逆翻訳によって決定された抗体生物学的製剤のヒト類似性と、大規模な抗体可変遺伝子レパートリーとの比較

Human-likeness of antibody biologics determined by back-translation and comparison with large antibody variable gene repertoires.

• Samuel Schmitz
• Cinque Soto
• James E Crowe
• Jens Meiler

抄録

抗体（Ａｂ）の生殖細胞における可変（Ｖ）、多様（Ｄ）、および結合（Ｊ）遺伝子セグメントの遺伝子再配列、ならびに体細胞超変異は、ヒトＡｂ可変遺伝子配列レパートリーを生じさせる。種特異的野生型生殖細胞遺伝子へのアラインメントにより、可変領域の単一ヌクレオチド頻度を特徴付けることが一般的である。免疫レパートリー研究への次世代シークエンシングの応用の増加は、増大する大規模な適応性イムノーム受容体レパートリーデータセットのコンパイルにつながっている。我々は、3億2,600万個のヒトAb配列からなるイムノームデータセットに標的Abの配列をマッピングする方法を開発した。この目的のために、位置および遺伝子特異的スコアリングマトリックス（PGSSM）とそれに対応する抗体類似度スコアを作成した。その結果、PGSSMスコアは、20種のGenBankから得られた181,355個のAb配列の系統的距離と強く相関していることがわかりました。最も可能性の高いヒトのヌクレオチド逆翻訳は、PGSSMとAbのアミノ酸配列のみから得られ、ヒトの重鎖および軽鎖について、それぞれ95.9％および97.2％のヌクレオチド配列回復率を達成しました。結論として、我々の逆翻訳のスコアリングは、ヒトの天然レパートリーに対するAb配列の類似性を評価するための貴重な推定値である。予想されるように、ヒト由来で開発されたＡｂ治療分子は、操作されたＡｂよりもレパートリーに対するより高い類似性を示した。このように、ここで紹介したPGSSM指標は、ヒトに似たAb治療薬を作製するために使用することができる。

The antibody (Ab) germline gene rearrangement of variable (V), diversity (D), and joining (J) gene segments, as well as somatic hypermutation, give rise to the human Ab variable gene sequence repertoire. It is common to characterize single nucleotide frequencies of the variable region by alignment to species-specific wildtype germline genes. The increasing application of next-generation sequencing to immune repertoire studies has led to the compilation of increasing large adaptive immunome receptor repertoire datasets. We have developed a method that maps the sequence of a target Ab onto an immunome dataset of 326 million human Ab sequences. For this purpose, we created a position- and gene-specific scoring matrix (PGSSM) and its corresponding antibody similarity score. We characterized our PGSSM score and found that it strongly correlated with the phylogenetic distance of 181,355 Ab sequences from GenBank across 20 species. The most likely human nucleotide back-translation was obtained given only PGSSMs and the amino acid sequence of an Ab achieving a nucleotide sequence recovery of 95.9% and 97.2% for human heavy and light chains, respectively. In conclusion, the scoring of our back-translation is a valuable estimate for the similarity of an Ab sequence to the natural human repertoire. As expected, Ab therapeutic molecules developed from a human source showed a higher similarity to the repertoire than engineered Abs. Thus, the PGSSM metric introduced here can be used to engineer human-like Ab therapeutics.