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Neuraminidase-Antikörper-Komplex - 3D-Präsentation

Diese 3D-Präsentation vermittelt einen Eindruck von der molekularen Struktur eines Neuraminidase-Antikörperkomplexes. Antikörper sind Proteine mit einer Y-förmigen Gestalt. Sie bestehen aus zwei identischen leichten Ketten (grau und grün in der rechten Abbildung) und zwei identischen schweren Ketten (braun und cyan). Die Arme des Ypsilons werden von zwei identischen Domänen, den Fab-Fragmenten, gebildet, die jeweils aus einer der leichten Ketten und einem Teil einer der schweren Ketten bestehen (grau/cyan und grün/braun). Der Fuß wird von einer weiteren Domäne, dem Fc-Fragment, gebildet, das aus den verbleibenden Teilen der beiden schweren Ketten besteht (braun/cyan). Die Bindungsstellen für das Antigen befinden sich an den Fab-Fragmenten an den äußeren Enden der Y-Arme. Das Fc-Fragment ist u.a. für die Erkennung des Antigen-Antikörper-Komplexes durch Phagocyten erforderlich.

Abb.1
Bändermodell eines Antikörpers

Bändermodell eines vollständigen Antikörpers mit Y-förmiger Gestalt. Er besteht aus zwei identischen Fab-Fragmenten (die beiden oberen Arme des Ypsilons; grau/cyan und grün/braun und einem Fc-Fragment (Fuß des Ypsilons; braun/cyan).

In der 3D-Darstellung (unten) ist der Komplex einer Influenza-Neuraminidase (NA) vom Subtyp N9 (aus einem Vogelgrippe-Virus) mit einem antigenbindenden Fab-Fragment eines Antikörpers (hier der monoklonale Antikörper NC41) gezeigt. Das Fab-Fragment tritt über Aminosäuren aus einem bestimmten antigenbindenden Oberflächenbereich, dem Paratop, mit Aminosäuren aus einem antikörperbindenden Oberflächenbereich, dem Epitop, der Neuraminidase (dem Antigen) in bindende Wechselwirkungen (Salzbrücken, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen). Damit möglichst viele bindende und möglichst wenige abstoßende Wechselwirkungen zustande kommen, müssen Epitop und Paratop in diesem Sinne hochgradig komplementär sein. In diesem Fall sind 17 Aminosäuren des Antikörpers NC41 und 19 Aminosäuren der Neuraminidase (N9) an der Bindung beteiligt. Die hochgradige Komplementarität von Epi- und Paratop und die relativ große Zahl der an der Bindung beteiligten Aminosäuren führen zu der sehr hohen Antigenspezifität (bzw. -selektivität) von Antikörpern. Das Epitop der Neuraminidase liegt zwar in direkter Nachbarschaft zum aktiven Zentrum, die Aminosäuren des aktiven Zentrums sind aber nicht Teil des Epitops und das aktive Zentrum wird vom Antikörper auch nicht direkt verdeckt. Die Antikörper führen nicht in erster Linie zu einer Hemmung der enzymatischen Aktivität der Neuraminidase durch Blockierung des aktiven Zentrums. Stattdessen führen sie das gesamte Neuraminidase- bzw. Antigenmolekül einem vollständigen Abbau in dafür spezialisierten Zellen, den Phagocyten, zu.

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Abb.2
Der PDB-Datensatz für dieses Chime stammt aus der RCSB Protein Data Bank;
ID: 1 N C D.

Berman, H.M., Westbrook, J., Feng, Z., Gilliland, G., Bhat, T.N., Weissig, H., Shindyalov, I.N., Bourne, P.E. (2000) The Protein Data Bank, Nucleic Acids Research 28, 235–242. RCSB Protein Data Bank (http://www.rcsb.org) .

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Literatur

(1997): Die Struktur des Antikörpermoleküls und der Immunglobulingene. In: Immunologie. C. Janeway A. P. Travers (Hrsg.). Spektrum Akademischer Verlag , 85-95
Tulip, W. R.; Varghese, J. N.; Laver, W. G.; Webster, R. G.; Colman, P. M. (1992): Refined Crystal Structure of the Influenza Virus N9 Neuraminidase-NC41 Fab Complex. In: J. Mol. Biol.. 227 (1) , 122-148
Titel des Artikels
Refined Crystal Structure of the Influenza Virus N9 Neuraminidase-NC41 Fab Complex
Abstract
The crystal structure of the complex between neuraminidase from influenza virus (subtype N9 and isolated from an avian source) and the antigen-binding fragment (Fab) of monoclonal antibody NC41 has been refined by both least-squares and simulated annealing methods to an R-factor of 0.191 using 31,846 diffraction data in the resolution range 8.0 to 2.5 A. The resulting model has a root-mean-square deviation from ideal bond-length of 0.016 A. One fourth of the tetrameric complex comprises the crystallographic model, which has 6577 non-hydrogen atoms and consists of 389 protein residues and eight carbohydrate residues in the neuraminidase, 214 residues in the Fab light chain, and 221 residues in the heavy chain. One putative Ca ion buried in the neuraminidase, and 73 water molecules, are also included. A remarkable shape complementarity exists between the interacting surfaces of the antigen and the antibody, although the packing density of atoms at the interface is somewhat looser than in the interior of a protein. Similarly, there is a high degree of chemical complementarity between the antigen and antibody, mediated by one buried salt-link, two solvated salt-links and 12 hydrogen bonds. The antibody-binding site on neuraminidase is discontinuous and comprises five chain segments and 19 residues in contact, whilst 33 neuraminidase residues in eight segments have 899 A2 of surface area buried by the interaction (to a 1.7 A probe), including two hexose units. Seventeen residues in NC41 Fab lying in five of the six complementarity determining regions (CDRs) make contact with the neuraminidase and 36 antibody residues in seven segments have 916 A2 of buried surface area. The interface is more extensive than those of the three lysozyme-Fab complexes whose crystal structures have been determined, as judged by buried surface area and numbers of contact residues. There are only small differences (less than 1.5 A) between the complexed and uncomplexed neuraminidase structures and, at this resolution and accuracy, those differences are not unequivocal. The main-chain conformations of five of the CDRs follow the predicted canonical structures. The interface between the variable domains of the light and heavy chains is not as extensive as in other Fabs, due to less CDR-CDR interaction in NC41. The first CDR on the NC41 Fab light chain is positioned so that it could sterically hinder the approach of small as well as large substrates to the neuraminidase active-site pocket, suggesting a possible mechanism for the observed inhibition of enzyme activity by the antibody.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)
Tulip, W. R.; Varghese, J. N.; Webster, R. G.; Laver, W. G.; Colman, P. M. (1992): Crystal Structure of two Mutant Neuraminidase-Antibody Complexes with Amino Acid Substitutions in the Interface. In: J. Mol. Biol.. 227 (1) , 149-159
Titel des Artikels
Crystal Structure of two Mutant Neuraminidase-Antibody Complexes with Amino Acid Substitutions in the Interface
Abstract
The site on influenza virus N9 neuraminidase recognized by NC41 monoclonal antibody comprises 19 amino acid residues that are in direct contact with 17 residues on the antibody. Single sequence changes in some of the neuraminidase residues in the site markedly reduce antibody binding. However, two mutants have been found within the site, Ile368 to Arg and Asn329 to Asp selected by antibodies other than NC41, and these mutants bind NC41 antibody with only slightly reduced affinity. The three-dimensional structures of the two mutant N9-NC41 antibody complexes as derived from the wild-type complex are presented. Both structures show that some amino acid substitutions can be accommodated within an antigen-antibody interface by local structural rearrangements around the mutation site. In the Ile368 to Arg mutant complex, the side-chain of Arg368 is shifted by 2.9 A from its position in the uncomplexed mutant and a shift of 1.3 A in the position of the light chain residue HisL55 with respect to the wild-type complex is also observed. In the other mutant, the side-chain of Asp329 appears rotated by 150 degrees around C alpha-C beta with respect to the uncomplexed mutant, so that the carboxylate group is moved to the periphery of the antigen-antibody interface. The results provide a basis for understanding some of the potential structural effects of somatic hypermutation on antigen-antibody binding in those cases where the mutation in the antibody occurs at antigen-contacting residues, and demonstrate again the importance of structural context in evaluating the effect of amino acid substitutions on protein structure and function.