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An introduction to the immunoinformatics methods for conformational B-cell epitope prediction and its web-based resources

构象性B细胞表位预测的免疫信息学方法及其网络资源



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第9期
2010年9月
Vol. 22, No. 9
Sep., 2010
文章编号 :1004-0374(2010)09-0946-06
收稿日期:2010-03-09;修回日期:2010-05-10
通讯作者:E-mail:fang9352@sina.com
构象性B 细胞表位预测的免疫信息学方法及其网络资源
欧阳玉梅
(伊犁师范学院文理系计算机教研室,奎屯 833200)
摘 要:抗原表位预测是免疫信息学研究的重要方向之一,可以给实验提供重要的线索。B 细胞表位
或抗原决定簇是抗原中可被 B 细胞受体或抗体特异性识别并结合的部位。实际上,近 90% 的 B 细胞表
位是构象性的。即使抗原蛋白质三级结构已知,B 细胞表位预测仍然是一大挑战。该文结合实例阐述
当今主要的构象性 B 细胞表位预测方法和算法:机器学习预测、非机器学习的计算预测、基于噬菌体
展示数据的识别方法,以及一些也可用于构象性 B 细胞表位预测的通用蛋白质 - 蛋白质界面预测方法;
介绍最新相关预测软件和 W e b 服务资源,说明未来的研究趋势。
关键词:抗原;抗体;表位;预测;构象性
中图分类号: R392.12; R392-3 文献标识码:A
An introduction to the immunoinformatics methods for conformational B-cell
epitope prediction and its web-based resources
OUYANG Yu-mei
(Department of Liberal Arts & Science, Yili Normal University, Kuitun 833200, China)
Abstract: Accurate prediction of epitopes is an important goal of immunoinformatics, which can give important
clues to experiments. B-cell epitopes or antigenic determinant is a part of an antigen recognized by either a
particular antibody molecule or a particular B-cell receptor of the immune system. Up to 90% of B-cell epitopes
are conformational in nature. Even when the tertiary structure of the antigen is available, the accurate prediction
of B-cell epitopes remains challenging. First, this review illustrated current prediction methods and algorithms
for the conformational B-cell epitopes by describing some examples, including machine-learning approaches,
computational prediction methods independent of machine-learning approach, Phage-displayed data based
approaches, along with some universal recognizing approaches of protein-protein interface prediction. Next, it
presented the latest software packages and web services available online that relate to conformational B-cell
epitope prediction, and projected future developments.
Key words: antigen; antibody; epitope; prediction; conformational
B 细胞表位或抗原决定簇是抗原中可被B 细胞
受体或抗体特异性识别并结合的部位。许多免疫检
测和免疫治疗学应用是基于抗体识别表位的能力。
表位上特定残基及其位置的确定是这些应用的关键
起始步骤。确定 B 细胞表位的实验方法费时费力,
而且并不是总能成功。因此,免疫信息学的重要目
标之一就是利用计算方法预测B 细胞表位。这个问
题的解决,即使是近似解决都将有助于设计实验和
提高研究效率。
B细胞表位可以分为两类:线性(连续)表位和
构象性(不连续)表位。前者是肽链上一段连续的氨
基酸残基序列;后者是一级结构上不完全连续但在
折叠的蛋白质三维结构表面上密切接近的一些氨基
947第9期 欧阳玉梅:构象性B 细胞表位预测的免疫信息学方法及其网络资源
酸残基。Greenbaum 等[1]研究表明,在B 细胞表位
中只有很少一部分是线性的,而近 90 % 是构象性
的。线性表位预测可以直接用于疫苗设计和免疫诊
断。构象性表位预测的目标则是设计能够模拟表位
结构和免疫原性的分子,这种分子在抗体产生的过
程中可以替代抗原(作为预防或治疗的疫苗),或在
医学诊断或实验研究的抗体检测过程中替代抗原。
线性B细胞表位预测已经历了20多年的发展,主要
是使用依赖于序列的方法来构建免疫原性肽段集,
目前已有了多种工具,但预测精度仍有很大的提高
空间;而构象性B 细胞表位在没有蛋白质三维结构
知识的情况下,仅从功能分析很难预测和识别。事
实上,抗原和抗体相互作用是通过空间结构互补性
而非共价结合形成,两者距离越小相互作用力(静
电作用、氢键、疏水基和范德华力)越大,而且结
合时可能互相形变。因此,即使抗原蛋白质的三级
结构已知,表位预测仍然是一大挑战。鉴于过去已
知晶体结构的抗原-抗体复合体数量较少、抗原-抗
体结合机理研究不够清楚以及预测算法设计难度大
等原因,这项研究一直以来进展十分缓慢。最近几
年,随着免疫信息学时代的来临[2]和生物学技术的
发展,大量原始数据的积累为计算预测及预测系统
性能评价提供了基本的素材[3]。考虑抗原蛋白的三
维结构等信息,采用计算预测或计算预测和生物实
验数据结合的免疫信息学方法进行构象性表位分析
和定位已成为目前研究的热点,并呈现出了快速发
展的趋势[4]。
1 免疫信息学预测方法
人们通过观察发现一些蛋白质的氨基酸序列或
结构特征与抗原表位有关。在线性表位预测中,通
常从抗原蛋白质的氨基酸一级结构出发,综合抗原
蛋白质的理化性质、结构特点、统计显著性度量等
指标进行表位预测。目前已发展出氨基酸倾向性标
度(propensity scale)方法、机器学习方法等[5]。氨
基酸倾向性标度方法中具有较好预测效果的有:亲
水性方案、溶剂表面可及性方案、抗原性方案、可
塑性方案、二级结构预测方案和电荷分布方案等。
其基本思想是首先给每一个氨基酸残基赋予一个分
值,然后按一定窗口宽度(通常为7~13个残基)对
序列曲线进行光滑,如果某个曲线峰值所在片段的
平均指标超过某个指定阈值(通常为整个抗原序列的
均值),则该片段很可能是 B 细胞表位。这些方案
预测准确度一般低于60%。机器学习方法中的人工
神经网络、隐马尔可夫模型、支持向量机、基于
距离度量的K近邻、决策树、贝叶斯分类器等已被
应用于预测线性 B 细胞表位。
刚刚兴起的构象性表位预测通常涉及表面残基
定义、表位残基定义、基准数据集构建、算法设
计与性能评价。目前有机器学习预测、非机器学习
的计算预测、基于噬菌体展示实验数据的识别方
法,以及一些最近发展起来的通用蛋白质- 蛋白质
界面(也称结合位点或接触面)预测方法。它们多数
是基于结构的,有的联合了序列数据,有的结合了
噬菌体展示数据;一些方法使用了训练集(已验证
了的表位数据集),而有些方法则没有使用。这些
方法一般需要输入抗原的三维结构,对于那些未知
三维结构的抗原可以采用计算机预测技术得到。输
出主要是被预测为表位的各残基及其位置、表位的
残基数目。不同方法的输出形式不尽相同,有的反
映抗原蛋白质表面残基成为蛋白质表位的概率得
分;有的则预测由表面残基组成的表面块(surface
patch)是否为表位,即每个残基是否是表位表面块
的一部分;有的兼有输出前两者的功能;有的还
提供了 3D 结构的可视化图形,实现了表位作图。
而设计出的软件工具,多数既能够预测线性表位也
能够预测构象性表位。
1.1 机器学习预测方法
机器学习方法的主要思想是将预测问题转化为
分类问题。主要有两种学习方式:无监督学习和有
监督学习。无监督学习,如聚类,是数据挖掘的
一种基本手段,其目的是提取数据中隐含的类结
构。由于类不是预先定义的,需根据实际数据的数
学特征按照数据之间的相似性来定义。有监督学习
则使用已知数据源训练分类器区别正、负样本,再
用构造好的分类器对待识别的样本进行分类决策。
已有多种有监督学习用于预测线性B细胞表位,而
把它们用于预测构象性B细胞表位是最近才刚刚出
现的。建立这样的预测系统通常包括基本步骤:
(1)数据集的构建;(2)表位特征提取;(3)分类器的
设计与性能评价。下面介绍的方法前两个采用的是
无监督学习(聚类),第三个采用的是有监督学习。
CEP 是一个利用抗原蛋白质的三维结构预测构
象性表位和线性表位的在线服务系统[6]。该方案没
有使用训练集。首先,系统为输入的抗原结构中的
每一个氨基酸残基计算相对可及表面积(残基在单体
948 生命科学 第22卷
中的可及表面积与其总的可及表面积的比值); 确认
抗原表面结构上具有高溶剂可及性的肽段。然后,
按它们之间的空间距离低于一个指定阈值进行聚
类,形成各个块(patch)区域。最后,输出这些块
区域作为候选表位。该系统使用蛋白质数据库
(protein data bank,PDB)中63个抗原/抗体复合物
组成的数据集进行测试。使用接受者操作特性曲线
(ROC)下的面积(area under the ROC curve,AROC)
度量系统性能,算法的 AROC 评分达到0.750。该
系统是第一个以抗原蛋白质的三级结构PDB文件作
为输入,以构象性表位预测为主要目的的网上免费
服务软件,具有开创性的意义,与其后出现的同类
软件相比略显不足的是特征选择太少。
ElliPro是一个基于结构的蛋白质表位预测和可
视化的在线服务工具[7]。如果抗原蛋白质的三维结
构已知,则可输入其在 PDB 数据库中的 ID 或提交
一个具有PDB 格式的自己的PDB 文件。如果其结构
未知,则要求输入其序列,系统将在 PDB 数据库
中使用BLAST 工具搜索这个蛋白质或它的同源物;
如果没有发现匹配的目标,则用 MODE LL ER 程序
预测蛋白质的 3D 结构,然后用 MODELLER 建立的
模板作为一个输入。对于输入的蛋白质结构,系统
实现了三个算法来完成表位预测任务:(1)把蛋白质
的形状近似为一个椭球;(2)计算球面残基的突出索
引(protrusion index,PI); (3)基于它们的PI值聚类
近邻残基。在Ponomarenko等于2007年发布的基准
数据集上系统的AROC评分达到0.732。系统还利用
开源分子可视化工具Jmol实现了3D表位图的输出。
改进该系统的进一步研究也是应考虑更多的特征。
Rubinstein等[8]于2009年首次将朴素贝叶斯分类
器用于构象性B 细胞表位预测。这项研究潜在的假
设是,抗原表面的表位部分和非表位部分可以依据
它们的理化和几何结构特征加以区分。为识别基于
这些大量特征的免疫原区,系统训练了两个朴素贝
叶斯分类器:一个是基于结构的,一个是基于序列
的。对于基于结构的分类器,系统构建了一个表位
已可靠确定的抗原基准数据集,它们来自已知晶体
结构的抗原-抗体复合体集。首先,为已验证的表
位集提取它们的理化和几何结构特征,用这些表位
特征集训练分类器。然后,对于一个待求表位的蛋
白质抗原,输入其表面的三维结构;把该表面按典
型表位尺寸划分成一些搭接的表面块,计算每个表
面块的理化和几何结构特征。最后,使用已训练好
的分类器,基于与先前已知表位的相似性为每个表
面块计算反映其潜在免疫原性的概率得分,再把该
得分赋给表面块的中心残基,作为推断它是否为表
位的依据。在这项设计中,系统利用各种软件工具
提取了28 个几何特征、16 个氨基酸倾向性标度特
征。其中几何特征包括每个氨基酸在表面块与其余
表面中的出现率之比、二级结构元件(α螺旋、β转
角和环)在表面块与其余表面中的出现率之比、在
探针半径为1.4Å情况下表面块到溶剂的平均相对可
及性、在探针半径为9Å 情况下表面块接近抗体互
补决定区(complementarity-determining region, CDR)
的平均可及性等。为了优化性能,系统还对这些特
征进行了筛选。采用交叉验证中的留一验证法,系
统的AROC评分从特征筛选前的0.703达到了筛选后
的0.914。
机器学习方法能够揭示数据集中的复杂非线性
关系,适合数据量大、含有噪声并且缺乏统一理论
的领域。该方法通常联合多个特征(有时还有实验
数据)进行预测,以克服基于较少特征的一些方法
的预测识别率不高的缺陷。系统性能的进一步提高
依赖于基准数据集的不断增长和更具价值特征的发
现 。
1.2 非机器学习的计算预测方法
非机器学习的计算预测方法,主要指的是使用
蛋白质抗原结构的几何特征或使用几何特征与理化
特征的联合,通过计算直接实现预测(不使用机器学
习)。这类方法直观明确,不存在机器学习方法中
的所谓“黑箱操作”质疑,受到一些研究人员的
信赖。
DiscoTope是一个基于序列-结构混合方法的构
象性B 细胞表位预测在线服务系统[9]。它是一个基
于训练集且利用了更多表位特征的方案,所用特征
涉及氨基酸倾向性、残基溶剂可及性、空间分布和
分子相互作用接触。当抗原氨基酸残基具有与抗体
原子距离在4Å 之内的原子时,则被定义为表位残
基。训练样本集(DiscoTope数据集)来源于对76个
抗原/抗体复合物的X射线晶体衍射分析得到的非连
续性表位。基于该表位数据集,系统计算出了参与
抗原相互作用的每一个氨基酸残基的统计特征——
对数让步比矩阵(log-odds ratios matrix); 计算出了表
面氨基酸定位和结构突出部分的联合度量(一种溶剂
表面可及性度量)——残基接触数目。残基接触数
目是指距该残基Cα原子10Å之内的抗原中的Cα原子
949第9期 欧阳玉梅:构象性B 细胞表位预测的免疫信息学方法及其网络资源
的数目。系统使用了该矩阵和联合度量的得分来预
测构象性表位残基的定位。与单独的基于Parker的
亲水性参数的线性表位预测方法和基于抗原三维结
构推断出的溶剂表面可及性预测方法相比均显示出
其优越性。算法的 AROC 评分达到 0.711。
PEPITO 是一个联合氨基酸倾向性得分和多个
距离上的半球暴露值的构象性表位预测系统[10]。其
中,氨基酸倾向性标度采用Andersen等[9]的描述;
半球暴露值与接触数目的相关性采用了Hamelryck的
描述。系统为目标蛋白质肽链中的每一个残基r计
算出一个表位得分E(r)。E(r)越大,表明残基r越
可能是一个表位残基。E(r)值计算方法:首先,对
于每一个k(k=8,10,…,16Å),分别计算出下
列三项:残基r 的k 范围内的所有残基的倾向性标
度得分(滑动窗口宽度为9个残基)求和、残基r的k
范围内上半球中的 C α 原子的数目(上半球暴露值,
反映其侧链是指向蛋白质表面还是中心)、残基r的
k 值范围内下半球中的 Cα 原子的数目(下半球暴露
值) 。然后,对这三项进行线性叠加。最后,对
所有k值求得的三项线性叠加再求和,即得E(r)值。
PEPITO 在 DiscoTope 数据集上 AROC 评分达到
0.754。另外,在更新的 Epitome 数据集上检验
PEPITO与 DiscoTope,AROC 评分分别达到了0.683
和 0.660。
1.3 基于噬菌体展示数据的识别方法
噬菌体展示技术(phage display technology)经过
多年的发展和完善,已能够为表位研究提供一个操
作简便、高通量、低成本和可调控的实用性平台。
因为用单克隆抗体从噬菌体肽库中竞争免疫筛选得
到的线性肽序列即模拟肽(mimotope),在一定条件
下可以引发识别原始抗原的抗体反应,所以这样得
到的模拟肽集,特别是通过比对模拟肽集得到的模
体(motif)集含有一定的表位信息;但是噬菌体形态
发生过程中伴随着氨基酸序列的偏向性,而且筛选
得到的模拟肽在蛋白质抗原上通常不是以线性序列
形式存在的[5]。因此,确定这些肽段模拟的抗原区
域还需要特殊的工具。一般地,这种基于模拟肽分
析的计算方法可采用下列步骤[11]: (1)描述抗原的表面
残基;(2)在抗原三维结构分子表面搜索与模拟肽或
模体最佳匹配的氨基酸序列;(3)基于聚类算法和可
视化技术输出候选表位。因为在代表抗原暴露残基
的表面图上求解所有给定长度的简单路径(即一个由
相邻残基构成的序列)是NP-hard问题,所以精确求
解时面临过高的时间复杂度。为了克服传统方法的
局限,已提出多种启发式算法。
EMT是利用表位模体(epitopic motif)数据库预测
蛋白表位的工具[12]。通过比对从噬菌体肽库中竞争
免疫筛选捕捉到的模拟肽,收集氨基酸表位模体,
构建表位模体表。对于抗原中的氨基酸残基,结合
对其上是否存在这些表位模体的考察和相对表面可
及性的评价,对其抗原性进行预测。
EPIMAP方法是由Mumey等[13]于 2003年和2006
年提出的。在这个方法中,从噬菌体肽库中筛选得
到的每个模拟肽都通过动态规划算法与其父抗原进
行比对。抗原蛋白质每一个残基的比对频率结果图
揭示出与三维空间中自然折叠接近的片段。
MEPS 是一个基于肽段有效模拟的蛋白质构象
性表位识别的在线服务系统[1 4 ],其具体步骤为:
(1)产生肽表面体。对于给定的一个目标蛋白质的结
构,首先,选择溶剂暴露氨基酸。可设最小溶剂
可 及 表 面 的 阈 值 为 4 0 Å2。其次,计算每对暴露氨
基酸的Cβ(对于甘氨酸是Cα)间的距离并存入一个矩
阵。最后,用该矩阵作图:每一个节点代表一个
表面氨基酸;当两节点的距离低于一个最大阈值d
时,它们之间则存在一条边。用图表示邻接表的集
合。(2)为一个目标蛋白质或蛋白质集找到所有的潜
在表位。把肽表面体图处理为能够提取模拟给定蛋
白质表面的所有的可能的肽序列(序列最大长度为
L)。对于每一个邻接表,迭代搜索 5.5Å 距离内的
近邻,直到用户选择的L值。肽序列被交互地检查
并存入一个FASTA 格式的文件中,以便能够直接用
于肽表面体的BLAST 或 FASTA 相似性搜索。(3)搜
索构象性表位。当用户向系统输入一个蛋白质结
构、模拟表位的肽序列和一个最小错配氨基酸数目
后,如果它的确存在,通过搜索将得到相应表位的
定位。也可以搜索固定大小肽序列,得到相应的表
位定位。系统还利用Rasmol可视化工具实现了可视
化表位图的输出。
Pep-3D-Search是基于模拟肽分析的B细胞构象
性表位预测工具[11]。其算法流程如下。首先,输
入一个抗原的三维结构和一个模拟肽集(或一个模
体) ,识别抗原的表面残基并创建一个表面残基
图。其次,对于输入为模拟表位集的情况,通过
使用蚁群优化(ant colony optimization,ACO)算法在
抗原表面图上搜索各模拟肽;计算每一个匹配的路
径的 P 值;从匹配的路径集中选择结果路径;为
结果路径创建一个权重图。最后,使用深度优先
(depth-first search,DFS)算法聚类结果路径得到候
950 生命科学 第22卷
选表位。而对于输入为模体的情况,通过使用ACO
算法在抗原表面图上定位模体,得到高分的那些路
径被直接输出为候选表位。
把噬菌体展示技术构建的随机肽库和计算机建
模结合起来进行构象性表位预测,有较坚实的实验
基础,预测更可靠,受到了研究者的广泛青睐。这
些方法的主要局限在于只能预测出确定的单克隆抗
体的亲和表位,算法没有考虑抗原-抗体结合的构
象契合关系和分子相互作用机制,不能进行更广泛
的表位预测[5]。
1.4 一些通用蛋白质-蛋白质界面预测方法
蛋白质-蛋白质界面预测是指对参与蛋白质相
互作用的特定残基及其位置的预测。它们依赖于在
蛋白质复合物界面中发现的残基所具有的特性。近
年来,PDB 经历了快速发展。为了最大化利用存储
在PDB中的高解析度的蛋白质和蛋白质复合物的三
维结构数据,已开发出众多蛋白质-蛋白质界面数
据库。而其中的数据使得比较蛋白质表面的界面和
非界面成为可能。在界面残基特征分析中发现序列
保守性、20 种氨基酸的比例、二级结构、溶剂可
及性、侧链构象熵等是比较突出的特征。但这些涉
及典型蛋白质结构的特征属性对于伴随复合物形成
的局部构象改变不是特别敏感。应该注意,随着抗
体的成熟,一个蛋白质抗原表面的许多部分可以成
为与抗体结合的表位。因此,早期的仅依赖于这些
普通特征的界面预测系统并不能很好地预测蛋白质
抗原表位。
然而,最近出现的一些通用蛋白质-蛋白质界
面预测方法如蛋白质- 蛋白质对接方法、用各种原
理和不同数据集训练的基于结构的方法和把残基序
列保守性映射到表面的方法等却取得了较好地预测
效果。其中,蛋白质- 蛋白质对接是指由诸蛋白质
单体结构配位构成复合体结构的过程,分为刚性对
接和柔性对接两大类。在这个过程中,不论是局部
的还是大规模的构象改变都是极其复杂的。潜在姿
势的巨大搜索空间和排列对接姿势的困难是两个主
要问题。例如,ClusPro(DOT程序)[15,16]在线服务实
现了基于快速傅立叶变换相关方法的刚体蛋白质-蛋
白质对接,PatchDock[17]在线服务实现了基于局部
形状特征匹配的刚体蛋白质- 蛋白质对接。
2 预测软件和Web 服务资源
最新预测软件和 Web 服务资源见表 1。
3 结语
抗原表位预测是免疫信息学研究的重要方向之
一,可以给实验提供重要的线索。构象性B 细胞表
位预测具有广阔的应用前景,但同时也是一个难度
很大的课题。首先,应尽可能多地收集抗原表位数
据,并按标准格式存放在数据库中;其次,开发
用于表位预测的新方法、新软件,为临床和基础生
物医学研究人员提供服务。最近,出现了各种构象
性B细胞表位预测软件工具和相关Internet资源。由
于它们选择的数据集和提取的特征不同和采用的策
略差异较大,呈现出了各自的优势与局限,但总体
上预测的准确性都还不够高。这些系统性能的进一
步提高依赖于基准数据集的增长、更具价值特征的
发现、计算策略的改进以及各种方法间的联合,对
这些方法进行评估与比较亦有助于其发展[1]。采用
生物实验和计算机预测相结合的方法,把分子相互
作用理论、抗原-抗体的构象契合关系以及抗原-抗
体结合机制融合到预测系统中来,提高预测的准确
性和预测方法的普遍性是未来研究的方向[5]。
[参 考 文 献]
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表1 构象性B细胞表位预测软件和Web服务资源
名称(年份) 描述 网址
CEP(2005)[6] 基于残基溶剂可及性和空间分布的构象性表位预测工具 http://bioinfo.ernet.in/cep.htm
ElliPro(2008)[7] 基于几何特性的蛋白质表位预测和可视化工具 http://tools.immuneepitope.org/tools/
 ElliPro
EpitopePrediction (2009)[8] 基于机器学习(朴素贝叶斯分类器)的B-cell表位预测 http://www.tau.ac.il/~talp/Epitope
 Prediction
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 表位预测  Tope
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 构象性表位预测
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PatchDock(2003)[17] 基于局部形状特征匹配的刚体蛋白质- 蛋白质对接 http://bioinfo3d.cs.tau.ac.il/sources.
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PPI-PRED(2005)[20] 基于有效结构和序列界面特性的蛋白质- 蛋白质结合 http://bioinformatics.leeds.ac.uk/ppi-
 界面预测  pred
PIER(2007)[21] 基于蛋白质表面(原子团水平)局部统计特性的蛋白质 http://abagyan.ucsd.edu/PIER/
 结合界面预测
ProMate(2004)[22] 基于有效结构和序列界面特性的蛋白质- 蛋白质 http://biointo.weizmann.ac.il/
 结合界面预测  promate/
ConSurf(2005)[23] 映射系统发生信息到已知三维结构的蛋白质表面的 http://consurf.tau.ac.il
 界面预测