Investigation of Conformational Changes in Antibodies Using Computational Methods

Abstract

Antikorlar, insan vücudunda lenf düğümlerinde ve kanda dolaşan, antijenleri tespit ve nötralize eden büyük proteinlerdir. Antijenler epitop bölgelerinden etkileşime girerken, antikorlar paratop bölgelerinden etkileşime girerek spesifik olarak birbirlerine bağlanırlar. Proteinler olarak antikorlar dinamik yapılardır ve konformasyonel değişikliklere uğrarlar. Antijenler ve antikorlar arasındaki spesifik bağlanmanın bir sonucu olarak, her iki yapıda da büyük veya küçük konformasyonel değişikliklere yol açan bir alosterik etki meydana gelebilir. Hesaplamalı bilimler yöntemleri kullanılarak antikorlar, antijenler ve bunların komplekslerindeki alosterik etkinin detaylı olarak çalışılmadığı görülmüştür. Bu tez, antijen-antikor etkileşimi sonucunda oluşan kompleks yapıda alosterik değişimlerin meydana geldiği kritik amino asit bölgelerinin hesaplamalı yöntemler kullanılarak belirlenmesini amaçlamaktadır. Bu amaca ulaşmak için Protein Veri Bankası'ndan (PDB) seçilen yapılara 'Temel Bölge Tarama Analizi (ESSA)' yöntemi uygulanarak antijen ve antikorlar üzerindeki olası ligand/protein bağlanma bölgeleri tahmin edilmiştir. Antikorlar, özellikle tamamlayıcılığı belirleyen bölgeler (CDRs) ve antijenler üzerindeki kritik amino asitler incelenen çoğu yapı için başarılı bir şekilde tahmin edilmiştir. Ayrıca, başarısız olunan yapılar için ilave araştırmalar yapılmış ve 'ClustENMD' yöntemi kullanılarak konformasyonel örneklemeler geliştirilmiştir. İyileşmiş ESSA sonuçları elde edilmiş ve CDR'lar üzerindeki bazı amino asitler tespit edilmiştir. Yapı dinamiği üzerinden potansiyel bir alosterik etkiye sahip kritik amino asitlerin tespiti, terapötik monoclonal antikorların (mAb) geliştirilmesine potansiyel olarak katkıda bulunabilir. Bu tez, antikorların ve antijenlerin içsel dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını ve gözlemlenmesini sağlayacaktır.

Antibodies are large proteins that circulate through the human body in the lymph nodes and blood, identifying and neutralizing antigens. Antigens interact from their epitope regions, whereas antibodies interact from their paratope regions to bind specifically to each other. Antibodies as proteins are dynamic structures and undergo conformational changes. As a result of specific binding between antigens and antibodies, an allosteric effect might occur, which leads to large or small conformational changes in both structures. It has been observed that the allostery in antibodies, antigens, and their complexes using computational sciences methods has not been studied in detail. This thesis aims to determine the critical amino acid regions where allosteric changes occur in the complex structure formed due to antigen-antibody interaction using computational methods. To achieve this goal, 'Essential Site Scanning Analysis (ESSA)' method was applied to the structures selected from the PDB to predict the possible ligand/protein binding sites on antigens and antibodies. Critical residues on antibodies, especially on the complementarity-determining regions (CDRs), and antigens were successfully predicted for most of the cases studied. In addition, further investigation for unsuccessful cases was done, and conformational sampling was enhanced using 'ClustENMD' method. Improved ESSA results were obtained, and a few residues were detected on CDRs. Detection of critical amino acids that have a potential allosteric effect on the dynamics can potentially contribute to the development of therapeutic mAbs. This thesis would provide a better understanding and observation of the intrinsic dynamics of antibodies and antigens.