We provide a method to simultaneously screen a library of antibody fragments for binding affinity and cytoplasmic solubility by using the Escherichia coli twin-arginine translocation pathway, which has an inherent quality control mechanism for intracellular protein folding, to display the antibody fragments on the inner membrane.
Antibodies engineered for intracellular function must not only have affinity for their target antigen, but must also be soluble and correctly folded in the cytoplasm. Commonly used methods for the display and screening of recombinant antibody libraries do not incorporate intracellular protein folding quality control, and, thus, the antigen-binding capability and cytoplasmic folding and solubility of antibodies engineered using these methods often must be engineered separately. Here, we describe a protocol to screen a recombinant library of single-chain variable fragment (scFv) antibodies for antigen-binding and proper cytoplasmic folding simultaneously. The method harnesses the intrinsic intracellular folding quality control mechanism of the Escherichia coli twin-arginine translocation (Tat) pathway to display an scFv library on the E. coli inner membrane. The Tat pathway ensures that only soluble, well-folded proteins are transported out of the cytoplasm and displayed on the inner membrane, thereby eliminating poorly folded scFvs prior to interrogation for antigen-binding. Following removal of the outer membrane, the scFvs displayed on the inner membrane are panned against a target antigen immobilized on magnetic beads to isolate scFvs that bind to the target antigen. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based secondary screen is used to identify the most promising scFvs for additional characterization. Antigen-binding and cytoplasmic solubility can be improved with subsequent rounds of mutagenesis and screening to engineer antibodies with high affinity and high cytoplasmic solubility for intracellular applications.
折りたたみ及び細胞内環境内で機能することができる抗体は、研究および治療用途の両方のための有望なツールです。これらは、タンパク質-タンパク質相互作用を防止するために、細胞内で標的タンパク質に結合することによってタンパク質の活性を調節する能力を有するタンパク質-核酸相互作用を破壊する、または酵素1-5に基板へのアクセスを防ぎます。
抗体が細胞内のアプリケーションのための多くの可能性を有するが、標的抗原に結合する能力を維持しながら、細胞内環境における適切な折り畳みと溶解性のためにそれらを操作することは困難です。還元性の細胞質環境は、通常、一本鎖可変断片(scFv)で抗体6,7-含む完全長抗体および抗体フラグメントの安定なフォールディングに必要なジスルフィド結合の形成を防止します。指向進化アプローチの数は、hを有する抗体を設計するために使用されています標的抗原8-10のためのIGH親和性。これらのアプローチは、一般的に、抗体11-13の大きなライブラリーをスクリーニングするファージディスプレイ、酵母表面ディスプレイ、細菌表面ディスプレイを使用します。これらの方法は、標的に結合する抗体を同定するための強力かつ効果的で、まだ彼らは14から16に表示されるタンパク質を輸送するために分泌経路に依存しています。分泌経路は、酵母または細菌中のペリプラズムへの小胞体内腔に減少させる細胞質から展開されたタンパク質を移動します。タンパク質は、次いで、酸化条件下で折り畳むと、細胞表面上に提示または親和17,18の結合についてスクリーニングするファージ粒子中にパッケージングされます。結果として、これらの技術を用いて単離された抗体は、必ずしも細胞質内にうまく折り畳まれず、抗体は細胞内のアプリケーションで使用される場合、細胞内の溶解性は、多くの場合、個別に操作されなければなりません。
改善するために、よく細胞質内に折り畳まれる抗体を改変の効率は、我々は以前MAD-TRAP(関連付けるタンパク質のタットベースの認識のための膜固定表示)の成功、 大腸菌 inner-使用して、scFv抗体ライブラリーをスクリーニングするための方法を報告しましたメンブレンディスプレイ19。細菌の内側の膜ディスプレイは、分泌経路を使用する他の一般的な表示方法とは対照的に、表示された抗体を輸送するためのツインアルギニン転位(TAT)経路に依存しています。 Tat経路は、可溶性の正しく折り畳まれたタンパク質はE.から輸送されることを可能にする品質制御機構を含んでいます内側の膜を横切る、およびペリプラズム20,21に大腸菌細胞質、。過剰発現したTat基質( すなわち 、TatのシグナルペプチドssTorAへのN末端融合でTat経路を標的とするタンパク質)も細胞質内に折り畳まれているN末端の私との中間長寿命転座を形成します細胞質とペリプラズム19におけるC末端のn。これは、Eのペリプラズム面には、抗体フラグメントを含む、正しく折り畳まれたTat基板の表示を可能にします大腸菌内膜。スフェロプラストを生成するために酵素消化により外膜を除去した後、抗体は、細胞外空間( 図1)にさらされています。これは、内膜に表示Tatの基板は、特定の標的への結合についてスクリーニングすることを可能にします。重要なのは、細胞表面ディスプレイのためのTat経路を利用すると、結合親和性および細胞内フォールディングの同時エンジニアリングを可能にする、十分に細胞質内に折り畳まれているライブラリ内の唯一の抗体が結合するために尋問されることを保証します。このプロトコルでは、我々は、E上のscFvライブラリーを表示する方法について説明します大腸菌内膜は、標的抗原に対するライブラリをパンし、ライブラリの最も有望な成分を同定するための二次スクリーニングを行います。我々は集中しながら、 scFvのプロトコルは、この方法は、そのアプリケーションの結合および細胞内折り畳みを必要とする任意のタンパク質を操作に適用することができます。
図1.タット内側の膜が表示されます。E.で大腸菌は、ssTorAシグナル配列の融合体として発現し、正常に細胞質内に折り畳まれたscFv抗体は、内膜を横切って輸送されています。 scFvをが細胞質中のN末端およびペリプラズム中のC末端と、内膜に固定されている転座の中間形態。 E.大腸菌の外膜を酵素的に、それによって細胞外空間に固定する抗体を露出し、表示された抗体のC末端に融合したエピトープタグに特異的に結合する抗体を用いて検出するためにそれらを利用可能にする、スフェロプラストを形成するために消化されます。ロード/ 54583 / 54583fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
細胞質活性のために抗体を操作することは、ジスルフィド結合6,7の安定化の形成を妨げる細胞質、の還元環境に困難な作業です。これは、それらが細胞質中の安定性と溶解性のために設計されていない限り、ほとんどの抗体が結合親和性のために設計されることに加えて、細胞質に不活性であることが原因となります。ファージディスプレイ、細菌表面ディスプレイ、酵母表面ディスプレイ法の既存の方法は、すべての操作された抗体の表示のために分泌経路14-16を使用しますが、これらの方法は、細胞内の折り畳みを操作する手段がありません。 Tat経路の折り品質管理が不十分に折りたたまれ、細胞質内の不安定される抗体の移行を防止するため、内側膜ディスプレイを使用して操作された抗体は、細胞質の安定性と溶解性が改善されています。この方法は、親和性aの工学、細胞内抗体の反復プロセスを簡素化目の溶解度、二つの特性は、1ステップで操作されているよう。この方法は、還元細胞内環境中での溶解度を有する抗体を改変するために設計されたが、この方法を使用して操作されたタンパク質は、ペリプラズムの酸化性環境中でそれらのフォールディングを維持するので、また、非還元条件下で機能する技術的抗体に適用することができます。
この技術は、高い親和性と高い細胞質溶解性を有する抗体を設計するプロセスを簡素化しますが、いくつかの制限は、このプロトコルを使用する際に考慮することが重要です。有望なscFvは変異体を識別するために、二次スクリーニングELISAシグナルを分析する場合、適切な抗原結合を示さないかもしれない潜在的に興味深い変異体およびそれらの間の目の肥えたためのしきい値は、いくつかのクローンをさらに特徴付けられている後まで明らかになることはまずありません。改善された親抗体を介して結合を探すことが重要です。しかしながら、異常に高い信号は、内側の膜ディスプレイスクリーニングアプローチに固有のものではありません挑戦アビディティ29または凝集効果30の指標である可能性があります。それらは非生存(未発表データ)であるため、このプロトコルを使用するときに覚えておくべき重要な制限は、パニングの後にスフェロプラストを回復することができないことです。これは、抗体をコードするプラスミドを回収するためにDNA増幅および変換ステップを必要とします。
プロトコルのいくつかの重要なステップは、折り畳みおよび抗体の結合の同時エンジニアリングを可能にします。スクリーニングを成功させるには、スクリーニングされるscFvライブラリーはssTorAシグナルペプチドとの融合として発現されなければなりません。このシーケンスがなければ、抗体は、Tat経路に導かれることはありませんので、ペリプラズム19に移行されることはありません。加えて、C末端エピトープタグがビンに表示された抗体の検出を可能にするために、抗体に融合されることが不可欠です鼎アッセイ。明らかに、E。 coli株も必要Tat経路機構を有していなければならないscFvを発現するために使用されるが、これは一般的に使用されるEの真でありますcoli株。
このプロトコルへの改変は、所望の特性を有する抗体を単離する可能性を向上させることが可能です。減法パニングステップは、前の非所望成分のscFvライブラリーを枯渇するために標的抗原に対してパニングを完了することができます。ライブラリーのスフェロプラストは、BCCP単独で、または非所望のタンパク質でコーティングされてコーティングした磁気ビーズとともにインキュベートすることができ、それらのビーズに結合したスフェロプラストは、所望の標的に結合するために、残りの未結合のスフェロプラストをスクリーニングする前に廃棄することができます。代表的な結果で述べたように、分離されたscFvの親和性を改善するための方法は、スフェロプラスト上に表示されたscFvと競合するパンニング反応中の可溶性競合他社を含むことです。可溶性コンプため、etitorにはDNAは、スフェロプラスト上に表示されたscFvのように配列のみでは、PCR反応で回収され、それから増幅されていない、精製されたタンパク質です。さらに、この方法は、抗体の他のタイプの工学または非抗体結合タンパク質に拡張することができます。
大腸菌内側の膜ディスプレイは、高親和性および細胞内溶解性の高レベルの抗体を改変するための強力なプラットフォームです。この方法は、細胞内環境内で機能するように設計された抗体の効率的な操作のために特に適しています。これらの細胞内抗体は、すでに神経変性疾患、癌、およびウイルス感染31を含むフィールドの数の潜在的な治療薬として検討されています。この技術は、研究と医療これらの分野でその場でタンパク質標的を研究が望まれる任意の他のフィールドのためのツールとしての細胞内抗体のより広範な使用を可能にします。
The authors have nothing to disclose.
We thank Tomer Zohar for work on scFv screening and characterization assays. A portion of this work was supported by award number F32CA150622 from the National Cancer Institute (to AJK). The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Cancer Institute or the National Institutes of Health.
scFv library | Varies | N/A | A suitable scFv library should be obtained from a commercial or academic source. |
MC4100 E. coli cells | Coli Genetic Stock Center | 6152 | Cells need to be chemically competent or electrocompetent, depending on the selected transformation method. |
Glycerol | Fisher Scientific | BP229-4 | |
Difco dehydrated culture media LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | BD | 244610 | |
Chloramphenicol (Cm) | Fisher Scientific | BP904-100 | |
Sodium chloride (NaCl) | Fisher Scientific | BP358-1 | |
Potassium chloride (KCl) | Fisher Scientific | BP366-500 | |
Sodium phosphate, dibasic (Na2HPO4) | Fisher Scientific | BP332-500 | |
Potassium phosphate, monobasic (KH2PO4) | Fisher Scientific | BP362-500 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Fisher Scientific | BP9706-100 | |
Sucrose | Fisher Scientific | BP220-1 | |
Tris base | Fisher Scientific | BP1521 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 0.5 M | Fisher Scientific | BP2482-500 | |
Magnesium chloride (MgCl2) | Fisher Scientific | BP214-500 | |
Lysozyme | Sigma Aldrich | L3790-10X1ML | |
Vortex mixer | VWR | 97043-564 | |
Bicine | Fisher Scientific | BP2646100 | |
D-Biotin | Fisher Scientific | BP232-1 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside | Fisher Scientific | BP1755-1 | |
BugBuster Master Mix (cell lysis detergent) | EMD Millipore | 71456 | |
Vivaspin 2 MWCO, 3000 daltons | GE Healthcare Sciences | 28932240 | |
Target antigen | Varies | N/A | Purified target antigen may be purchased or produced/purified. |
Dynabeads MyOne Streptavidin T1 | Invitrogen | 65601 | |
Dynamag-2 magnet | Invitrogen | 12321D | |
Tube rotator | VWR | 13916-822 | |
PCR primers | IDT | N/A | Primer sequences are as described in the protocol. |
10X T4 DNA ligase reaction buffer | New England BioLabs | B0202S | |
T4 Polynucelotide kinase (PNK) | New England BioLabs | M0201S | Make sure the T4 ligase buffer used in the primer phosphorylation reaction contains 1 mM ATP. |
5X Phusion HF buffer pack | New England BioLabs | B0518S | |
Deoxynucleotide (dNTP) solution mix, 10 mM each dNTP | New England BioLabs | N0447L | |
Phusion DNA polymerase | New England BioLabs | M0530S | Other high-fidelity polymerases may be used as an alternative, but the annealing temperature in Table 3 must be adjusted. |
C1000 Touch thermal cycler with dual 48/48 fast reaction module | Bio-Rad | 185-1148 | |
Agarose | Promega | V3121 | |
SYBR Safe DNA gel stain | Invitrogen | S33102 | |
Wizard SV gel and PCR clean-up system | Promega | A9281 | |
T4 DNA ligase | New England BioLabs | M0202S | |
Microdialysis membrane filter | EMD Millipore | VSWP04700 | |
Agar | BD | 214030 | |
96-well polystyrene round-bottom cell culture plates | VWR | 10062-902 | |
Costar general polystyrene assay plate lids | Corning | 3931 | |
Microtitre plate shaker | VWR | 12620-926 | |
Costar 96 well EIA/RIA Easy Wash clear flat bottom polystyrene high bind microplate | Corning | 3369 | |
Bel-blotter polycarbonate 96-well replicating tool | Bel-Art Products | 378760002 | |
Instant nonfat dry milk | Quality Biological | A614-1000 | |
Tween 20 (polysorbate 20) | Fisher Scientific | BP337-500 | |
PopCulture reagent (concentrated cell lysis detergent) | EMD Millipore | 71092-3 | |
Monoclonal ANTI-FLAG M2-Peroxidase(HRP) antibody produced in mouse | Sigma Aldrich | A8592 | |
SigmaFast OPD | Sigma Aldrich | P9187-50SET | |
Sulfuric acid (H2SO4), 10N solution | Fisher Scientific | SA200-1 | |
Reynolds Wrap aluminum foil | VWR | 89079-075 | |
BioTek Epoch microplate spectrophotometer | Fisher Scientific | 11120570 |