CC BY
17
Original articles
Оригинальные статьи
Russian Journal of Infection and Immunity = Infektsiya i immunitet Инфекция и иммунитет
2020, vol. 10, no. 4, pp. 695-706 2020, Т. 10, № 4, с. 695-706
БИОИНФОРМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОЙ ПРИЧИНЫ ПЕРЕКРЕСТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АНТИТЕЛ С АНТИГЕНАМИ, ПРИНАДЛЕЖАЩИМИ К РАЗНЫМ ПАТОГЕННЫМ ТИПАМ ВИРУСА ПАПИЛЛОМЫ ЧЕЛОВЕКА
А.С. Столбиков1,2, Р.К. Саляев1, Н.И. Рекославская1,3
1 Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск, Россия 2Иркутский государственный университет, г. Иркутск, Россия 3Иркутский научный центр СО РАН, г. Иркутск, Россия
Резюме. Вирус папилломы человека (ВПЧ) относится к группе чрезвычайно распространенных вирусных инфекций, передающихся преимущественно половым путем. Вирус папилломы человека вызывает рак шейки матки, который является четвертой по распространенности формой рака у женщин. В 2012 г. было зафиксировано 266 тыс. смертей и 528 тыс. новых случаев. На сегодняшний день в мире созданы 3 профилактические вакцины против ВПЧ — двухвалентная «Церварикс», четырехвалентная «Гардасил» и девятивалентная «Гар-дасил-9». В процессе научного исследования этих вакцин выяснилось, что они способны индуцировать выработку антител к типам ВПЧ, антигенные белки которых не содержатся в составе вакцинного препарата. Причины такого перекрестного взаимодействия антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам ВПЧ, не определены. Данная работа посвящена попытке с помощью биоинформационных методов найти вероятное объяснение перекрестного взаимодействия антител к одним типам вирусов с антигенами других. Это даст возможность в будущем оптимизировать процесс создания кандидатных вакцин и получать более эффективные поливалентные иммунобиологические препараты против ВПЧ. В исследовании нами использованы аминокислотные последовательности белка L1 оболочки вирусов ВПЧ 4 наиболее онкогенных типов (16, 18, 31, 45). Последовательности были извлечены из международной базы данных NCBI (National Center for Biotechnology Information) и выровнены в программе «Clustal Omega» и в редакторе «BioEdit». Поиск и анализ потенциальных антигенных детерминант мы проводили с помощью программ «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor», «DiscoTope 2.0 Server», «SYFPEITHI». Результаты биоинформационного исследования выявили значительный потенциал перекрестного взаимодействия антител с антигенами, принадлежащими к патогенным типам ВПЧ (16, 18, 31, 45) за счет сходства антигенных детерминант. Были обнаружены общие линейные детерминанты для Т-клеток и В-клеток у всех 4 типов вирусных белков L1. Также обнаружены сходные трехмерные антигенные детерминанты для В-клеток у ВПЧ16 L1 и ВПЧ18 L1. Антигенные
Адрес для переписки:
Столбиков Алексей Сергеевич
664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132,
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН.
Тел.: 8 (3952) 42-46-59. Факс: 8 (3952) 51-07-54.
E-mail: [email protected]
Библиографическое описание:
Столбиков А.С., Саляев Р.К., Рекославская Н.И. Биоинформатический анализ возможной причины перекрестного взаимодействия антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам вируса папилломы человека // Инфекция и иммунитет. 2020. Т. 10, № 4. С. 695-706. doi: 10.15789/2220-7619-TBA-1263
Contacts:
Aleksey S. Stolbikov
664033, Russian Federaton, Irkutsk, Lermontov str., 132, Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS. Phone: +7 (3952) 42-46-59. Fax: +7 (3952) 51-07-54. E-mail: [email protected]
Citation:
Stolbikov A.S., Salyaev R.K., Rekoslavskaya N.I. Bioinformatics analysis of putative causes for cross-reactive antibodies interacting with antigens derived from various pathogenic human papillomaviruses // Russian Journal of Infection and Immunity = Infektsiya i immunitet, 2020, vol. 10, no. 4, pp. 695-706. doi: 10.15789/2220-7619-TBA-1263
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Иркутской области в рамках научного проекта № 20-44-380001. © Столбиков А.С., Саляев Р.К., Рекославская Н.И., 2020 DOI: http://dx.doi.org/10.15789/2220-7619-TBA-1263
детерминанты ВПЧ16 L1 и ВПЧ31 L1 более близки друг другу. Сходство наблюдается между ВПЧ18 L1 и ВПЧ45 L1. Поэтому при иммунизации ВПЧ16 L1 стоит ожидать более выраженного перекрестного взаимодействия антител с антигенами ВПЧ31 L1 и умеренного с ВПЧ18 L1 и ВПЧ45 L1. Напротив, при иммунизации ВПЧ18 L1 возможно активное перекрестное взаимодействие антител с антигенами ВПЧ45 L1 и менее выраженное с ВПЧ16 L1 и ВПЧ31 L1.
Ключевые слова: антигенные детерминанты, В-клетки, ВПЧ16L1, ВПЧ18L1, ВПЧ31L1, ВПЧ45L1.
BIOINFORMATICS ANALYSIS OF PUTATIVE CAUSES FOR СROSS-REACTIVE ANTIBODIES INTERACTING WITH ANTIGENS DERIVED FROM VARIOUS PATHOGENIC HUMAN PAPILLOMAVIRUSES
Stolbikov A.S.ab, Salyaev R.K.a, Rekoslavskaya N.I.ac
a Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk, Russian Federaton bIrkutsk State University, Irkutsk, Russian Federaton
c Irkutsk Research Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russian Federaton
Abstract. Human papillomaviruses (HPVs) belong to highly abundant resulting in sexually transmitted virus infections, and cause cervical cancer holding place 4 among most common cancer types in women. In 2012, there were registered 266,000 death cases and 528,000 new cases. At present, three HPV prophylactic vaccines were generated worldwide: bivalent Cervarix, quadrivalent Gardasil and nonavalent Gardasil-9. Examining such vaccines uncovered that they are able to induce anti-HPV antibody production against viral antigens lacked in vaccine formula. The mechanism of such cross-neutralizing antibodies recognizing antigens derived from various HPV pathogenic types remains unknown. In our study we attempted to uncover putative basis underlying cross-reactive interaction between vaccine-induced antibodies and non-vaccine antigens by bioinformatical approaches, that might allow optimize generation of future candidate vaccines and obtain more effective polyvalent immunobiological preparations against HPV. We used amino acid sequences of L1 coat protein of four top high-risk oncogenic HPV types (16, 18, 31 and 45) in the study. Work sequences were retrieved from the International Data Base of NCBI (National Center for Biotechnology Information) and aligned by using Clustal Omega' and BioEdit software. A search and analysis of distinct antigenic determinant (epitopes) were performed by using software suite BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor, DiscoTope 2.0 Server, and SYFPEITHI. Bioinformat-ics data revealed pronounced potential of cross-neutralizing vaccine-induced antibodies and non-vaccines antigens derived from high-risk pathogenic types HPV 16, 18, 31 and 45 owing to the similarity in antigenic determinants (epitopes). Common linear determinants for T- and B-cells were found in all four types of L1 protein counterparts. In addition, similar three-dimensional B-cell determinants were discovered in HPV16 L1 and HPV18 L1. Antigenic determinants derived from HPV16 L1 and HPV31 L1 exhibited most close similarity. Hence, while immunizing with HPV16 L1, a more pronounced and moderate cross-reactive antibodies interacting with HPV31 L1 as well as HPV18 L1 and HPV45 L1 antigens, respectively, should be expected. Inversely, immunization with HPV18 L1might elicit active and less efficient cross-neutralizing response with HPV45 L1 as well as HPV16 L1 and HPV31 L1, respectively.
Key words: antigenic determinants, B-cell, HPV16L1, HPV18 L1, HPV31L1, HPV45 L1.
Введение
Вирус папилломы человека (ВПЧ) относится к группе чрезвычайно распространенных вирусных инфекций, передающихся преимущественно половым путем. По последним данным, во многих индустриально развитых странах распространенность ВПЧ-инфекции у молодых женщин составляет 40—80%, а вероятность персистенции ВПЧ-инфекции — 80— 90% [1, 5]. При этом, по прогнозам специалистов, к возрасту 50 лет почти у 80% женщин будет выявлен тот или иной тип ВПЧ [12, 14]. На сегодняшний день в медицине известно более 200 видов ВПЧ. Из них более 40 видов могут вызвать поражение аногенитального тракта (половые органы и перианальная область) и по-
явление остроконечных кондилом у мужчин и женщин. Вирус папилломы человека вызывает рак шейки матки, который является четвертой по распространенности формой рака у женщин. В 2012 г. было зафиксировано 266 тыс. смертей и 528 тыс. новых случаев. Большая часть (около 85%) ВПЧ-инфекции сосредоточена в менее развитых регионах, где на их долю приходится почти 12% всех раковых заболеваний у женщин (ВОЗ, 2012).
Хотя в большинстве случаев инфицирования ВПЧ не возникает никаких симптомов, хроническая генитальная ВПЧ-инфекция может вызвать рак шейки матки. ВПЧ может также вызвать другие виды рака аногенитальной области, головы и шеи, а также остроконечные кондиломы у мужчин и женщин.
На сегодняшний день в мире созданы и успешно применяются 3 профилактические вакцины против ВПЧ — двухвалентная («Церварикс», типы вирусов 16 и 18), четырехвалентная («Гардасил», типы вирусов 16, 18, 6 и 11) и девятивалентная («Гардасил-9», типы вирусов 16, 18, 31, 33, 45, 52, 6 и 11). В большинстве стран, где эти вакцины одобрены для применения, первичной целевой группой для иммунизации против ВПЧ являются девочки-подростки в возрасте от 9 до 14 лет. Данные клинических испытаний и первичного послерегистрацион-ного эпиднадзора, проведенных на нескольких континентах, свидетельствуют о безопасности этих вакцин. Считается, что эти профилактические вакцины обеспечивают защиту на 70% («Гардасил») и на 90% («Гардасил-9») от ВПЧ высокого риска онкогенности, а также от аногени-тальных папилломатозов.
В процессе исследования этих вакцин выяснилось, что они способны индуцировать синтез антител к типам ВПЧ, антигенные белки которых не содержатся в составе вакцинного препарата [4, 6, 10, 20, 22]. В нашей работе, посвященной разработке четырехвалентной пероральной вакцины против цервикального рака на базе трансгенных растений, мы также обнаружили, что антитела к антигенному белку ВПЧ16 L1 могут взаимодействовать с антигенами других вирусов ВПЧ, вызывающих цервикальный рак. Оказалось, что антитела к ВПЧ 16 L1 успешно реагируют с антигенами ВПЧ18 L1, ВПЧ31 L1 и ВПЧ45 L1 [17]. Некоторые авторы отдельно отмечают, что на перекрестное взаимодействие антител с антигенами оказывают влияние следующие факторы: доза вводимых антигенов ВПЧ при вакцинировании; продолжительность времени, прошедшего после вакцинирования; пол и ВИЧ-статус [20, 22].
Существуют несколько предположений, которые могут объяснить возможности подобного взаимодействия антигенных белков с неродственными антителами. Прежде всего, это возможно в случае сходства антигенных детерминант у разных типов ВПЧ. Такое сродство может наблюдаться как в линейных, так и конформационных (трехмерных) эпитопах или в одном из них. Второе предположение касается полиморфного распределения эпитопов (epitope spreading). Суть его заключается в том, что в результате внутри- и межмолекулярных перестроек формируются новые вторичные эпитопы, отличающиеся от исходных первичных эпитопов, возникающих под влиянием патогена. Эти вторичные эпитопы формируют новые пептиды, распознаваемые антигенпре-зентирующими T-клетками, которые стимулируют образование новой иммунологической памяти. При этом происходит модификация
популяции T-клеток и создаются самораспознаваемые T-клеточные мишени для деградации тканей [6, 11, 15, 20]. Третьей причиной перекрестного взаимодействия может выступать процесс индукции синтеза антител dе novo, который происходит при участии пептидов главного комплекса гистосовместимости [11].
Анализ литературных данных показал, что зарубежные исследователи активно интересуются этим направлением работ. Ведутся исследования по увеличению спектра действия профилактических вакцин против ВПЧ. Однако, по мнению ряда ученых, классический подход, заключающийся во включении в вакцинный препарат большего количества антигенных белков, относящихся к различным типам ВПЧ, практически исчерпал себя. Так, девятивалентная вакцина «Гардасил-9» уже содержит максимально допустимое количество антигенных белков (270 мкг белка в одной дозе), при этом она не обеспечивает защиту примерно в 10% случаев. К тому же увеличение разнообразия антигенных белков в вакцинном материале связано с повышением сложности производства и увеличением затрат при изготовлении подобных вакцин. Поэтому зарубежные исследователи, используя различные методы биоинформатического анализа, активно изучают перекрестное взаимодействие антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам ВПЧ. На основе полученных данных они предпринимают попытки по созданию вакцин на основе химерных антигенных белков, содержащих общие для нескольких типов ВПЧ антигенные детерминанты [11].
Нас заинтересовали факты перекрестного взаимодействия антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам ВПЧ, и мы решили провести работу по определению причины данного явления с использованием биоинформационных методов и ресурсов. По нашему мнению, более вероятное объяснение перекрестного взаимодействия между антителами к одним типам вирусов и антигенами других лежит в области того или иного сходства антигенных детерминант. Поэтому задачей исследования стало проведение анализа имеющихся литературных данных, а также массивов биологической информации по аминокислотным последовательностям основного антигенного белка L1 различных типов ВПЧ, хранящихся в общедоступных научных базах.
Получение данных о сходстве антигенных детерминант различных типов ВПЧ может способствовать оптимизации процесса создания новых перспективных вакцинных препаратов против максимального количества высокоон-когенных типов папилломавирусов.
Материалы и методы
Выравнивание антигенных детерминант разных типов ВПЧ. Для сравнения антигенных детерминант разных типов ВПЧ мы использовали полноразмерные аминокислотные последовательности, полученные в формате FASTA из базы данных NCBI (GenBank). Образцы ВПЧ (16, 18, 31, 45) из банка данных были выбраны не случайно: именно их нуклеотидные последовательности, кодирующие белок L1, использовались нами в генетических конструкциях для получения пероральной вакцины против цервикального рака, создаваемой с помощью растительной экспрессирующей системы на основе трансгенных плодов томата [17, 18, 19]. Испытание данной вакцины на мышах выявило перекрестное взаимодействие антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам ВПЧ [17]. Из базы NCBI также извлекались все имеющиеся там варианты полноразмерных белковых сиквенсов L1 по каждому из 4 типов ВПЧ. Это было необходимо для проведения множественного выравнивания всех известных изолятов ВПЧ каждого типа и последующего определения различия антигенных детерминант в пределах одного типа.
Выравнивание аминокислотных последовательностей проводили с помощью программы «Clustal Omega», находящейся на сервере Европейской молекулярно-биологической лаборатории — EMBL-EBI (http://www.ebi.ac.uk/ clustalw/index.html), а также редактора множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей «BioEdit». Филогенетические деревья строили с помощью программы «Simple Phylogeny» (EMBL-EBI) методом «ближайшего соседа» (neighbour-joining).
Анализ потенциальных антигенных детерминант. Потенциальные линейные антигенные детерминанты для В-клеток искали с помощью программы «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor», находящейся на сервере http://www.cbs.dtu.dk/services (Датский технический университет DTU Bioinformatics). Потенциальные трехмерные антигенные детерминанты для В-клеток искали с помощью программы «DiscoTope 2.0 Server» (http://www.cbs. dtu.dk/services/DiscoTope, Датский технический университет DTU Bioinformatics). Анализ проводили с максимально строгими для программы условиями: чувствительность 47%, специфичность 75%. Трехмерную модель белка HPV L1, которую мы использовали для выявления антигенных детерминант, извлекали из международной базы данных трехмерных структур белков Protein Data Bank (PDB). Для определения потенциальных антигенных детерминант для Т-клеток мы использовали программу «SYFPEITHI», располагающуюся на сервере http://www.syfpeithi.de/bin/MHCServer.dll/ EpitopePrediction.htm (BMI (Biomedical Informa-tics)-Heidelberg).
Результаты
Выравнивание антигенных детерминант
Аминокислотные последовательности белка L1 оболочки вирусов ВПЧ 4 типов — 16 (NCBI AAQ10719.1), 18 (NCBI AAP20601.1), 31 (NCBI AEI61029.1), 45 (NCBI CAB44705.1 L1), были извлечены из международной базы данных NCBI и выравнены в программе «Clustal Omega» и в редакторе «BioEdit» (рис. 1). Так как антигенные детерминанты белка L1 в научной литературе предсказываются чаще всего для ВПЧ16
н a, lea«*««,
~Эв
SU.!
HPV16 LI AAQ10719 HPV18 LI AAP20601 HPV31 LI AEI61029 HPV45 LI CAB4 47Q5
П '
ii»mJTelB)l 1ЯИв;аг|й!8Я(1ГЗ ®М1Ж З^м«"1
I..., Ii,..,I,,,,I,,,,I11..
10 20 30 40 50
MSLWLPSEATVYLPPVPVSKVVSTDEYVARTMIYYHA -TSRLLAV -HPYFPIKKPttftt-li
.A..R..DN......PS . AR. .N. .D..T..S.F....S____Т. .!■!. . . R-VPA : . .
R . . . T. ЗА. . Т. YS. P.ED PK
.A..R..DS......PS. AR. .]■!. . D. . 3. . S. F. . . . 3. . . . T. . H. . . RVVPSGAG.
Ä(Äj|
Results for job clustalo-120191121 -063447-0298-37684731 -p1 m
Alignments
_ Result Summaiy Guide Tree Phylogenese Tree Results Viewers Submission Details
Download Alignment File Hide Colors
CLUSTAL 0(1.1.4) Multiple sequence Aligmerit
HPV18 HAL URPS0NTVYL PPP5VARVUHTD0YUTRTSIFYHAGSSRL L TVüNPVF RV-PAGGGNK 59
HPV45 HAL HRPSDSTVYL PPPSVARVVNTDDYVSRTSIFYHAGSSRLL TVGNPYF RVVPSGAGNK 60
HPV16 HSLMLPSeATmPPyPVSKVVSTDEYVAflTNlYrHAGTSRLLAVühPYFPlKKPHN-NK 59
HPV31 H5L HRPSE ATVYL PPVPVSKVVSTDE YVTRTNIYi^HAtjSARLL TVIJHPYVSIPKSONPKK 6S
Б (Bj
Рисунок 1. Выравнивание аминокислотных последовательностей L1 белка 4 типов ВПЧ
Figure 1. The alignment of amino acid sequences L1 protein of 4 types HPV А) Редактор «BioEdit». Б) Программа «Clustal Omega». A) Editor "BioEdit". B) Program "Clustal Omega".
Branch length: С Cladogram ® Real
Рисунок 2. Филогенетическое древо, построенное с помощью программы «Simple Phylogeny» (EMBL-EBI) методом ближайшего соседа (neighbour-joining)
Figure 2. The phylogenetic tree was constructed using the program "Simple Phylogeny" (EMBL-EBI) by the nearest neighbor (neighbor-joining) method
(в нашей работе перекрестное взаимодействие антигенов наблюдалось именно с антителами на HPV16 L1), то выравнивание и обрезку аминокислотной последовательности мы проводили относительно ВПЧ16 [8, 9, 13, 21].
По результатам выравнивания было построено филогенетическое древо (рис. 2), которое показывает высокое сродство последовательностей разных типов вируса, в особенности между 16 и 31 типами. Несколько отличаются от них 45 и 16 тип, которые эволюционно более близки между собой. Мы предположили, что так как 4 типа вирусов филогенетически близки, то их антигенные детерминанты располагаются примерно в одних и тех же участках линейной аминокислотной последовательности, и их молекулы формируют схожие трехмерные структуры.
Анализ потенциальных трехмерных антигенных детерминант для В-клеток
Поиск потенциальных трехмерных антигенных детерминант для В-клеток мы начали с изучения базы данных PDB на предмет подходящих трехмерных моделей белка HPV16 L1 «DiscoTope 2.0 Server». Из 11 доступных трехмерных моделей выбрали одну (1DZL, DOI: 10.2210/pdb1DZL/ pdb; https://www.rcsb.org/structure/1dzl), которая наиболее удовлетворяла нашим условиям и параметрам программы «DiscoTope 2.0 Server» [7]. Программа указала на существование группы потенциальных антигенных детерминант, способных взаимодействовать с В-клетками иммунной системы. Одна из аминокислотных последовательностей, указанная программой (405—443), практически полностью совпала с описанной в литературе наиболее вероятной антигенной детерминантой в третичной структуре HPV16 L1 (402-446) [13]. Так как в научном источнике указывалось, что на данном участке белковой молекулы, в позициях 420-429, должны быть аминокислоты, обладающие наиболее
А 54 LÏS 4 1.415 0. 792 <-B
А 55 PRO 0 2.587 2. 290 <-B
А 56 ASN 0 4 .447 3. 936 <-В
А 57 ASK S 4.017 2. 635 <-3
А 58 ASH 0 4.187 3. 706 <-в
А 59 LYS 1 3.644 3. 110 <-в
А 60 ILE 10 -0.911 -1 .956 <-в
А 61 LEO 7 -1.942 -2 .524 <-в
А 272 PRO 2 -2.472 -2 .418 <-в
А 273 ASP 4 -2.828 -2 .962 <-в
А 211 ASP 1 -0.890 -0 .894 <-в
А 275 LEO 6 -3.114 -3 .446 <-в
А 276 TYR 13 -3.732 -4 .798
А 211 ILE 4 -3.251 -3 .337 <-в
А 279 LYS 3 -3.462 -3 .409 <=в
А 301 THR 7 -0.567 -1 .307 <=в
А 302 SER 1 -1.418 -1 .370 <-в
А 303 ASP 1 -2.092 -1 .966 <-в
А 350 THR 0 -4.082 -3 .613 <-3
А 351 SER 5 -2.752 -3 .011 <-в
А 352 GLO 10 -2.227 -3 .121 <=в
А 353 THR 0 -2.126 -1 .881 <=в
А 3S1 THR 2 -1.995 -1 .995 <-в
А 355 TYR 3 -2.902 -2 .914 <-в
А 405 SLY 17 -1.890 -3 .619 <-в
А 406 LEO 15 -1.372 -2 .940 <-в
А 407 GLN 10 -0.821 -1 .877 <-в
А 403 PRO 6 -0.792 -1 .391 <=в
А 409 PRO 13 -0.712 -2 .125 <-в
А 410 PRO 2 0.100 -0 .142 <-в
А 411 GLY 0 о.Збо 0. 318 <-в
А 412 GLY 12 -0.140 -1 .504 <-в
А 413 THR 3 -0.415 -0 .712 <-в
А 414 LEO 0 -1.799 -1 .592 <=в
А 415 GLO 1 -1.927 -1 .820 <=в
А 416 ASP в -1.657 -2 .387 <=в
А 417 THR 5 -1.156 -1 .598 <-в
А 41S TYR 4 -2.326 -2 .519 <-в
А 419 ARS 9 -1.907 -2 .608 <-в
А 420 PHE 15 -1.768 -3 .290 <-в
А 4 21 VAL 8 -1.850 -2 .558 <=в
А 422 THR 6 -2.316 -2 .739 <=в
А 423 SER 13 -2.481 -3 .691 <=в
А 121 GLN 13 -1.136 -2 .500 <-в
А 425 ALA 7 -2.403 -2 .932 <-в
А 426 ILE 5 -2.345 -2 .651 <-в
А 427 ALA 13 -0.637 -2 .059 <-в
А 423 CYS 7 -1.160 -1 .831 <=в
А 429 GLN S -1.661 -2 .505 <=в
А 430 LYS 0 -0.446 -0 .395 <=в
А 431 HIS 9 0.340 -0 .735 <-в
А 432 THR 1 1.411 î. 134 <-в
А 433 PRO 4 1.847 î. 175 <-в
А 434 PRO 10 3.387 î. 847 <=в
А 435 ALA 2 4.991 4. 187 <=в
А 436 PRO 2 2.876 2. 315 <=в
А 437 LYS 11 2.329 0. 795 <-в
А 432 GLO 4 2.366 1. 634 <-в
А 439 ASP 13 -0.087 -1 .572 <-в
А 440 PRO 12 0.756 -0 .711 <-в
А 441 LEO 25 -4.094 -6 .498
А 442 LYS 5 0.642 -0 .007 <=в
А 113 LYS 7 0.098 -0 .718 <=в
Рисунок 3. Результат обработки трехмерной структуры белка HPV16 L1 в программе «DiscoTope 2.0 Server»
Figure 3. The result of processing three-dimensional structure of the HPV16 L1 protein in the program "Disco Tope 2.0 Server"
Примечание. <=B — вероятные антигенные детерминанты. Note. <=B — probable antigenic determinants.
выраженными антигенными свойствами, то мы решили сравнить последовательности 4 типов ВПЧ именно в этом месте белкового сиквенса. Кроме того, программа «DiscoTope 2.0 Server» указала на следующие последовательности, которые могут выступать в качестве антигенных детерминант: 53-61, 272-278, 301-303, 350-358 (рис. 3).
A 53 PRO 3 -1.009 -1.238 <=B
A 54 ALA 0 0.341 0.301 <=B
A 55 GLY 7 -0.176 -0.961 <=B
A 56 GLY 18 -1.493 -3.3S1 <=B
A 57 GLY 20 -1.834 -3.923
A 53 ASN 22 -2.456 -4.703 <=B
A 59 LYS S 0.177 -0.763 <=B
A 60 GLN 5 -0.648 -1.149 <=B
A 61 ASP 1 -3.233 -2.976 <=B
A 174 ALA 11 -2.506 -3.483 <=B
A 175 SER 11 -0.441 -1.655 <=B
A 176 LYS 0 0.116 0.103 <=B
A 177 SER 3 0.652 0.232 <=B
A 178 ARG 12 1.385 -0.154 <=B
A 17 9 PRO 4 0.383 -0.121 <=B
A 130 LEU 20 -0.934 -3.127 <=B
A 181 SER 11 -0.831 -2.000 <=B
A 43S ASN 12 2.886 1.174 <=B
A 439 LYS 2 0.951 0.611 <=B
A 440 ASP 16 -1.898 -3.520 <=B
A 441 PRO 14 -2.073 -3.445 <=B
A 442 TYR 25 -7.516 -9.527 <=B
A 443 ASP 3 -1.494 -1.667 <=B
A 444 LYS 3 -2.488 -2.547 <=B
Рисунок 4. Результат обработки трехмерной структуры белка HPV18 L1 в программе «DiscoTope 2.0 Server»
Figure 4. The result of processing three-dimensional structure of the HPV 18 L1 protein in the program "Disco Tope 2.0 Server"
Примечание. <=B — вероятные антигенные детерминанты. Note. <=B — probable antigenic determinants.
Мы извлекли из базы PDB трехмерные модели белка HPV18 L1, проанализировали ее в программе «DiscoTope 2.0 Server» и сравнили с результатами HPV16 L1 (2R5I, DOI: 10.2210/pdb2R5I/pdb; http://www.rcsb.org/structure/2R5I) [3]. Оказалось,
что программа предсказывает расположение антигенных детерминант у исследуемых нами HPV18 L1 белков примерно одинаково. У белка HPV18 L1 были выявлены антигенные детерминанты в следующих положениях: 53—61, 174—181, 438—444 (рис. 4). И хотя в некоторых позициях расположение антигенных детерминант не совпадает [HPV16 L1 (272-278, 301-303, 350-358) против HPV18 L1 (174-181)], все же можно полагать, что наличие общих эпитопов в положениях 53-61, 438-444 (405-443) дает право предположить возможность перекрестного взаимодействия антител с антигенами.
Трехмерных структур белков HPV31 L1 и HPV45 L1 в базе данных PDB мы, к сожалению, не обнаружили. Учитывая результаты выравнивания аминокислотных последовательностей, филогенетическое древо, а также литературные данные, можно предположить, что белки HPV31 L1 и HPV45 L1 имеют похожую пространственную структуру и, следовательно, сходное с HPV18 L1 и HPV16 L1 расположение антигенных детерминант [8, 9].
Исследование потенциальных линейных антигенных детерминант для В-клеток
Для дальнейшего подтверждения своих предположений о сходных антигенных детерминантах у вирусных белков HPV16 L1, HPV18 L1, HPV31 L1, HPV45 L1 мы решили исследовать их аминокислотные последовательности с помощью программы «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor». Данная программа предсказывает потенциальные линейные антигенные
Name Sequence Markup
Sequence Epitopes : .......E .EEEEEEEEEEEEEEEEEEE...........................
Predictions: MSLMLPSEATVYLPPVPVSKVVSTDEYVARTNIYVHaGTSRLLAVGHPYEPIKKP
1........1Э........20........30........40........50----
.EEEEEEEEEEEE!.......................... .E EEEEEE EEEEEEEE EEEEE E.....................EEE EEEEEE EEEE .,.
(FGFPDTSI YNPDTQRL V.-JA( VGVE VGKGQPEGVG1SGHPL L NKl DDK NASAYAAUAGVDNRI С1SMDYKQTQE(LIG(KPPEGE HJGKGSP( INVAV
........9®........lee.......ue.......120.......13в.......we.......ise.......i6e.......178.......i
..EEEEEEEE.............EEEEEEEEEE....................EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE........
TTLQANKS[VPI.DICISICKyPDYIKMVSEPYGDSl.FFYLRREQMFVRHLENRflGAVOENVPDDlYIKGSGSMNlASSNYFPT
10.......220.......230.......240.......250.......260.......270.......280.......290--
■EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE..........................EEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEFF____EEEEEEEEEEEEEEEEEEE . ..
iTbETFYXNTNFKEYERHGEEYDLQFIFQLCKITE FADVMFYIHSMNSTILE DHNFGEQPPPGGTE E0FYRF VFiiQAIACQXHTPPAPKF DPL KKYTFW
-358-------360-------370-------380-------390-------400-------410-------420--.....430-------440-----
..EEEEEEEEEEE..........EE EEEE EEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEE .
fUL KEKFSADL DQF PEGRKF EEQAGE KAKPKI 1LGKRHA Tl'l 1SSTSTTAKRKKR
45 0-------460-------470-------480-------490-------5 00-
Рисунок 5. Результат обработки линейной последовательности белка HPV16 L1 в программе «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor»
Figure 5. The result of processing linear sequence of the HPV16 L1 protein in the program "BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor"
Примечание. E — вероятные антигенные детерминанты. Note. E — probable antigenic determinants.
Nairn* Sequence Markup
Sequence Epitopes : . . . „ЕEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEE Predict Ions : MSLHRPSEATVYI P P VPVSK WSIDt VV
1 - ----- 10--------20---■----
•EEEEEEEEEEEE...........................EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE.....................EEEEEEEEEEEEEE
:GFPDTSFYNPFTQRLVWACVGLEVGRGQPlGVGISGHPLtMFDDTENSNRYAGGPGIDNRECISMDYKQTQLCLLGCKPPIG£rtlGXGSPCSH№
......90........100.......110.......120.......130.......140.......1S0.......160.......170.......:
.EEEEEEEEE..............EEEEEEEE.....................EEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEE,
FALQDTKSHVPl DICNSICKYPDYE KMVAEPYGDTLF F YL RREQMF VRHF f (JRSGT VGE SVPNDI YIKGSGS ГЛIL <
Э-------220-------239-------240-------250-------260-------270-------280------
■EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE..........................E EEEEEEEEE EEEEEEEEE EEEEEEEE., .EEEEEEEE EEEEEEEEE EE........E
SNSDTIf KSSW ICEYLRHGEif DtQFIFQLCKITlSADIKTYIHSHHPAILEttJWGlTTPPSGSLEDTYTfF VTSQAITCQItrAPQKPKEDPFKDVVfWE VIAKE
!59.......369.......379.......389.......399.......499.......419.......429.......*38.......449.......459--
...EEEEEEEEEE..........EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE...
ILKEKF SADLDQFPLGRKFLLQAGYRARPKF KAGKKSAPSAST T TPAKRKKTKH
;в-------460......-470.......480-------490.....--S00--
Рисунок 6. Результат обработки линейной последовательности белка HPV31 L1 в программе «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor»
Figure 6. The result of processing linear sequence of the HPV 31 L1 protein in the program "BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor"
Примечание. E — вероятные антигенные детерминанты. Note. E — probable antigenic determinants.
детерминанты для В -клеток. Исследование проводили при показателе Epitope Threshold = 0,5 (чувствительность и специфичность имеют одинаковые значения).
Анализ линейных последовательностей HPV16 L1 выявил следующие аминокислотные антигенные детерминанты: 8—28, 83—95, 123-143, 166-177, 213-220, 234-243, 264-286, 350-369, 396-421, 426-444, 452-462, 473-502 (рис. 5). Исследование HPV31 L1 показало на-
личие следующих детерминант: 5—28, 85—96, 124-144, 166-179, 213-221, 236-243, 265-287, 351-370, 397-423, 427-445, 454-463, 474-501 (рис. 6). Обработка последовательности ИРУ18 Ь1 показала такие антигенные детерминанты: 5-27, 82-95, 123-144, 166-183, 212-219, 235-242, 264-286, 351-370, 397-445, 453-463, 474-503 (рис. 7). Исследование последовательности белка ИРУ45 Ь1 показало возможные антигенные детерминанты 5-28, 84-96, 124-144, 167-182,
Nam*
Sequence
sequence Markup
Epltr opes Predict 1с
____EEEEEIEEEEEEEKEEEEEEEE.
1 S : MAtHBPSDNI VYl PPPiVARVVHI DDVli
l - - ------ю--------2 e - - -----
• EEEEEEEEEEEEEE...........................FEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE.....................EE EEE EE E EE EE E EEEEE .
NKFGLPDTSIYNPEIQRtVWACAGVE1GKGQPIGVGL SGHPf YMK1DDIE SSHftfl TSNVSlDVRDNVSVDYKQTQLCILGtAPAIGF И .AKGFAt KSRPL y}GI
0........90........100.......110.......120.......130.......140.......1S0.......160.......170.......180-■
. .-EEEEEEEE...............EEEEEEEE .
-EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE..
iF STlQDTKCE VPL DICQSICKYPDYLQMSADPYGDSMF F CIRREQLFARHFWNRAGTMGDTVPQSLYIKGTGMRASPGV
210.......220.......230.......240.......250.......260.......270.......280......
•EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE..........................F F E EEE E E E E F F E E E E EEE EE EE E E E F F E E E F EE E E F EEE E FEEEEEF i ..
SPVPGQYE3A TKFKQYSRHVEEYDIQFIFQL CFITL TAOVMSYIHSHNSSIL EDWMFGVPPPPF TS1VOTYRFVQSVAITCQKDAAPAE NKOPYDKl KF
. . . -EEEEEEEEEEE . . . . . . . . . -EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE . . У vol KE KF 41 l>l UQVPLGRKE I VQAGI RRKIM U.PRKHSAPSA Г I SSHPflKRVRVRA
459-------4&©-------4 70-------4 SO-------4 90-------SOO---
Рисунок 7. Результат обработки линейной последовательности белка HPV18 L1 в программе «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor»
Figure 7. The result of processing linear sequence of the HPV 18 L1 protein in the program "BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor"
Примечание. E — вероятные антигенные детерминанты. Note. E — probable antigenic determinants.
Sequence Markup
. . . - ЕЕ ЕЕ . . - ЕЕ .EEEEEEEFEFEEEE . . . .
Predictions : HALWRPSDSEWL PCP^VARVVNT DDYV^RTS
1--------i a--------20--------зе -
. .EEEE.EE EE E EE E...........................EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE......................EEEEEEEEEEEEEEEE ...
HKFGLPD5FIYNPEFQREWA(VGHEIGRGQP1GIG1SGHPF YNKEDDTESAHAAFfl VITQDVRDNVSVDYKQTQLCILGCVPAIGEFHAKGIECKPAQLQPGI
--------90--------100.......110.......120-------130-------140 -.....150-------160-------170-------180-
• E .EEEEEE...........EEEEEEEE..........E . .EEEEEEEFEE....................EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE ...
IHEIIEDGOMVOTGYGAMDFSIElJOlliEEVPLDlCQSICKYPOYEQnSADPYGDSHEEClRREQEEARHEHNRAGVMGDTVPlDEYllCbTSAfHRETPGSt
1.......200.......210.......220 ....... 230 ....... 240 ....... 250 ....... 260 ....... 270 ....... 280 ....... 290
• EEEEEEEEEE.........................................EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE........................
SIFISDSQE F NKPYWL HKAQGHNNGICHHNQL F VTVVDTTRSTNl ILCASIQNPVPNFYDPIUFXHYSRFWE E YDLQFIFIJE CJ HE FAE WSYIHSI
00.......310.......320.......330.......340.......3S0.......360.......370.......380.......390.....
■E.SEEEEEEEEEESSFFEEEEEEEEEEEESEEEEEfEEEEEEEEEEEEE.......EEESEEEEEEE..........EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEIEEEEEEE.
NSSII E W.NFGVPPPPI ISL VDIYRFVQSWIVFC^KOFIPPE KQDPVDK1KFWF VDI KEKFSSDFDQYPLGRKFE VQdGE RRRP3 EGPRKRP.IAS rMASRPAKRVRIRS
-460.......410.......420.......430.......440.......450.......460.......470.......400.......490.......500......
Рисунок 8. Результат обработки линейной последовательности белка HPV45 L1 в программе «BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor»
Figure 8. The result of processing linear sequence of the HPV45 L1 protein in the program "BepiPred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor"
Примечание. E — вероятные антигенные детерминанты. Note. E — probable antigenic determinants.
196-201, 213-220, 234-243, 264-289, 302-311, 353-373, 402-448, 456-466, 477-507 (рис. 8).
Из результатов анализа программой «Bepi-Pred-2.0: Sequential B-Cell Epitope Predictor» видно, что у всех 4 типов ВПЧ белки L1 имеют примерно одинаковое расположение и количественный состав линейных антигенных детерминант для В-клеток, отличие наблюдается только в виде небольших сдвигов в несколько аминокислот. Однако стоит отметить, что у белков HPV45 L1 и HPV18 L1 присутствует относительно протяженная антигенная детерминанта в позициях аминокислотного сиквенса 402-448 и 397-445 соответственно, которая в двух других белках отсутствует. Вместо этой детерминанты в данном участке аминокислотной последовательности наблюдается наличие 2 сравнительно коротких эпитопов у HPV16 L1 (396-421, 426444) и у HPV31 L1(397-423, 427-445) (рис. 5-8). Это можно объяснить тем, что типы ВПЧ 45 и 18 близки филогенетически (рис. 2) и относятся
к одному виду Л1ркарарШошау1гш 7, а 16 и 31 типы относятся к другому виду Л1ркарарШошау1гш 9. Также у ИРУ45 Ь1 предсказаны 2 антигенные детерминанты в положениях 196—201 и 302—311, которых нет у трех других типов ВПЧ.
Для того чтобы сделать вывод о наличии сходных линейных антигенных детерминант у всех 4 рассматриваемых типов ВПЧ, необходимо было сравнить аминокислотный состав предполагаемых эпитопов. Известно, что антитела связываются с антигенами за счет водородных связей, электростатического и диполь-ди-польного взаимодействий [2]. Множественные аминокислотные замены, особенно сопровождающиеся сменой аминокислот, которые резко отличаются по физико-химическим параметрам, приводят к изменению свойств аминокислот в рассматриваемом положении последовательности. Например, происходит замена полярной гидрофильной аминокислоты на неполярную гидрофобную или замена амино-
L1KFGFPDTSFYNPDT L1...L....I...E.
HPV1 б HPV18
HPV31 L1............Е.
HPV45 L1...L..STI...E.
Рисунок 9. Результат аминокислотного выравнивания предполагаемой антигенной детерминанты 82-96
Figure 9. The result of amino acid alignment of presumed antigenic determinant 82-96
HPV16 HPV18 HPV31 HPV45
LlYIKMVSEPYG Ll.LQ.SAD... LI. L. . . A. . . . Ll.LQ.SAD...
Рисунок 10. Результат аминокислотного выравнивания предполагаемой антигенной детерминанты 234-243
Figure 10. The result of amino acid alignment of presumed antigenic determinant 234-243
кислоты, способной образовывать водородную связь, на аминокислоту, не способную ее образовывать. Это может приводить к уменьшению степени сродства с антигенами. Отсутствие замен в аминокислотных последовательностях или замены близкими по свойствам аминокислотами может сохранять уровень аффинности антител. Поэтому важно определить наличие и качество аминокислотных замен в предполагаемых антигенных детерминантах белка Ь1 у разных типов ВПЧ. Для анализа аминокислотных замен в предполагаемых линейных антигенных детерминантах мы провели множественное выравнивание последовательностей белков Ь1 ВПЧ (16, 18, 31, 45) (рис. 1). Из исследования мы исключили антигенные детерминанты, которые не присутствуют у всех 4 белков, и эпитопы, в которых наблюдаются множественные аминокислотные замены, так как с большой долей вероятности эти участки будут обладать разными антигенными свойствами. В итоге нами были выбраны следующие антигенные детерминанты: 82-96, 234-243, 452-466.
В детерминанте 82-96 у 4 типов ВПЧ имеется ряд различий в аминокислотной последовательности (рис. 9). В частности, фенилаланин в ИРУ18 Ь1 и ИРУ45 Ь1 заменен на лейцин. Эти 2 аминокислоты являются неполярными и обладают достаточно близкими физико-химическими свойствами: гидрофобностью (И), полярностью (Р), средним значением площади доступной растворителю в структурах белков (БЛ), изо-электрической точкой (р1), Вандерваальсовыми радиусами (Vw) и др. У белка ИРУ45 Ь1 имеются замены треонина на серин и серина на треонин. Это очень близкие по свойствам полярные ок-симоноаминокарбоновые кислоты, поэтому маловероятно, что их взаимная замена может сказаться на антигенных свойствах белка. В последовательностях ИРУ18 Ь1 и ИРУ45 Ь1 детерминанты 82-96 обнаружена замена фенилала-нина на изолейцин. Обе аминокислоты поляр-ны и имеют сходные физико-химические свойства. У белков ИРУ18 Ь1, ИРУ45 Ь1 и ИРУ31 Ь1 относительно белка ИРУ16 Ь1 имеется замена аспарагиновой кислоты на глутаминовую. Это полярные, заряженные отрицательно аминокислоты с практически одинаковыми физико-химическими свойствами. В целом можно заключить, что детерминанты 82-96 у ИРУ16 Ь1 и ИРУ31 Ь1 белков имеют практически одинаковый аминокислотный состав, а значит, обладают практически одинаковыми антигенными свойствами. Белки ИРУ18 Ь1 и ИРУ45 Ь1 имеют некоторое отличие от ИРУ16 Ь1 в аминокислотном составе в детерминанте 82-96, но оно незначительное, поэтому с большей вероятностью можно предполагать у этих белков сходные антигенные свойства этого региона.
HPV16 L1KEKFSADLDQF
Рисунок 11. Результат аминокислотного выравнивания предполагаемой антигенной детерминанты 452-466
Figure 11. The result of amino acid alignment of presumed antigenic determinant 452-466
Антигенная детерминанта, располагающаяся в регионе 234-243, у разных белков L1 также имеет некоторые аминокислотные замены (рис. 10). У белков HPV18 L1, HPV45 L1 и HPV31 L1 относительно белка HPV16 L1 имеется замена изолейцина на лейцин. Данные аминокислоты относятся к одному классу (алифатические неполярные) и имеют практически одинаковые физико-химические свойства, поэтому такая замена не должна влиять на антигенные свойства детерминанты. В белках HPV18 L1 и HPV45 L1, в отличие от белков HPV16 L1, лизин заменен на глутамин. Эти аминокислоты являются полярными, но имеют разный заряд (лизин заряжен положительно при pH = 7, а глутамин — нейтрально), есть небольшое различие в pI и Vw, что может незначительно повлиять на антигенные свойства. Следующая аминокислотная замена у HPV18 L1 и HPV45 L1 относительно HPV16 L1 является критической, так как неполярный валин заменен на полярный незаряженный серин. Это разные по свойствам аминокислоты. Далее из результатов выравнивания обнаруживается замена у HPV18 L1, HPV45 L1 и HPV31 L1 относительно белка HPV16 L1 полярного незаряженного се-рина на неполярный аланин. Последняя замена в этом регионе аминокислотной последовательности — это замена глутаминовой кислоты у HPV18 L1, HPV45 L1 на аспарагиновую. Это полярные, заряженные отрицательно аминокислоты с практически одинаковыми физико-химическими свойствами. По результатам сравнения аминокислотных последовательностей антигенной детерминанты 234-243 можно полагать, что у HPV16 L1 и HPV31 L1 имеется сходство в антигенных свойствах в этом участке. У белков HPV18 L1 и HPV45 L1 данная антигенная детерминанта будет иметь некоторое различие в антигенных свойствах относительно HPV16 L1.
Исследование детерминанты 452-466 выявило незначительные аминокислотные замены (рис. 11). Так, у HPV18 L1 наблюдается замена относительно белка HPV16 L1 неполярной аминокислоты аланина на неполярный лейцин. Это аминокислоты одного класса, имеющие
Тип HPV HPV type Position Позиция Score Аминокислотная последовательность Amino acid sequence
HPV16 12 22 YLPPVPVSKV
304 22 AQIFNKPYWL
372 22 LQFIFQLCKI
HPV18 181 24 SQGDCPPLEL
12 22 YLPPPSVARV
304 21 SQLFNKPYWL
HPV31 12 22 YLPPVPVSKV
69 22 LQYRVFRVRL
373 22 LQFIFQLCKI
HPV45 12 22 YLPPPSVARV
307 21 SQLFNKPYWL
464 21 DQYPLGRKFL
Таблица. Вероятные антигенные детерминанты для Т-клеток (HLA-B13 decamers) в белковых последовательностях HPV16 L1, HPV18 L1, HPV31 L1, HPV45 L1 согласно программе «SYFPEITHI»
Table. Probable antigenic determinants for T-cells (HLA-B13 decamers) in the protein sequences HPV16 L1, HPV 18 L1, HPV31 L1, HPV45 L1 according to the program "SYFPEITHI"
сходство по физико-химическим характеристикам, поэтому влияние на антигенные свойства данная замена практически не оказывает. В том же месте наблюдается замена у HPV45 L1 относительно HPV16 L1 неполярной аминокислоты аланина на полярный серин. Эта замена теоретически может повлиять на антигенные свойства, так как аминокислоты обладают разными физико-химическими характеристиками. Последняя аминокислотная замена в данном регионе белка L1 наблюдается у HPV18 L1 и HPV45 L1 относительно белка HPV16 L1. Это замена ароматической аминокислоты фени-лаланина на ароматическую кислоту тирозин. Данные аминокислоты обладают сходными физико-химическими свойствами, поэтому не должны влиять на антигенные свойства детерминанты. В итоге можно сказать, что детер-
HPV1 б L1YLPPVPVSKV HPV18 LI. ...PS.AR.
HPV4 5 LI. ...PS.AR.
Рисунок 12. Результат аминокислотного выравнивания предполагаемой антигенной детерминанты 12-21
Figure 12. The result of amino acid alignment of presumed antigenic determinant 12-21
минанта 452—466 является наиболее сходной у всех четырех белков L1, в особенности это касается HPV16 L1 и HPV31 L1, здесь можно предполагать абсолютное сходство антигенных свойств. Белок HPV45 L1 хоть и имеет критическую замену аминокислоты, но, так как подобное замещение единично, оно, скорее всего, не отразится на антигенных свойствах детерминанты 452—466.
Мы сочли целесообразным получить дополнительные доказательства влияния сходства антигенных детерминант вирусных белков HPV16 L1, HPV18 L1, HPV31 L1, HPV45 L1 на перекрестное взаимодействие антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам вируса папилломы человека. Для этого был осуществлен поиск потенциальных антигенных детерминант для Т-клеток с помощью программы «SYFPEITHI». Данная программа ранжирует возможные варианты антигенных детерминант согласно вероятности их взаимодействия с Т-клетками. Используемые алгоритмы расчета взяты из книги «MHC Ligands and Peptide Motifs» (H.G. Rammensee, J. Bachmann, S. Stevanovic).
Результаты обработки белковых последовательностей 4 белков L1 показали, что наиболее вероятной антигенной детерминантой для Т-клеток будет детерминанта, находящаяся в позиции 12—21. Хотя у HPV18 L1 программа показала, что эта детерминанта находится на второй позиции, но несмотря на это имеет достаточно высокий балл (Score) вероятности (табл.).
Для того чтобы удостовериться, что данная детерминанта обладает сходными антигенными свойствами у всех 4 белков L1, мы провели сравнения ее аминокислотных последовательностей (рис. 12). По результатам выравнивания видно, что HPV18 L1 и HPV45 L1 имеют 4 замены относительно HPV16 L1 и HPV31 L1. Две из них — это замены на близкие по свойствам аминокислоты: валин на пролин и лизин на аргинин. Две другие являются заменами на отличающиеся по физико-химическими свойствам аминокислоты: пролин на серин и серин на аланин. В целом надо отметить, что данная антигенная детерминанта у белков HPV16 L1 и HPV31 L1 должна обладать близкими антигенными свойствами. Белки HPV18 L1 и HPV45 L1 по данной антигенной детерминанте должны обладать сходными антигенными свойствами и несколько отличаться по этому показателю от HPV16 L1 и HPV31 L1.
Обсуждение
Результаты биоинформационного исследования выявили значительный потенциал перекрестного взаимодействия антител с антигена-
ми, принадлежащими к патогенным типам ВПЧ 16, 18, 31, 45 за счет сходства антигенных детерминант. Были обнаружены общие линейные детерминанты для Т-клеток и В-клеток у всех 4 типов вирусных белков Ы. Также обнаружены сходные трехмерные антигенные детерминанты для В-клеток у ИРУ16 Ь1 и ИРУ18 Ь1. К сожалению, сравнить трехмерные антигенные детерминанты для ИРУ31 Ь1 и ИРУ45 Ь1 не удалось по причине отсутствия трехмерных моделей этих белков в базах данных. Однако учитывая сходства их аминокислотных последовательностей и линейных детерминант с белками ИРУ16 Ь1 и ИРУ18 Ы, можно предположить похожую пространственную структуру и, следовательно, сходное расположение антигенных детерминант. Стоит отметить, что антигенные детерминанты ИРУ16 Ь1 и ИРУ31 Ь1 более близки друг другу. Подобное сходство наблюдается между ИРУ18 Ь1 и ИРУ45 Ы. Поэтому при иммунизации ИРУ16 Ь1 стоит ожидать более выраженного перекрестного взаимодействия антител с антигенами ИРУ31 Ь1 и умеренного с ИРУ18 Ь1 и ИРУ45 Ы. Напротив, при иммунизации ИРУ18 Ь1 возможно активное перекрестное взаимодействие антител с антигенами ИРУ45 Ь1 и менее выраженное с ИРУ16 Ь1 и ИРУ31 Ы.
Полученные результаты соотносятся с данными зарубежных коллег, которые, используя схожие биоинформатические методы, исследовали перекрестное взаимодействие антител с антигенами, принадлежащими к разным
патогенным типам вируса папилломы человека. На основе этих данных они создавали кандидатные мультиэпитопные вакцины, которые испытывали на лабораторных мышах. Исследования данных препаратов in vivo показали, что даже без использования адъюванта рекомбинатные вакцины индуцировали эффективные иммунные ответы и защищали мышей от опухолевых клеток (процент мышей без опухоли ~66,67) [16].
Используемые в работе методы можно применять для анализа сродства антигенных детерминант у широкого круга патогенных типов ВПЧ. Это позволит за относительно короткий срок выявить возможные варианты перекрестного взаимодействия антител с антигенами, принадлежащими к разным патогенным типам ВПЧ, что значительно сократит время и средства на практические лабораторные исследования. Полученные данные можно использовать для оптимизации производства вакцин против различных патогенных типов вируса папилломы человека, в частности производить вакцины на основе химерных антигенных белков, которые содержат общие антигенные детерминанты для нескольких типов ВПЧ. Это, возможно, снизило бы стоимость производства вакцин и уменьшило бы нагрузку на организм вакцинируемого человека в силу сокращения количества вводимых антигенных белков и сопутствующих веществ (адъювантов), которые могут вызывать аллергические реакции.
Список литературы/References
1. Костин А.А., Старинский В.В., Самсонов Ю.В., Асратов А.Т. Анализ статистических данных о злокачественных новообразованиях, ассоциированных с вирусом папилломы человека // Исследования и практика в медицине. 2016. Т. 3, № 1. С. 66—78. [Kostin A.A., Starinskiy V.V., Samsonov Y.V., Asratov A.T. The analysis of statistical data on malignant neoplasms associated with human papillomavirus. Issledovaniya ipraktika v meditsine = Research 'n Practical Medicine Journal, 2016, vol. 3. no. 1, pp. 66-78. doi: 10.17709/2409-2231-2016-3-1-9(In Russ.)]
2. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология: учебник; в 2-х т. Т. 1. Под ред. В.В. Зверева, М.Н. Бойчен-ко. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. 448 с. [Medical microbiology, virology and immunology. Eds. Zverev V.V., Boychenko M.N. Moscow: GEOTAR-Media, 2010. Vol. 1. 448p. (In Russ.)]
3. Bishop B., Dasgupta J., Klein M., Garcea R.L., Christensen N.D., Zhao R., Chen X.S. Crystal structures of four types of human papillomavirus L1 capsid proteins: understanding the specificity of neutralizing monoclonal antibodies. J. Biol. Chem., 2007, vol. 282, pp. 31803-31811. doi: 10.1074/jbc.M706380200
4. Bisset S.L., Draper E., Myers R.E., Godi A., Bedrows S. Cross-neutralizing antibodies elicited by the Cervarix® human papillomavirus vaccine display a range of Alpha-9 inter-type specificities. Vaccine, 2014, vol. 32, no. 10, pp. 1139-1146. doi: 10.1016/j. vaccine.2014.01.008
5. Bosch F.X., Broker T.R., Forman D., Moscicki A.B., Gillison M.L., Doorbar J., Stern P.L., Stanley M., Arbyn M., Poljak M., Cuzick J., Castle P.E., Schiller J.T., Markowitz L.E., Fisher WA, Canfell K., Denny L.A., Franco E.L., Steben M., Kane M.A., Schiffman M., Meijer C.J., Sankaranarayanan R., Castellsagué X., Kim J. J., Brotons M., Alemany L., Albero G., Diaz M., de Sanjosé S. Comprehensive control of human papillomavirus infections and related diseases. Vaccine, 2013, vol. 31, suppl. 7: H1-H31. doi: 10.1016/j.vaccine.2013.10.003
6. Brown D.R., Kjaer S.K., Sigurdsson K., Iversen O.-E., Hernandes-Avila M., Wheeler C.M., Perez G., Koutsky L.A., Tay E.H., Garcia P., Ault K.A., Garland S.M., Leodolter S., Olsson S.E., Tang G.W., Ferris D.G., Paavonen J., Steben M., Bosch F.X., Dillner J., Joura E.A., Kurman R.J., Majewski S., Muñoz N., Myers E.R., Villa L.L., Taddeo F.J., Roberts C., Tadesse A., Bryan J., Lupinacci L.C., Giacoletti K.E., Sings H.L., James M., Hesley T.M., Barr E. The impact of quadrivalent human papillomavirus (HPV; types 6, 11, 16, and 18) L1 virus-like particle vaccine on infection and disease due to oncogenic nonvaccine HPV types in generally HPV-naive women aged 16—26 years. J. Infect. Dis., 2009, vol. 199, no. 7, pp. 926-935. doi: 10.1086/597307
7. Chen X.S., Garcea R.L., Goldberg I., Casini G., Harrison S.C. Structure of small virus-like particles assembled from the L1 protein of human papillomavirus 16. Mol. Cell., 2000, vol. 5 (3), pp. 557-567. doi: 10.1016/S1097-2765(00)80449-9
8. Christensen N.D., Dillner J., Eklund C., Carter J.J., Wipf G.C., Reed C.A., Cladel N.M., Galloway D.A. Surface conformational and linear epitopes on HPV-16 and HPV-18 L1 virus-like particles as defined by monoclonal antibodies. Virology, 1996, vol. 223, pp. 174-184. doi: 10.1006/viro.1996.0466
9. Combita A.L., Touze A., Bousarghin L., Christensen N.D., Coursaget P. Identification of two cross-neutralizing linear epitopes within the L1 major capsid protein of Human Papillomaviruses. J. Virol., 2002, vol. 76 (13), pp. 6480- 6486. doi: 10.1128/ jvi. 76.13.6480-6486.2002
10. Kemp T.J., Hildesheim A., Safaeian M., Dauner J.G., Pan Y., Porras C., Schiller J.T., Lowy D.R., Herrero R., Pinto L.A. HPV16/18 L1 VLP Vaccine Induces Cross-Neutralizing Antibodies that May Mediate Cross-Protection. Vaccine, 2011, vol. 29 (11),pp. 2011-2014. doi: 10.1016/j.vaccine.2011.01.001
11. Li Z., Song S., He M., Wang D., Shi J., Liu X., Li Y., Chi X., Wei S., Yang Y., Wang Z., Li J., Qian H., Yu H., Zheng Q., Yan X., Zhao Q., Zhang J., Gu Y., Li S., Xia N. Rational design of a triple-type human papillomavirus vaccine by compromising viral-type specificity. Nat. Commun., 2018, vol. 9: 5360. doi: 10.1038/s41467-018-07199-6
12. McLaughlin-Drubin M.E., Münger K. Oncogenic activities of human papillomaviruses. Virus Res., 2009, vol. 143 (2), pp. 195208. doi: 10.1016/j.virusres.2009.06.008
13. Modis Y., Trus B.L., Harrison S.C. Atomic model of the papillomavirus capsid. EMBO J., 2002, vol. 21, no. 18, pp. 4754-4762. doi: 10.1093/emboj/cdf494
14. Myers E.R., McCrory D.C., Nanda K., Bastian L., Matchar D.B. Mathematical model for the natural history of human papillomavirus infection and cervical carcinogenesis. Am. J. Epidemiol., 2000, vol. 151 (12), pp. 1158-1171. doi: 10.1093/oxfordjournals. aje.a010166
15. Nakagawa M., Greenfield W., Moerman-Herzog A., Coleman H.M. Cross-reactivity, epitope spreading, and de novo immune stimulation are possible mechanisms of cross-protection of nonvaccine human papillomavirus (HPV) types in recipients of HPV therapeutic vaccines. Clin. Vaccine Immunol., 2015, vol. 22, no. 7, pp. 679-687. doi: 10.1128/CVI.00149-15
16. Namvar A., Bolhassani A., Javadi G., Noormohammadi Z. In silico/in vivo analysis of high-risk papillomavirus L1 and L2 conserved sequences for development of cross-subtype prophylactic vaccine. Sci. Rep., 2019, vol. 9 (1): 15225. doi: 10.1038/s41598-019-51679-8
17. Salyaev R.K., Rekoslavskaya N.I., Stolbikov A.S. Cross-reactivity of antigens and antibodies belonging to different pathogenic types of human papillomaviruses. Dokl. Biochem. Biophys., 2017, vol. 477, no. 3, pp. 371-375. doi: 10.1134/S1607672917060084
18. Salyaev R.K., Rekoslavskaya N.I., Stolbikov A.S., Tretyakova A.V. Using the omega leader sequence of tobacco mosaic virus to transform tomato fruits with the papillomavirus HPV16 L1 gene to enhance production of the antigenic protein HPV16 L1. Dokl. Biochem. Biophys., 2016, vol. 468, no. 1, pp. 187-189. doi: 10.1134/S1607672916030078
19. Salyaev R.K., Rekoslavskaya N.I., Tretyakova A.V. The study of immunogenicity of the antigenic protein of high risk oncogenic type of the human papillomavirus HPV16 l1 produced in the plant expression system on the base of transgenic tomato. Dokl. Biochem. Biophys, 2017, vol. 474, no. 1, pp. 186-188. doi: 10.1134/S1607672917030140
20. Scherpenisse M., Schepp R.M., Mollers M., Meijer C. J.L.M., Berbers G.A.M. Characteristics of HPV-specific antibody responses induced by infection and vaccination: cross-reactivity, neutralizing activity, avidity and IgG subclasses. PLoS One, 2013, vol. 8, no. 9: e74797. doi: 10.1371/journal.pone.0074797
21. Shen Z.T., Nguyen T.T., Daniels K.A., Welsch R.M., Stern L.J. Disparate epitopes mediating protective heterologous immunity to unrelated viruses share pMHC structural features recognized by cross-reactive T cells. J. Immunol., 2013, vol. 191, no. 10, pp. 5139-5152. doi: 10.4049/jimmunol.1300852
22. Toft L., Tolstrup M., Müller M., Sehr P., Bonde J., Storgaard M., 0stergaard L., S0gaard O.S. Comparison of the immunogenicity of Cervarix® and Gardasil® human papillomavirus vaccines for oncogenic non-vaccine serotypes HPV-31, HPV-33, and HPV-45 in HIV-infected adults. Hum. Vaccin. Immunother., 2014, vol. 10, iss. 5, pp. 1147-1154. doi: 10.4161/hv.27925
Авторы:
Столбиков А.С., к.б.н., старший научный сотрудник Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск, Россия; доцент кафедры физиологии растений, клеточной биологии и генетики Иркутского государственного университета, г. Иркутск, Россия; Саляев Р.К., член-корреспондент РАН, д.б.н., советник РАН, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск, Россия;
Рекославская Н.И., д.б.н., главный научный сотрудник, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН; Иркутский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук, г. Иркутск, Россия.
Поступила в редакцию 29.08.2019 Отправлена на доработку 20.11.2019 Принята к печати 11.03.2020
Authors:
Stolbikov A.S., PhD (Biology), Senior Researcher, Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russian Federation; Associate Professor, Department of Plant Physiology, Cell Biology and Genetics, Irkutsk State University, Irkutsk, Russian Federation; Salyaev R.K., RAS Corresponding Member, PhD, MD (Biology), Advisor for Russian Academy of Sciences, Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk, Russian Federation; Rekoslavskaya N.I., PhD, MD (Biology), Head Researcher, Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk, Russian Federation; Irkutsk Research Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russian Federation.
Received 29.08.2019 Revision received 20.11.2019 Accepted 11.03.2020
