Mechanistic insights into inter-chain disulfide bond reduction of IgG1 and IgG4 antibodies

抗体 免疫球蛋白轻链 化学 半胱氨酸 单克隆抗体 二硫键 免疫球蛋白G 生物化学 组合化学 立体化学 生物 免疫学
作者
Yuanli Song,Hui Cai,Zhijun Tan,Nesredin Mussa,Zheng Jian Li
出处
期刊:Applied Microbiology and Biotechnology [Springer Nature]
卷期号:106 (3): 1057-1066 被引量:3
标识
DOI:10.1007/s00253-022-11778-5
摘要

Therapeutic monoclonal antibodies (mAbs), primarily immunoglobin G1 (IgG1) and IgG4 with an engineered CPPC motif in its hinge region, are predominant biologics. Inter-chain disulfide bonds of IgG mAbs are crucial to maintaining IgG integrity. Inter-chain disulfide bond-reduced low molecular weight (LMW) is considered as one of quality attributes of IgG drug substance and is observed in drug substance manufacturing. In this study, we demonstrate that IgG1 and IgG4 are susceptible to the reducing agent TCEP differently and they follow different pathways to form LMWs. Our study shows that IgG1 is more sensitive to TCEP than IgG4. Both therapeutic IgG1 and human blood plasma IgG1 follow a heavy-heavy-light chain (HHL) pathway, featured with HHL and HH as intermediate species. Human blood plasma IgG4 with a CPSC motif in its hinge region follows heavy-light chain (HL) pathway, featured with HL as the intermediate species. However, therapeutic IgG4 follows a hybrid pathway with the HL pathway as the primary and the HHL pathway as the secondary. These experimental observations are further explained using solvent accessibility of inter-chain disulfide bonds obtained from computational modeling and molecular dynamics simulations. Findings from this study provide mechanistic insights of LMW formation of IgG1 and IgG4, which suggest selection of IgG1 or IgG4 for bispecific antibodies and cysteine-based antibody-drug conjugates. KEY POINTS: • Experimentally discovered preferable disulfide bond reduction pathways between IgG1 and IgG4 antibodies, driven by the different solvent accessibilities of these disulfide bonds. • Computationally explained the solvent accessibility aided by molecular dynamics simulations. • Provided insights in developing robust biologics process and designing bispecific antibodies and cysteine-based antibody-drug conjugates.
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