鲨鱼和骆驼共享一个奇怪的巧合他们的免疫系统。班纳特海莉发现他们的“nanobodies”可以帮助我们解决Covid和许多其他疾病

在城里,美国药理学家Aaron LeBeau是鲨鱼的家伙,一个奇怪的昵称为开发癌症治疗的人为生。在威斯康星大学麦迪逊分校当LeBeau接受一份工作,去年该交易包括一个8000加仑(30米3)盐水鲨鱼坦克,它现在已经完成四个漂亮的小护士鲨鱼。“这是世界上最糟糕的秘密,”他说。我第一次遇到我的邻居,她说“你是鲨鱼的家伙吗?”“

直到最近,LeBeau在明尼苏达州排水血液从骆驼。连接?尽管显然分享任何共同点,鲨鱼和骆驼联合进化的一个奇怪的巧合,人类利用来解决从Covid到癌症。

故事开始于1980年代,与一群比利时研究人员开发测试头水牛的昏睡病。布法罗的所有测试需要几滴鲜血。然后,随着哔叽Muyldermans sccp的比利时布鲁塞尔解释说,他们听到从一个以前的学生工作在马里骆驼想尝试相同的测试。学生发送一些阿拉伯单峰驼血液和团队使用几滴证明测试还在单峰骆驼,然后把剩下的血液在冰箱里。

学生们保持一小部分,不会单独——他们做错了什么或者这些骆驼有一些非常奇怪的抗体

不久之后,Muyldermans设置一些生物学实习学生,把血液从一个人类志愿者和分离出抗体通过一些标准的实验室技术——亲和色谱法净化他们,通过分子量凝胶电泳分离它们。抗体是传统上认为是由两种类型的蛋白链:“重”和“轻”链,前者是笨重和重。两个重链和两个轻链形成一个免疫球蛋白分子——经典的y形的抗体,我们生产保护自己免受病毒、细菌和其他入侵者,后由于接种疫苗或感染。这是一个明显的结构,任何曾经免疫学研究。两个重链构成的双层树干Y,顶部切开像伸出的手臂,轻链被喜欢手臂板一套盔甲。

他们的想法是,学生们会使用化学还原剂打破他们的y形的抗体,然后分开分子量到重型和轻型链。但是随着Muyldermans回忆说,起初学生拒绝这样做。“他们的观点是危险的,因为他们不确定献血者——他们可能感染艾滋病毒或肝炎,”他说。所以,一些争论老鼠血液后,Muyldermans向该公司提供这些骆驼血还坐在冰箱里。最后,实际的继续,但并不像预期的那样。学生们保持一小部分,不会分开。这似乎是只重链——没有手臂盘子。这一定意味着两件事:他们做错了什么或者这些骆驼有一些非常奇怪的抗体。

这是他的同事,雷蒙德·哈默尔,他们认为可能有更多的东西不仅仅是实验误差。但Muyldermans立即兴奋自己工作这可能意味着什么,这使小鼠抗体参与细菌。到那时,当他设法让细菌,他不能得到重和轻链蛋白正确折叠和联系在一起。所以当我们意识到可能是骆驼的抗体没有轻链,我特别感兴趣,因为我一半的问题解决,”他说。

免疫的缩影

花了一些工作证明非典型抗体是骆驼的功能部分免疫系统,但到1993年,团队报告他们的令人惊讶的发现自然。事实证明,骆驼科像骆驼,骆驼有像我们这样的“正常”的抗体以及这些light-chain-less抗体或nanobodies,缺少他们的手臂短板但也有武器,使其更加紧凑——比150年约75 kda kda。

Nanobodies

来源:©赛诺菲

骆驼科对他们的一些没有轻链抗体

是什么有趣的发现是,骆驼科似乎修修补补的系统很好地工作了数百万年。在其他动物,成对的重链结构,允许我们绑定数十亿入侵的微生物不同的目标。这个结构是赠送的结果——基因片段的重组产生的重型和轻型蛋白质链在免疫细胞的发展。古典抗体的免疫曲目类似于从两个音乐播放列表编译集合,每个都包含成千上万的追踪,而nanobody创建从一个集合。但Muyldermans解释说,它以某种方式:“相比的不同重组合,但仍然可以生成一个好的竞争免疫反应。

骆驼抗体中和病毒

从进化论的角度来看,它仍然是令人困惑:如何和为什么,这些简化抗体出现吗?科里·布鲁克斯,加州州立大学结构生物学家在弗雷斯诺,我们,解决了如何在2018年的一篇论文,表明这是一个进化事故由于变化部分的重链与轻链——基本上,钻头,把两个在一起还没有制定出来。但如果骆驼使用普通的抗体,然后有什么好处?根据布鲁克斯,他们似乎“更善于中和病毒”比普通抗体。“骆驼有一个大的病毒载量和病毒似乎并没有做太多,”他说。如果这些病毒感染其他反刍动物,动物生病,但是骆驼是好的。”布鲁克斯和Muyldermans骆驼科历史上是否有一些致命的病毒,这些较小的抗体帮助击退。

迷人的,虽然,这个系统还没有进化历史上只出现一次,但至少两次,迈阿密大学的安德鲁·格林伯格,我们,和他的同事们显示在1995年。鲨鱼用单链抗体免疫球蛋白新抗原受体(IgNARs)更小更稳定,根据LeBeau比骆驼科抗体。这个系统,常见的鲨鱼,鳐鱼和其他软骨鱼类,完全独立地出现,这表明它提供了一些优势。也许在这两种情况下,布鲁克斯的工作表明,坚固的小分子提供了一些抵御严酷的环境下,高体温的骆驼科或高尿素浓度的鲨鱼和他们的关系,因为他们保持血液中尿素平衡高盐浓度的海水。

五年前,这是骆驼科抗体LeBeau当时就在明尼苏达大学工作,他使用它们袭击癌细胞目标,成像和开发治疗。但经过几年的做这,看到漂亮的工作,研究生建议他们给鲨鱼版本。当时,LeBeau不确定他将如何得到任何鲨鱼的血液。我们在美国,“LeBeau告诉他。有0鲨鱼在这里。他们询盘在当地一家水族馆,乐意效劳,但在300公斤鱼,LeBeau没有幻想他的机会采取样本。在这一点上,LeBeau可以放弃了,建立了一个骆驼农场。

制药骆驼农民

但这正是法国制药巨头赛诺菲。和他们的一些治疗,第一只基于重链抗体,开始冲击市场。赛诺菲安万特收购启动Ablynx,消磨Muyldermans的机构和弗兰芒Instituut voor Biotechnologie在比利时,€39亿(£34亿)于2018年。自那以后,一直在开发nanobodies它链接在一起,使多管齐下的疗法。许多这些最初来自大量骆驼与目标分子无论疾病公司感兴趣,等待6 - 12周,然后抽血,使用相同的目标分子为最佳选择,充实绑定。

这一过程,称为“平移”,得名于古老的小型金矿开采技术。这是一样的大锡板和进入土壤试图找到一堆淤泥的密集段,“LeBeau说。它不是唯一的赛诺菲;类似的策略已经在其他地方使用找到骆驼抗体结合乳腺癌的目标例如,和蝎毒的组件。合成库的骆驼和鲨鱼抗体也可以批评但认为使用活的动物减少了筛选的工作最好的绑定,因为他们的免疫系统做一些额外的分子可以更好优化他们的绑定他们见面后结构的目标。但每种方法都有其挑战,指出Pieter Deschaght,全球创新项目负责人在赛诺菲-照顾农场充满了骆驼并不是一个容易的选择。

Nanobodies可以达到他们的目标分子的部分,大传统抗体不能

所以公司在管道吗?其first-in-class药物caplacizumab, nanobody针对血液蛋白质参与一种罕见的血液病,于2018年批准了欧盟,批准后与我们年复一年,似乎有很多。赛诺菲目前的目标包括错误的分子在自己的免疫系统疾病,如类风湿性关节炎,红斑狼疮。另一个Ablynx /赛诺菲制药、ozoralizumab已经授权给日本大正制药公司宣布积极的结果在12月为类风湿性关节炎的临床试验。这种“三价”药物的例子多管齐下的方法,连接两nanobodies绑定到肿瘤坏死因子-α(tnf)和一个绑定到一个共同的血液蛋白,这有助于延长其在体内。tnf抗体已经是自身免疫治疗的一个重要特征,但竞争是这个小nanobody版本应该更深入探索组织和少触发免疫反应药物本身。

体积小,鲁棒性和格式的灵活性的这些nanobodies使得他们如此独特和宝贵的,根据Deschaght。也可以克隆和大规模生产的细菌,像Muyldermans希望,或者在酵母和哺乳动物细胞。但主要原因之一nanobodies非常有利,Deschaght说,是它们能达到他们的目标分子的部分,大传统抗体不能。“这是一个重大的变化,”他说。所以你可以为其他目标nanobodies相比传统的抗体。这是一个直接后果的大小——他们可以适应更小的缺口,但它也可能是由于它们的结构的一个独特的方面。抗体有像手指一样的预测在手臂的末端,接触他们的目标(参见下面的盒子热债券),但在骆驼科其中一个比其他动物长。一般的声称,这允许他们进一步达到给定目标分子表面的缝隙中,访问绑定或隐藏“神秘的抗原表位区域。

布鲁克斯,他利用晶体学研究分子结构参与这些交互,说有很强的证据,至少当目标是病毒,艾滋病毒和Covid,例如。没错,他们做访问这些隐藏的抗原表位,”他说。但他指出,没有直接比较常规抗体和nanobodies绑定相同的目标,这是一个声称很难证明。布鲁克斯的传染病,包括病毒可能是一些最好的目标追逐nanobodies而言,特别是考虑到假设他们进化为“骆驼科病毒缓冲器”。赛诺菲安万特是否追踪病毒的目标,然而,Deschaght不能说。然而,他同意有很多潜力nanobodies传染病如Covid”以及“在所有疾病领域”。

热的债券

y形的抗体接触使用探测分子的目标,像手指一样的结构,从顶部凸出的伸出手臂。在传统的抗体,这些手指,称为互补决定区(CDRs),形成循环的两个蛋白质链-重型和轻型链。在骆驼科heavy-chain-only抗体,然而,他们是完全重链的形成,并包含三个循环,而不是6个。在骆驼科,无名指比人类的长。一个更微妙的差异,是一个额外的二硫键在骆驼科,第一和第三个手指之间。这些额外的债券已经成为讨论的主题。老实说,这是一个谜,为什么它的存在,”布鲁克斯说。

有人建议,奖金债券可能稳定时间越长无名指联系人抗体的目标。”这一假设,因为绑定循环长很多,如果你把这二硫化,限制循环,有助于绑定,”布鲁克斯说,并补充说在其他抗体与巨大的CDR循环(如牛)几乎肯定是这样。但是,当他和他的同事们在加州州立大学,在美国弗雷斯诺2020年测试这个理论在骆驼的抗体,通过删除额外的二硫化李斯特菌,他们没有看到很多不同的抗体绑定到细菌。至少,这暗示效应并不普遍。

所以有另一种解释吗?研究却显示了,当研究人员把债券然后加热抗体,他们展开和成群在一起——即使冷却他们不能改革。然而债券完好无损,大多数还能再折起。加上认识到债券几乎完全被发现在骆驼和骆驼和羊驼,导致研究者好奇的结论奖金债券可能是一个利基适应炎热的气候。骆驼维持体温(40°C)高于动物在寒冷气候条件下,以防止水通过蒸发损失。通过稳定他们的抗体与额外的债券,他们可能只是拯救他们脱离伤害在沙漠中热量。

在鲨鱼

喂鲨鱼

来源:©布莱斯里/通信/大学威斯康辛大学麦迪逊分校

鲨鱼比骆驼科nanobodies就更小了

赛诺菲安万特,构建一个骆驼农场比鲨鱼,但对于LeBeau——他们声称他发现免疫学“无聊”——鲨鱼是非常有趣的地方。大流行之前不久,他开始与卡罗琳•Barelle Elasmogen首席执行官苏格兰公司发展中单链soloMER抗体药物。Elasmogen一直出血鲨鱼构建合成库包含数十亿的鲨鱼抗体和正在寻找学术合作者与癌症疗法。第一次聊天后,LeBeau立即开始寻找鲨鱼坦克和2020年2月在伦敦Barelle会面,讨论合作项目。,“然后Covid-19是LeBeau说。所以她回到苏格兰,我回到明尼苏达,她打电话给我,说“我想让Covid-19-neutralising(抗体)。””

你可以变异Covid-19飙升95%的蛋白质和我们的一个鲨鱼抗体仍在工作

一起工作,他们经历了Elasmogen合成库,发现一堆Covid-19峰值蛋白质绑定,然后探测细节的绑定交互通过晶体分析在明尼苏达州。LeBeau回忆说,结构性工作显示,“疯狂的分子瑜伽”,小鲨鱼抗体在做进入区域的峰值蛋白质,甚至骆驼抗体无法达到。在测试中对活病毒,研究小组称他们至少一样好人类anti-Covid-19抗体中和病毒,比骆驼科抗体。

这是去年。的病毒进化得如此之快,然而,更重要的是他们明显的抵抗新的变种,如LeBeau解释道。“我们所做的后续研究,我们发现这些鲨鱼抗体对买卖非常有效,”他说,指的是更多的传染性变体,包含至少30突起蛋白的变化,出现于2021年11月在南非。我们甚至做了一些分子建模和发现你可以变异的95%飙升蛋白质和我们的一个(鲨鱼)抗体仍在工作。”

他们的抗体似乎自己麻烦Covid-19绑定一个关键优势。人类抗体直接识别的区域峰值蛋白质接触人类的细胞,一个地区,总是适应和变异的压力下。鲨鱼抗体,另一方面,偷偷下到一个区域,根据LeBeau“从来没有变异”——如果它那么它是高度保守的,甚至早在2003年袭击亚洲的Sars变体。有趣的是,他们还对冠状病毒从野生动物,也有保守区域,有一天蔓延到人类。所以他们可以用于未来的爆发?这是有可能的。他们目前正在测试在老鼠身上,希望下一个大爆发时,他们就会准备好。

所有这一切发生的时候,LeBeau还是鲨鱼坦克虎视眈眈。最后,在2021年,他从威斯康辛州提供了,他现在大量居住鲨鱼与癌症的目标。同事正在研究冠状病毒,而Elasmogen追求关节炎和炎症性肠道疾病的目标。这种可能性似乎没完没了的——从出血热疫苗药物滥用。

对于那些表面上癌症研究员,LeBeau看起来非常迷恋鲨鱼和他们奇怪的抗体。“他们只是神奇,奇怪的小蛋白质,”他说。第二,大柜已经在秩序。

海莉班纳特是一个基于科学作家在布里斯托尔,英国