I型糖尿病（Type 1 diabetes, T1D）是由于免疫系统攻击胰脏内的胰岛β细胞，导致胰岛素缺失、血糖水平过高的一种自身免疫性疾病。目前T1D的发病率在全球呈显著上升趋势，每100位糖尿病患者中就有约5位T1D患者，尤其在儿童及青少年糖尿病患者中，T1D所占比例高达80%~90%。T1D的治疗主要依赖于外源性胰岛素注射，无法精准调控机体血糖水平，存在低血糖等副作用。因此，寻找和开发新的治疗方法是T1D患者的迫切需求。2019年，周如鸿教授团队及合作者发现了一种新的自身抗原X-autoantigen（也称X-idiotype），X-autoantigen结合抗原呈递蛋白HLA-DQ8（T1D的主要风险等位基因）的能力比胰岛素强约1000倍，但其分子机理尚不完全清楚。
2023年4月11日，浙江大学生命科学学院周如鸿教授团队在PNAS杂志上在线发表了题为“A mutagenesis study of autoantigen optimization for potential T1D vaccine design”的研究论文，该论文深入研究了X-autoantigen与HLA-DQ8相互作用的机制，并设计出一系列可被应用为HLA阻滞剂或TCR功能调节剂的自身抗原，为开发更有效、更安全、更个体化的免疫疗法提供了新思路。
首先，作者团队使用全原子分子动力学模拟了自身抗原X-autoantigen与HLA-DQ8的动态相互作用。通过对HLA与抗原进行接触分析，设计了相关表位处的点突变、交换突变、双重突变等，得到可增强抗原与HLA结合亲和力的新突变体。进一步分析有利双突变的能量贡献度，发现核心表位p6位置上的Tyr（Tyr6）突变对增强抗原与HLA的结合亲和力起关键性作用（图1）。计算结果显示，突变体亲和力与残基体积呈适度的相关性，但与Eisenberg疏水性没有相关性。
图1：X-autoantigen双突变贡献分解及p6位置上Tyr6突变的自由能变化结果
基于上述分析，作者团队进一步探究了抗原突变对pHLA-TCR结合的影响。FEP计算结果表明，Tyr6突变体Y6C和Y6I能增强pHLA与TCR的结合亲和力，可作为调节TCR功能的候选药物。另一方面，不利的TCR结合可以降低自身免疫性疾病的发生风险，此时突变体V5Y_Y6V、Y6Q_Y7Q更有效。总的来说，核心表位p6突变为较小的疏水/亲水残基可改善X-autoantigen与HLA-DQ8的结合亲和力。同时，p6突变体（Y6V），p5-p6交换突变体（V5Y_Y6V）和p6-p7双突变体（Y6Q_Y7Q）可被用作调节pHLA-TCR结合的潜在治疗性药物。突变体 M2 (Y6V_Y7V)、M3 (Y6Q_Y7Q)、M4 (Y6C) 和 M5 (Y6V) 对pHLA-TCR亲和力的预测效果与 CD4 T 细胞增殖的实验结果情况一致（相对于X-autoantigen），见图2。
图2：X-autoantigen突变体的T细胞增殖实验结果
该研究使用理论与实验相结合的方法，对T1D 患者身上发现的 X-autoantigen自身抗原进行突变分析，优化设计出了新型抗原，为开发全新自身抗原免疫疗法提供了新思路。
该工作与约翰霍普金斯大学医学院合作完成，浙江大学生命科学学院、定量生物中心博士生宋伊、原IBM托马斯-J-沃森研究中心博士后David Bell为共同第一作者，浙江大学周如鸿教授为论文通讯作者。浙江大学定量生物中心博士后陈骏、IBM托马斯-J-沃森研究中心博士后Sangyun Lee也参与了本工作。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，国家生物药创新中心，国家自主创新示范区上海张江重大专项，浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等资助。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214430120
【团队简介】
周如鸿，AAAS Fellow, APS Fellow, 浙江大学求是讲席教授，定量生物中心主任。长期从事计算生物学、生物物理、生物化学与人工智能+等交叉学科的研究，在蛋白质设计、纳米药物设计、肿瘤免疫机制等领域取得了一系列国际领先的原创性成果。授权30余项国际专利，在Nature，Science，Cell等国际权威学术刊物发表论文300余篇 (其中 1篇 Cell，2篇 Nature，2篇 Science，19篇 Nature子刊，17篇 PNAS， 14篇 JACS)，文章总引用超过25000余次，H因子81 （Google Scholar）。近年来主要研究兴趣包括开发高性能计算与机器学习等新算法研究肿瘤免疫分子机制，高效抗肿瘤纳米药物，和生物大分子互作机理等。欢迎访问周如鸿教授个人主页：https://person.zju.edu.cn/ruhong