的建模方法:首先采用超基序篩選與同超型中HLA分子結(jié)合的候選肽，然后采用含超基序多肽建立的模型預(yù)測(cè)多肽與超型中特定HLA分子的結(jié)合能力。我們分別采用三種基于矩陣和一種基于機(jī)器語(yǔ)言的算法建立了A1、A2、A3、A24、B44和B7超型20種等位基因的預(yù)測(cè)模型，采用

8、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)評(píng)估對(duì)應(yīng)模型的性能，結(jié)果顯示這種基于超型的建模方法可以改善HLA-I類(lèi)分子結(jié)合肽預(yù)測(cè)模型的性能，且對(duì)基于分類(lèi)算法的預(yù)測(cè)模型具有普適性。
　　將這種基于超型的建模方法應(yīng)用于平均相對(duì)結(jié)合能力矩陣算法mARB(mulfiplicafiveAverageRelativeBinding)中，我們建立了預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)HLA超型特異性結(jié)合肽的在線(xiàn)工具HLASSB_PreD(PredictionandDesignofHLASupertype

9、SpecificBinders)。基于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的比較研究顯示HLASSB_PreD對(duì)HLA-I類(lèi)分子結(jié)合肽的預(yù)測(cè)能力要比一般常用的基于分類(lèi)算法的預(yù)測(cè)工具(SVMHC、RANKPEP、YKW)性能好。更重要的是，HLASSB_PreD中同超型尤其是多肽數(shù)據(jù)比較豐富的A2和A3超型中不同等位基因的預(yù)測(cè)模型存在收斂的閾值，使得HLASSB_PreD的矩陣模型可以用來(lái)分析多肽中各個(gè)位點(diǎn)殘基對(duì)多肽與同超型HLA分子交叉結(jié)合貢獻(xiàn)，從而來(lái)指導(dǎo)HLA

10、超型表位的設(shè)計(jì)。我們采用HLASSB_PreD中的結(jié)合矩陣定義了A2及A3超型的多肽交叉結(jié)合基序，并在具有不同交叉結(jié)合能力的多肽數(shù)據(jù)集中得到了驗(yàn)證。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此工具的性能，我們?cè)u(píng)估了HLASSB_PreD對(duì)聚丙氨酸點(diǎn)突變類(lèi)似物以及表位HBcAg18-27的點(diǎn)突變類(lèi)似物的預(yù)測(cè)性能，結(jié)果顯示HLASSB_PreD對(duì)聚丙氨酸點(diǎn)突變類(lèi)似物結(jié)合能力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為93％，對(duì)表位HBcAg18-27的點(diǎn)突變類(lèi)似物的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為100％。此外，我們

11、采用HLASSB_PreD篩選HBV相關(guān)抗原HBcAg和HBsAg的A3超型特異性表位，預(yù)測(cè)得到的5條候選表位經(jīng)酶聯(lián)免疫斑點(diǎn)(ELISPOT)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后，證實(shí)每條多肽均可以引起兩種或兩種以上A3超型等位基因限制性的T細(xì)胞應(yīng)答。此結(jié)果提示HLASSB_PreD可以有效地從抗原蛋白分子中篩選HLA-I類(lèi)分子超型特異性表位。
　　HLA分子具有高度多態(tài)性，每個(gè)編碼的HLA分子都識(shí)別一系列不同的多肽，而大多數(shù)HLA分子的結(jié)合多肽的特異性沒(méi)

12、有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。建立只有極少或者沒(méi)有多肽結(jié)合數(shù)據(jù)的HLA分子結(jié)合肽預(yù)測(cè)模型的方法，又稱(chēng)為pan特異性預(yù)測(cè)方法，成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Pan特異性預(yù)測(cè)方法是采用多個(gè)HLA分子（來(lái)源等位基因）的多肽數(shù)據(jù)建立不僅可以預(yù)測(cè)來(lái)源等位基因又可以預(yù)測(cè)只有很少或者沒(méi)有結(jié)合數(shù)據(jù)的等位基因（目標(biāo)等位基因）限制性多肽的方法。在本研究中，我們提出了一種基于超型模塊(modular)實(shí)現(xiàn)pan特異性預(yù)測(cè)的方法，參考結(jié)合肽各個(gè)位點(diǎn)殘基在對(duì)應(yīng)HLA分子中結(jié)合環(huán)境的相

13、似性(modular)，采用A2和A3超型中已建立的等位基因矩陣模型生成pan特異性預(yù)測(cè)模型。我們建立的pan特異性預(yù)測(cè)模型可以分別實(shí)現(xiàn)A2超型35種和A3超型37種等位基因限制性多肽的預(yù)測(cè)。留一（等位基因）交叉驗(yàn)證法的結(jié)果顯示，當(dāng)給定的HLA分子只有極少已鑒定的多肽結(jié)合數(shù)據(jù)時(shí)，建立的pan特異性預(yù)測(cè)模型的性能要優(yōu)于采用自身多肽數(shù)據(jù)建立的allele特異性模型的性能;應(yīng)用建立的pan特異性預(yù)測(cè)模型篩選HBcAg的HLA-A*3303限制

14、性表位，ELISPOT檢測(cè)結(jié)果顯示采用此模型預(yù)測(cè)得到的10條候選表位肽中有7條可以誘導(dǎo)HLA-A*3303陽(yáng)性的健康人PBMC應(yīng)答，證實(shí)了所建pan特異性模型的有效性。
　　本研究中提出的方法及結(jié)果對(duì)如何提高表位預(yù)測(cè)模型的性能有著重要提示。其中建立的超型特異性表位數(shù)據(jù)庫(kù)(HLASSB_DB)和預(yù)測(cè)工具(HLASSB_PreD)可以通過(guò)http://www.immunoinformatic.net訪(fǎng)問(wèn)，且對(duì)所有用戶(hù)免費(fèi)。相信我們的研