Optimization of therapeutic antibodies by predicting antigen specificity from antibody sequence via deep learning

抗体 免疫原性 清脆的 生物 定向进化 深度测序 重组DNA 突变 肽库 抗原 曲妥珠单抗 计算生物学 分子生物学 基因 突变 遗传学 肽序列 基因组 癌症 乳腺癌 突变体
作者
Derek M. Mason,Simon Friedensohn,Cédric R. Weber,Christian Jordi,Bastian Wagner,Simon M. Meng,Roy A. Ehling,Lucia Bonati,Jan Dahinden,Pablo Gaínza,Bruno E. Correia,Sai T. Reddy
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Nature Portfolio]
卷期号:5 (6): 600-612 被引量:320
标识
DOI:10.1038/s41551-021-00699-9
摘要

The optimization of therapeutic antibodies is time-intensive and resource-demanding, largely because of the low-throughput screening of full-length antibodies (approximately 1 × 103 variants) expressed in mammalian cells, which typically results in few optimized leads. Here we show that optimized antibody variants can be identified by predicting antigen specificity via deep learning from a massively diverse space of antibody sequences. To produce data for training deep neural networks, we deep-sequenced libraries of the therapeutic antibody trastuzumab (about 1 × 104 variants), expressed in a mammalian cell line through site-directed mutagenesis via CRISPR–Cas9-mediated homology-directed repair, and screened the libraries for specificity to human epidermal growth factor receptor 2 (HER2). We then used the trained neural networks to screen a computational library of approximately 1 × 108 trastuzumab variants and predict the HER2-specific subset (approximately 1 × 106 variants), which can then be filtered for viscosity, clearance, solubility and immunogenicity to generate thousands of highly optimized lead candidates. Recombinant expression and experimental testing of 30 randomly selected variants from the unfiltered library showed that all 30 retained specificity for HER2. Deep learning may facilitate antibody engineering and optimization. Therapeutic antibodies can be optimized using deep-learning models trained on antibody-mutagenesis libraries to generate antibody variants and predict their antigen specificity.
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