We present a protocol to identify protein moieties containing antigens for human and mouse IgM antibodies with specific kappa (Vκ) light chains. This protocol is not limited to IgM class antibodies but applies to all immunoglobulin isotypes that target their antigen with sufficiently high affinity during immunoprecipitations.
Antibodies of the IgM isotype are often neglected as potential therapeutics in human trials, animal models of human diseases as well as detecting agents in standard laboratory techniques. In contrast, several human IgMs demonstrated proof of efficacy in cancer models and models of CNS disorders including multiple sclerosis (MS) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Reasons for their lack of consideration include difficulties to express, purify and stabilize IgM antibodies, challenge to identify (non-protein) antigens, low affinity binding and fundamental knowledge gaps in carbohydrate and lipid research.
This manuscript uses HIgM12 as an example to provide a detailed protocol to detect antigens by Western blotting, immunoprecipitations and immunocytochemistry. HIgM12 targets polysialic acid (PSA) attached to the neural cell adhesion molecule (NCAM). Early postnatal mouse brain tissue from wild type (WT) and NCAM knockout (KO) mice lacking the three major central nervous system (CNS) splice variants NCAM180, 140 and 120 was used to evaluate the importance of NCAM for binding to HIgM12. Further enzymatic digestion of CNS tissue and cultured CNS cells using endoneuraminidases led us to identify PSA as the specific binding epitope for HIgM12.
Anticorps de l'isotype IgM montrent un grand potentiel thérapeutique pour le traitement de diverses maladies telles que le cancer et les troubles du SNC 1-7. Le groupe du Vollmers a identifié de nombreux anticorps chez les patients cancéreux pour une utilisation potentielle en tant que biomarqueurs spécifiques de la tumeur ou thérapeutiques actives qui sont capables de tuer les cellules malignes en induisant les voies apoptotiques 4,8,9. Fait intéressant, tous les anticorps identifiés ayant un potentiel thérapeutique sont de l'isotype IgM et appartiennent au groupe des «autoanticorps naturels» (NABS).
De même, le groupe de la souris et Rodriguez a identifié des anticorps humains qui stimulent la remyélinisation dans les lésions de la moelle épinière chronique démyélinisées dans des modèles de sclérose en plaques (SEP). Identiques à des anticorps ayant des effets anti-cancéreux, les anticorps de la remyélinisation favorisant AcN et sont de l'isotype IgM 1,6,7,10. Les antigènes précis pour IgM plus identifiés sont encore undetermined y compris l'anticorps remyélinisation promotion humaine rHIgM22, actuellement en phase I des essais cliniques pour les patients atteints de SEP 11. Malgré les efforts répétés par des experts dans le domaine de la recherche sur les lipides et les glucides à la fois dans le milieu universitaire et en partenariat avec l' industrie 11, tente d'identifier les antigènes de rHIgM22 n'a pas été couronnée de succès. L'échec des techniques standard utilisées pour identifier des antigènes d'anticorps IgG à travailler avec des anticorps IgM identifie un besoin critique d'affiner les méthodes spécifiques pour ces anticorps que les plus susceptibles de glucides ou lipides cible les antigènes.
L'objectif de ce manuscrit est l'anticorps régénérative humaine HIgM12 et les procédures expérimentales utilisées pour identifier son antigène. HIgM12 anticorps a été identifié chez des patients atteints de macroglobulinémie de Waldenstrom, stimule la croissance des neurites in vitro de 12 à 14 et des cibles d' acide sialique (PSA) fixé à la molécule d'adhésion des cellules neurales (PSA-NCAM) 15,16. HIgM12 prolonge la durée de vie dans un modèle de souris de la SLA 17 et améliore le résultat fonctionnel dans le virus de l' encéphalomyélite murine de Theiler (TMEV) des souris infectées par. Plus précisément, HIgM12 stimule l' activité motrice horizontale et verticale spontanée chez la souris et augmente chroniquement démyélinisation nombre de petites et moyennes diamètre de la moelle épinière axones huit semaines après une seule dose faible de intrapéritonéale, injecté anticorps 18.
La molécule d'adhésion cellulaire neuronale (NCAM) est une glycoprotéine de l'immunoglobuline (Ig) superfamille exprimée sur la surface cellulaire des neurones, des cellules gliales, les muscles squelettiques et les cellules tueuses naturelles 19-25. Les trois principales isoenzymes NCAM appelés NCAM180, NCAM140 et NCAM120, sont des variants d'épissage alternatifs d'un transcrit primaire qui varient seulement dans leur domaine cytoplasmique. Au sein du système nerveux central, la NCAM est la principale molécule polysialylés (> 95%) avec de longues homopolymères d'acide sialique chargés négativement. pOLYSIALIQUE uncid avec n> 10 est appelé PSA mais les structures oligomériques plus courtes existent qui sont aussi biologiquement pertinents. D' autres protéines polysialylés exprimées dans le SNC sont SynCAM1 26, Neuropilin-2 (NRP-2) 27,28 et une sous – unité de canal de sodium 25 (pour revue , voir 29).
Les méthodes décrites ici permettent l' identification d'antigènes pour les immunoglobulines humaines et de souris contenant kappa (Vk) chaînes légères (VκI, VκIII ou VκIV chaînes légères pour des anticorps humains et les chaînes légères VκI pour les anticorps de souris) spécifiques indépendamment de la isotype de l'anticorps (par exemple, IgG, IgM , IgA, IgD ou IgE). Cette limitation est basée sur l'utilisation de la protéine L agarose pour immunoprécipitations avec des anticorps de l'isotype IgM. D'autres stratégies peuvent inclure des lectines liant le mannose et des anticorps IgG anti-IgM secondaires liés de manière covalente à des billes d'agarose, qui peuvent élargir l'applicabilité de cette méthode pour plusieurs anticorps IgM incLUDING ceux qui lambda (λ) des chaînes légères (voir la discussion). Ratios de sérum chaînes légères IgM Vk par rapport aux chaînes légères de IgM provenant d'individus en bonne santé sont de 1,5: 1 30.
Sur la base de la méthodologie chromatographique utilisé ici pour séparer, enrichir et immunologiquement détecter certaines molécules 31, tous les antigènes sont tenus d'inclure au moins un domaine de petites protéines. Épitope de liaison spécifique de l'anticorps peut être à l' intérieur ou en dehors du domaine des protéines (par exemple, dans les glycoprotéines, les lipoprotéines). étapes biochimiques initiales utilisées pour identifier l'antigène spécifique pour HIgM12, respective pour réduire la liste des candidats potentiels, sont les étapes les plus cruciales dans cette méthode. préparations spécifiques de type cellulaire et la caractérisation basée sur la morphologie des cellules sont décrites pour les cellules gliales, mais cette méthodologie peuvent être extrapolés pour accueillir d'autres types de cellules à l'intérieur ou à l'extérieur du SNC.
Il est urgentbesoin de développer de nouvelles ou modifiées techniques applicables pour le nombre croissant d'anticorps IgM ayant un potentiel thérapeutique pour les différents troubles de l'homme en particulier dans les cas (la majorité des antigènes IgM) où les cibles d'anticorps sont des structures d'hydrates de carbone ou des lipides.
Autoanticorps IgM naturelles humaines sont attrayants pour les candidats immunothérapies et ont démontré un potentiel thérapeutique pour le traitement de diverses maladies , y compris le cancer et les troubles du SNC 1-7. Avantageusement, ces anticorps ne sont pas provoquer une réponse immunitaire dans lequel la génération d'anticorps neutralisants réduit considérablement la dose thérapeutique efficace et l'efficacité. Surtout, tous les anticorps ayant un potentiel thérapeutique ont été de l'isotype IgM et appartiennent au répertoire NAb 3-5,8,9,37,40,42-45. Un obstacle majeur à l'application clinique potentielle des anticorps IgM est l'identification de leurs antigènes, qui sont indéterminés dans de nombreux cas. Les techniques standard utilisées pour les anticorps IgG ne sont souvent pas applicable pour identifier l'antigène d'un IgM.
Ce protocole décrit la détermination de PSA-NCAM comme antigène pour l'anticorps IgM humaine de régénération HIgM12, efficace dans des modèles animauxde la SP et la SLA 15-18. La méthodologie utilisée est principalement applicable à tous les anticorps humains avec des chaînes légères Vk spécifiques VκI, VκIII et VκIV et des anticorps de souris avec des chaînes légères VκI, quel que soit le isotype de l'anticorps.
L'étape la plus critique de ce protocole est l'utilisation d'anticorps IgM dans des applications de Chromatographie d'affinité. Plus précisément, les anticorps retenus doivent agir en tant qu'agents pull-down dans immunoprécipitations d'isoler ou d'enrichir un antigène de tissu ou de culture cellulaire lysats complexes. Les fractions enrichies de l'antigène peuvent être comparés à des immunoprécipitations provenant d'anticorps de contrôle d'isotype et analysés par la suite les différences par spectrométrie de masse. Une exigence ou la limitation de cette étape essentielle est la présence de l'anticorps correcte Vk chaîne légère et l'hôte (humain, souris) pour permettre la liaison à la protéine L agarose anticorps. L'utilisation de la protéine de liaison au mannane lié à agarose (également callelectine d liant le mannose) au lieu de la protéine L agarose est une alternative potentielle à immunoprécipiter IgM sans chaînes spécifiques de lumière Vk. Cependant, comme indiqué par Arnold et al. , 35, IgM lié à l' antigène ne se lient pas à la protéine de liaison au mannane, comme les glycanes cibles semblent devenir inaccessibles une fois que l'IgM est lié à son antigène. Sur la base de ces résultats mannane protéine ne peut pas être utilisée comme matrice de liaison à immunoprécipiter un antigène chargé par les molécules d' IgM 35. D' autres solutions de rechange potentielles pourraient être l'utilisation d'agarose lié des anticorps anti-IgM IgG secondaires 46,47 ou utilisation de billes magnétiques activées en surface 48. Les anticorps IgG dirigés contre les IgM peuvent être réticulés chimiquement à de l'agarose ou un agarose G dans le but de réduire l'ampleur de l'anticorps élue conjointement avec l'antigène d'intérêt. Une comparaison valable entre les différentes variantes de immunoprécipitation IgM par rapport à des antigènes identifiés avec succès is difficile parce que la plupart des immunoprécipitations ont été effectuées pour isoler ou épuiser les IgM sans intérêt pour leurs antigènes. En outre, les immunoprécipitations utilisant IgM ont été principalement utilisés pour confirmer un seul antigène déjà connu ou attendu avec une exposition d'anticorps à des antigènes purifiés 49. Un inconvénient d'IgG d'agarose couplées à l' encontre IgM humaine est un très faible rendement (10-15%) des molécules d' IgM sériques immunoprécipité par rapport à la matière de départ 50. En revanche, les billes magnétiques activées en surface ont été appliqués avec succès à des anticorps de différents isotypes IgM , y compris pour immunoprécipiter fibrilles associées à la tremblante 48. Ce procédé ne se limite pas à kappa spécifique (Vk) ou lambda (λ) des chaînes ou d'un hôte particulier et peut sensiblement élargir le spectre d'anticorps IgM utilisés dans les immunoprécipitations.
Une autre étape importante dans le protocole est la capacité de l'anticorps à fonctionner en tant que detète anticorps (anticorps primaire) dans Western blots ou d'autres plates-formes de dépistage. des anticorps choisis doivent cibler leur antigène avec une affinité suffisamment élevée pour permettre la liaison d'antigène, en présence de détergents non ioniques ou éventuellement ioniques. anticorps de haute affinité sont fréquents chez les anticorps IgG affinité maturée, mais moins fréquent chez les anticorps de l'isotype IgM, qui est l'une des raisons pour lesquelles il y a relativement peu d'anticorps IgM disponibles dans le commerce en tant qu'agents de détection dans les paramètres biochimiques. Haute affinité de liaison des anticorps est une exigence pour les immunoprécipitations d'antigènes moléculaires et pour le transfert de Western. Abaisser les concentrations de détergent ou de l'absence totale de détergents dans des tampons IP et les tampons de lyse permet à l'antigène cible par des anticorps de faible affinité via son domaine Fab. En revanche, la capacité de l'anticorps à la protéine cible d'agarose L par l'intermédiaire de sa partie Fc est substantiellement pas affectée chez les témoins isotypiques sur une gamme de différentes concen détergentestrations. Toutefois, une faible concentration de détergent dans le tampon de lyse et un tampon IP empêche la perturbation de la membrane cellulaire et à l'isolement de molécules spécifiques. De même, une faible concentration de détergent dans Western blot tampons de lavage (par exemple, PBS-T) permet la liaison des anticorps de faible affinité antigène , mais en même temps augmente la liaison non spécifique et est donc pas une option.
La présence d'un noyau de protéine d'antigène est une autre exigence pour cette méthode. Les protéines avec des modifications post – traductionnelles (par exemple, les glycoprotéines, les lipoprotéines) et des protéines non modifiées, mais pas les lipides ou les glucides seuls, sont détectables dans les Western blots. Il est impossible d'immunoprécipiter des lipides (par exemple, des sphingolipides) à partir de lysats de tissus ou de cellules en présence ou en l' absence de détergents. Les propriétés physico-chimiques des détergents et des lipides sont trop similaires pour permettre des interactions lipide-anticorps sélectifs, alors que dans le même temps les détergents sont essentiels pour perturberLes membranes de manière à permettre l'isolement sélectif de molécules spécifiques. À notre connaissance, seul immunoprécipitations comprenant des hydrates de carbone, en l'absence d'un noyau de protéine, n'a pas été précédemment rapporté. Cela devient particulièrement pertinent parce que les anticorps IgM ciblent fréquemment des glucides et des glycolipides, qui ne sont pas nécessairement liés à une unité de protéines. D'autres techniques chromatographiques sont nécessaires pour la séparation et l'identification immunologique des lipides et des hydrates de carbone en l'absence d'un noyau de protéine. Par exemple, la Chromatographie sur couche mince (CCM) des lipides cellulaires avec la détection d'anticorps ultérieure sur la plaque de CCM (Chromatographie sur couche mince immuno-) peut être mis en œuvre 51,52.
D'autres anticorps anti-PSA ont été décrits dans des études antérieures et les résultats ont été comparés avec HIgM12 ainsi que disponible dans le commerce anti-PSA IgM (clone 2-2B). L'anticorps le plus couramment utilisé dans le domaine de PSA est un anticorps IgG (clone 735) disponible en tant que Monoc de la sourisun anticorps polyclonal de lapin lonal ou 53. Cet anticorps IgG anti-PSA PSA détecte le SynCAM et NCAM sur différents types de cellules du système nerveux central incluant les cellules microgliales 41. Par contraste avec l'anticorps anti-PSA IgG, IgM humains HIgM12, HIgM42 et l'anticorps anti-PSA IgM de souris (clone 2-2B) ne sont pas capables de cibler le PSA SynCAM (mais NCAM) à divers stades embryonnaires et post-natales précoces chez des souris , tandis que SynCAM non polysialylés est facilement détectable 15. Les anticorps IgM utilisés sont également pas en mesure de détecter PSA sur les cellules microgliales (figures 3 + 4). Une explication possible pour les différences observées entre les isotypes d'anticorps peuvent être des niveaux de PSA-SynCAM bas par rapport aux niveaux de PSA-NCAM combiné avec l'affinité de liaison potentiellement plus faible d'anticorps IgM par rapport à l'IgG anti-PSA. Pour tester cette hypothèse, nous avons effectué des immunoprécipitations chez les animaux NCAM KO au stade embryonnaire E17 avec de vastes quantités de SynCAM présent et utilisé HIgM12 comme un «agent pull-down" <sup> 15. Dans littermate E17 WT commande le HIgM12 immunoprécipitée PSA-NCAM dans une mesure qui a montré des intensités similaires de la «tirée vers le bas" PSA-NCAM par rapport à la chaîne lourde IgM telle que détectée par densitométrie en Western Blot ultérieure en utilisant des antigènes élués. Ce résultat a suggéré au moins une affinité suffisante de HIgM12 à son PSA cible. Contrairement à WT littermate contrôle HIgM12 n'a pas détecté PSA attaché à SynCAM chez les animaux NCAM KO. Des résultats identiques ont été obtenus en utilisant des immunoprécipitations anti-PSA HIgM42 IgM humaine. HIgM12 et HIgM42, ainsi que la souris anti-PSA IgM (clone 2-2B) ont été incapables de cibler PSA sur SynCAM en Western blots de WT et NCAM KO animaux à des stades de développement embryonnaire et postnatal. Compte tenu de la faible quantité de HIgM12 requise (0,1 pg / ml) pour détecter spécifiquement PSA attaché à la NCAM dans des Western blots en utilisant de petites quantités de tissu du système nerveux central (SNC 0,1 ug de tissu par puits) , 15 il semble peu probable que de faibles affinités seulesresponsable de l'absence totale de détection PSA-SynCAM par HIgM12 dans trois méthodes différentes.
Nous concluons qu'il existe des différences significatives entre les anticorps anti-PSA IgM et l'anticorps anti-PSA IgG fréquemment publié (clone 735). On ne sait pas pourquoi les anticorps anti-PSA IgM disponibles dans le commerce ne sont pas utilisés plus fréquemment dans le passé pour confirmer les résultats obtenus avec antiPSA anticorps IgG 735. Ceci est particulièrement intéressant parce HIgM12 a déjà prouvé leur efficacité dans des modèles de maladies différentes. Alors que d'autres anticorps anti-PSA IgM peuvent avoir des effets thérapeutiques similaires, il reste difficile de savoir si l'anticorps anti-PSA IgG (clone 735) a un résultat thérapeutique similaire dans les modèles de sclérose en plaques et la SLA.
En bref, les méthodes décrites ici ont été principalement utilisés pour identifier l'antigène des HIgM12 d'anticorps humains régénératrices pour soutenir les essais cliniques potentiels pour MS et éventuellement d'autres maladies neurodégénératives. L'identification des fourmisigens pour les anticorps ayant une activité biologique est l'étape comme essentielle pour comprendre leur mécanisme d'action. Cela devient particulièrement pertinent dans le contexte de nombreux anticorps monoclonaux actuellement testés pour la sécurité et l'efficacité dans des essais humains. Alors que le nombre d'anticorps IgM cliniquement testés à ce jour est faible, les progrès récents dans la technologie des hybridomes ainsi qu'un nombre croissant d'études mettant en évidence le potentiel thérapeutique de cette classe d'anticorps 1-10,37,40,42-45 exhorte le développement de nouvelles ou méthodes modifiées applicables à identifier les antigènes IgM non protéiques.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par des subventions des National Institutes of Health (R01 GM092993, R01 NS048357 et R21 NS073684), la National Science Foundation (CAREER Award), le prix du Minnesota Partenariat pour la biotechnologie et génomique médicale, la National Multiple Sclerosis Society (CA1060A) , et la clinique Mayo Centre pour la science clinique et translationnelle (CCATS). Les auteurs reconnaissent le soutien des Fondations Applebaum, Hilton, Peterson et Sanford, la Lune et Marilyn Fonds Directorship Park et la famille McNeilus.
DMEM | Fisher Scientific | MT-10-013-CVRF | HIGH GLUCOSE, with glutamine, with sodium pyruvate, 500 ml |
DMEM/F-12, HEPES | Life Technologies | 11330-032 | 500 ml, L-glutamine, sodium pyruvate, high glucose |
Penicillin-Streptomycin | Life Technologies | 15140-122 | 10,000 U/mL, 100 ml |
N-2 Supplement (100X) | Life Technologies | 17502-048 | 5 ml |
B-27 Supplement (50X) | Life Technologies | 17504-044 | serum free, 10 ml |
Fetal Bovine Serum – Optima | Atlanta Biologicals | S12450 | 500 ml |
STERILE WATER FOR IRRIGATION | Baxter Healthcare | #2F7114 | USP-1000 ml, 12/CA |
Poly-D-lysine hydrobromide | Sigma | P7886-50MG | D-Lys-(D-Lys)n-D-Lys · xHBr, Molecular Weight 30,000-70,000 g/mol, 50 mg |
bovine serum albumin fraction V | Sigma | A-3294-100G | heat shock fraction, protease free, pH 7, purity 98%, 100 g |
D-(+)-Glucose | Sigma | G5767-500G | C6H12O6, Molecular Weight: 180.16 g/mol, ACS reagent, 500 g |
Trypsin from bovine pancreas | Sigma | T9935-100mg | essentially salt-free, lyophilized powder, =9,000 BAEE units/mg protein, |
Deoxyribonuclease I from bovine pancreas | Sigma | D5025-150KU | Type IV, lyophilized powder, =2,000 Kunitz units/mg protein |
Recombinant Rat FGF basic Protein | R&D systems | 3339-FB-025 | BSA as a carrier protein, 25 ug, lyophilized, >95%, 16.2 kDa |
Recombinant Rat PDGF-AA Protein | R&D systems | 1055-AA-50 | carrier free, 50 ug, lypphilized, >97%, E.coli-derived, 12.5 kDa |
Neurobasal-A | Life Technologies | 10888-022 | 500 ml, No Glutamine, No Aspartic Acid, No Glutamic Acid |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148-1KG | crystalline, 1 kg, reagent grade, Molecular Weight 30.03 g/mol (as monomer) |
Tris[hydroxymethyl]aminomethane (Tris bas | Biorad | #1610719 | 1 kg, 99.8% pure, powder |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Biorad | #1610302 | 1 kg, powder |
Glycine | Fisher Scientific | BP-381-5 | C2H5NO2, Molecular weight: 75.07 g/mol, White crystalline Powder, 5 kg |
Sodium chloride | Sigma | S7653-5KG | NaCl, Molecular Weight: 58.44 g/mol, 5 kg |
Sodium phosphate monobasic | Sigma | S0751-500G | NaH2PO4, Molecular Weight: 119.98 g/mol, 500 g |
Phosphate-buffered Solution 1X (PBS) | Cellgro | MT-21-040-CV | Without Calcium and Magnesium, 6 x 500 ml |
Falcon 60mm TC-Treated Cell Culture Dish | Corning Life Sciences | #353002 | 60 mm Cell Culture Dish, TC-treated polystyrene, 20/pack, sterile |
Falcon 60 mm x 15 mm Petri dish | Corning Life Sciences | #351007 | Not TC-Treated Bacteriological Petri Dish, 20/Pack |
6 well cell culture plates | Corning Costar | CLS3516 | 6 well, flat bottom (Individually wrapped), gamma-irradiated, growth area 9.5 c |
75cm² tissue culture flask | Corning Life Sciences | 430720U | 75cm² U-Shaped Canted Neck Cell Culture Flask with Plug Seal Cap |
Pierce™ Protein L Plus Agarose | ThermoFisher Scientific | #20520 | 2 ml, crosslinked 6% beaded agarose (CL-6B), binding capacity: 10 to 20 mg IgG |
4-20% Mini-PROTEAN TGX Precast Gel | Biorad | 456-1094 | 10-well, 50 µl, for use with Mini-PROTEAN electrophoresis cells |
Immobilon-P Membrane | Millipore | IPVH00010 | PVDF, 0.45 µm, 26.5 cm x 3.75 m roll |
Anti-Polysialic Acid-NCAM Antibody, clone | Millipore | MAB5324 | 50 microliters, Host: mouse, monoclonal IgM |
XT sample buffer (Western blot) | Biorad | #1610791 | 10 ml, 4 x premixed protein sample buffer |
2-mercaptoethanol | Biorad | #1610710 | 25 ml, 98 % pure, 14.2 M |
Endoneuraminidase-N (Endo-N) | ABC Scientific | ABC0020 | 50 microliters, 200 µg/ml, 3500 U/mg |
25 mm glass coverslips | Fisher Scientific | 12-545-102 | Circles No. 1; Thickness: 0.13 to 0.17mm; Size: 25mm |
HEPES buffer solution | ThermoFisher Scientific | 15630-080 | 100 ml, 1M |
Hanks' Balanced Salt Solution 1X (HBSS) | Cellgro | MT-21-022-CV | 500 ml, without Calcium, Magnesium, Phenol Red |
Papain | Worthington Biochemical Cooperation | LS003119 | lyophilized powder, 100 mg |
Magnesiumsulfate | Sigma | M-2643-500G | powder, 500 g |
L-Glutamine | Gibco | #25030-081 | 100 ml, 200 mM |