Temperature differentially affects encounter and docking thermodynamics of antibody-antigen association

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1 Temperature differentially affects encounter and docking thermodynamics of antibody-antigen association Journal of Molecular Recognition, 2002 Claudia A. Lipschultz, Anthony Yee, S. Mohan, Yili Li, Sandra J. Smith-Gill 1

2 Übersicht Motivation/Einführung Versuche/Methoden Ergebnisse Zusammenfassung 2

3 Motivation Ziel: Welche Einflüsse haben Temperaturveränderungen auf die Bildung des Encounter- und des Docking-Komplexes? 3

4 Einführung Bindungsaffinität ist abhängig von: - freie Enthalpie G - Temperatur (da K a = e G/RT ) Grundlegendes thermodynamisches Prinzip: Erhöhung der Temperatur => Erhöhung der Assoziations- und Dissoziationsrate aber: K eq =K a /K d kann variieren 4

5 Einführung Diffusion: G = E el + E ds - TS E el : elektrostatische Energie E ds : Desolvationsenergie TS : Entropieverlust alle 3 Energien sind von der Temperatur abhängig E el und E ds durch Einwirkung von sol => Hydrophober Effekt 5

6 Hydrophober Effekt sol ~ e a+bt Beispiel: (300K) = 178; (360K) = 59 Temperaturerhöhung verstärkt den hydrophoben Effekt (Bei der Berechnung von E el und E ds wird durch sol geteilt) 6

7 Diffusionskoeffizient/- konstante D = (ht)/(6a) a ist der Proteinradius (T) = Ae Ea/RT Viskosität (Arrhenius Gleichung) E a ist die Aktivierungsenergie für ein Molekül um aus dem aus den umliegenden Molekülen gebildeten Gitter auszubrechen Beispiel: ( von Wasser und a=16å) D(300K) = 3.2*10-2 Å/ps D(360K) = 0.14 Å/ps Temperaturanstieg erhöht den Diffusionskoeffizienten 7

8 Versuch + Methoden 2 Antikörper: H10 und H26 90% Sequenz-Homologie Binden an das gleiche Epitop am HEL (hen egg-white lysozyme) Antigene Mutationen erhöhen K eq von beiden Antikörpern Unterschied: Antigene Mutationen verkleinern K a von H26 8

9 Bindungskinetiken von HEL - wurden am besten durch ein 2-Schritte- Assoziationsmodell beschrieben: schneller Encounter-Schritt größter Freie-Energie-Wechsel (-10 /-11 kcal/mol) langsamer Docking-Schritt H10: -2kcal/mol; H26 < -1kcal/mol 9

10 Annahmen Unterschiede in der Kinetik von Encounter- und Docking-Schritt Unterschiede in der Temperaturempfindlichkeit der Assoziationsthermodynamik und beim Schritt vom Encounter- zum Dockingkomplex Temperatur ändert Affinität durch Änderung der Verteilung der freien Energie beim Encounterund Dockingschritt 10

11 Versuch + Methoden Mit Hilfe von BIACORE 1000 und 2000 wurde eine SPR (Surface Plasmon Resonance) durchgeführt => die Wechselwirkungen von Antigen und Antikörpern können hier in Echtzeit verfolgt werden 11

12 Versuch + Methoden 12

13 Auswertung der Daten mittels BIAeval Software Abschätzen der 4 Ratenkonstanten und R max k1 k2 A + B [AB]* AB k-1 k-2 Simulation der Komponentenkurven für [AB]* und [AB] Kreuzungspunkt der beiden Kurven: T 50 -Wert: Zeit, die benötigt wird, um die Hälfte der Antikörper-Antigen-Komplexe zu docken 13

14 Versuch + Methoden benutzt den Marquart-Levenberg Algorithmus, um iterativ die Bindungsdaten von allen Kurven in einer gegebenen Datenmenge an die folgenden Gleichungen anzugleichen 14

15 Versuch + Methoden k1 k2 A + B [AB]* AB k-1 k-2 db/dt = k +1 A B k -1 [AB]* d[ab]*/dt = (k +1 A B - k -1 [AB]*) (k +2 [AB]* - k -2 AB) dab/dt = k +2 [AB]* - k -2 AB 15

16 Änderung der Analyt-Bindung Linie, zu der das Modell gefittet wird encounter-complex docked-complex simulierte component Kurve [AB]* + AB T a = Injektionsdauer 16

17 Änderung der Analyt-Bindung bei Änderung der Temperatur Linie mit den Referenzdaten encounter-complex docked-complex simulierte component Kurve [AB]* + AB T a = 25 min Außer: T a Fab26 bei 37 C = 250 min 17

18 Ergebnisse 18

19 Versuch + Methoden Aus den Ratenkonstanten werden die Gleichgewichtskonstanten berechnet K a1 =k 1 /k -1 und K a2 = k 2 / k-2 K A = K a1 (1+K a2 ) Berechnung der Enthalpie-Änderung aus den Gleichgewichtskonstanten: G 1 = -RTlnK a1 G 2 = -RTlnK a2 G = G 1 + G 2 = -RTlnK A 19

20 Ergebnisse 20

21 Ergebnisse 21

22 Zusammenfassung Temperaturvariationen erzeugen die erwarteten Veränderungen in den Assoziationsprofilen von H10-HEL- und H26-HEL-Komplexen Temperaturvariationen haben einen unterschiedlichen Effekt auf den Encounter- und Docking-Schritt: Encounter-Schritt ist relativ unempfindlich, der Docking-Schritt ist empfindlich gegenüber Temperatur-Änderungen und energetisch weniger vorteilhaft bei höheren Temperaturen Bei höheren Temperaturen ist die Zeit, die zum Docken gebraucht wird, länger und mehr Moleküle bleiben im Encounter-State Bei 37 C docken die meisten H26-Antikörper nicht => Höhere Temperaturen erniedrigen die Docking-Rate und/oder die Stabilität des Docking-Komplexes 22

23 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 23

24 Quellen journal/v3/n12/full/embor013.html 24