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.
Os anticorpos do isotipo IgM demonstram um grande potencial terapêutico para o tratamento de diversas doenças, incluindo o cancro e doenças do SNC 1-7. O grupo Vollmers 'identificados numerosos anticorpos em doentes com cancro para utilização potencial como biomarcadores específicos de tumores ou terapêuticos activos que são capazes de matar células malignas, induzindo vias apoptóticas 4,8,9. Curiosamente, todos os anticorpos identificados com potencial terapêutico são do isotipo IgM e pertencer ao grupo de "auto-anticorpos naturais" (bebidas não alcoólicas).
Do mesmo modo, o grupo de Rodriguez identificado rato e anticorpos humanos que estimulam a remielinização em lesões da medula espinhal de desmielinização cronicamente nos modelos de esclerose múltipla (EM). Idêntico a anticorpos com efeitos anti-cancro, todos os anticorpos de promover a remielinização são NAbs e do isotipo IgM 1,6,7,10. Os antígenos precisas para IgM mais identificados ainda estão undetermined incluindo o anticorpo de promoção remielinização humana rHIgM22, atualmente em Fase I de ensaios clínicos para pacientes com EM 11. Apesar dos repetidos esforços por especialistas no campo da pesquisa de lipídeos e carboidratos, tanto no ambiente acadêmico e em parceria com a indústria 11, tenta identificar o antigénio de rHIgM22 não foram bem sucedidos. A falha de técnicas convencionais usadas para identificar antigénios de anticorpos IgG para o trabalho com anticorpos IgM identifica uma necessidade crítica de métodos específicos para refinar esses anticorpos que provavelmente de hidratos de carbono ou lípidos alvo antigénios.
O foco deste manuscrito é o anticorpo humano HIgM12 regenerativa e os procedimentos experimentais utilizados para identificar o seu antigénio. Anticorpo HIgM12 foi identificado a partir de pacientes com macroglobulinemia de Waldenstrom, estimula o crescimento de neurites in vitro e 12-14 como alvo ácido polissiálico (PSA) ligado à molécula de adesão celular neural (PSA-NCAM) 15,16. HIgM12 estende vida útil em um modelo de mouse ALS 17 e melhora o resultado funcional em vírus da encefalomielite murina de Theiler (TMEV) camundongos infectados. Especificamente, HIgM12 estimula a atividade motora horizontal e vertical espontânea em ratos e aumenta cronicamente desmielinização número de diâmetro pequeno e médio axônios da medula espinhal oito semanas após uma única dose baixa de intraperitoneal, injetado anticorpo 18.
A molécula de adesão de células neurais (NCAM) é uma glicoproteína da imunoglobulina (Ig) superfamília expressa na superfície celular de neurónios, glia, no músculo esquelético, e células assassinas naturais 19-25. Os três principais isoformas NCAM denominado NCAM180, NCAM140 e NCAM120, são variantes de splicing alternativo de um transcrito primário, que variam apenas em seu domínio citoplasmático. Dentro do sistema nervoso central, NCAM é a maior molécula polissialilados (> 95%) com homopolímeros de ácido longos, siálico carregados negativamente. polissiálico umcid com n> 10 é chamado de PSA, mas existem estruturas oligoméricas mais curtos, que também são biologicamente relevante. Outras proteínas expressas polissialilados no SNC são SynCAM1 26, neuropilina-2 (NRP-2) 27,28 e uma subunidade do canal de sódio de 25 (para revisão veja-se 29).
Os métodos aqui descritos permitem a identificação de antigénio para imunoglobulinas humanas e de ratinho contendo (cadeias leves VκI, VκIII ou VκIV para anticorpos humanos e cadeias leves VκI para anticorpos de ratinho) específicos kapa (VK) cadeias leves independentemente do isotipo do anticorpo (por exemplo, IgG, IgM , IgA, IgD ou IgE). Esta limitação se baseia na utilização de proteína G agarose para imunoprecipita�es com anticorpos do isótipo IgM. As estratégias alternativas podem incluir as lectinas de ligação a manose e anticorpos IgG anti-IgM secundários ligados covalentemente a esferas de agarose, que pode alargar a aplicabilidade deste método a mais anticorpos IgM Including aqueles com cadeias leves lambda (λ) (ver discussão). Rácios de cadeias de soro luz IgM VK comparação com cadeias leves IgM λ derivados de indivíduos saudáveis são 1,5: 1 30.
Com base na metodologia de cromatografia usado aqui para separar, enriquecer, e imunologicamente detectar certas moléculas 31, todos os antigénios devem incluir, pelo menos, um domínio de proteína pequena. Epitopo de ligação específica do anticorpo pode estar dentro ou fora do domínio da proteína (por exemplo, glicoproteínas, lipoproteínas no). passos bioquímicos iniciais utilizados para identificar o antígeno específico para HIgM12, respectiva para diminuir a lista de potenciais candidatos, são os passos mais decisivos na esse método. Preparações específicas do tipo de célula e caracterizações baseadas na morfologia das células são descritos para células gliais, mas esta metodologia pode ser extrapolada para acomodar outros tipos de células dentro ou fora do SNC.
Existe uma urgenteprecisa para desenvolver novas ou modificadas técnicas aplicáveis para o aumento do número de anticorpos IgM com potencial terapêutico em diferentes desordens humanas particularmente nos casos (a maioria dos antigénios da classe IgM), onde os alvos de anticorpos são estruturas de hidratos de carbono ou lípidos.
Auto-anticorpos IgM naturais humanos são candidatos atraentes para imunoterapias e demonstraram o potencial terapêutico para o tratamento de diversas doenças, incluindo o cancro e doenças do SNC 1-7. Vantajosamente, estes anticorpos não vai eliciar uma resposta imunitária em que a geração de anticorpos neutralizantes reduz substancialmente a dose terapêutica eficaz e eficácia. Mais importante, todos os anticorpos com potencial terapêutico foram do isotipo IgM e pertencem ao repertório NAB 3-5,8,9,37,40,42-45. Um obstáculo principal para a potencial aplicação clínica de anticorpos IgM é a identificação dos seus antigénios, que são indeterminado em muitos casos. As técnicas padrão empregadas para anticorpos IgG muitas vezes não são aplicáveis para identificar o antigénio de uma IgM.
Este protocolo descreve a identificação de PSA-NCAM como o antigénio para o anticorpo IgM humano regenerativa HIgM12, eficazes em modelos animaisde MS e ALS 15-18. A metodologia utilizada é principalmente aplicável a todos os anticorpos humanos com cadeias leves sequência Vk específicos VκI, VκIII e VκIV e anticorpos de ratinho com cadeias leves VκI, independentemente do isotipo do anticorpo.
O passo mais importante neste protocolo é a utilização de anticorpos IgM em aplicações de cromatografia de afinidade. Mais especificamente, os anticorpos bem sucedidos são obrigados a actuar como agentes suspensos em imunoprecipitações para isolar ou para enriquecer um antigénio de complexos para tecidos ou de células de cultura de lisados. As fracções enriquecidas de antigénios pode ser comparado com as imunoprecipitações de anticorpos de controlo de isotipo e subsequentemente analisados por diferenças por espectrometria de massa. Um requisito essencial ou limitação deste passo é a presença do anticorpo correcta sequência Vk de cadeia leve e hospedeiro (humano, rato) para permitir a ligação à proteína G de agarose anticorpo. Utilização de proteínas de ligação a manana ligada a agarose (também callelectina de ligação a manose d) em vez da proteína G de agarose é uma alternativa potencial para imunoprecipitar IgM específicas sem cadeias leves sequência Vk. No entanto, como indicado por Arnold et al. 35, os anticorpos IgM ligado ao antigénio não se ligam à proteína de ligação a manana, como os glicano alvo parecem tornar-se inacessível uma vez que o IgM tem ligado ao seu antigénio. Com base nestes resultados de ligação a manana proteína não pode ser usado como uma matriz de ligação para imunoprecipitar IgM carregadas com antigénio, as moléculas 35. Outras alternativas potenciais pode ser o uso de anticorpos ligados a agarose secundárias IgM anti-IgG 46,47 ou utilização de esferas magnéticas activadas de superfície 48. anticorpos dirigidos contra IgG IgM pode ser quimicamente reticulado a agarose A ou G agarose a fim de reduzir o grau de anticorpo eluído juntamente com o antigénio de interesse. Uma comparação adequada entre as diferentes variantes de IgM imunoprecipitação com respeito aos antigénios identificados com sucesso ié difícil porque a maioria imunoprecipita�es foram realizados para isolar ou empobrecem IgM sem mais interesse em seus antígenos. Além disso, imunoprecipita�es usando IgM foram usados principalmente para confirmar um antígeno único já conhecidos ou esperados com a exposição anticorpo para antigénios purificados 49. Uma desvantagem das IgG acoplado a agarose dirigido contra IgM humano é um rendimento muito baixo (10 – 15%) das moléculas de IgM séricos imunoprecipitado quando comparado ao material de partida 50. Em contraste, esferas magnéticas activadas de superfície foram aplicadas com sucesso para anticorpos de diferentes isotipos, incluindo IgM para imunoprecipitar fibrilas associadas à scrapie 48. Este método não se restringe a kappa específica (VK) ou cadeias lambda (λ) ou de um hospedeiro particular e pode alargar substancialmente o espectro de anticorpos IgM utilizadas em imunoprecipitações.
Outro passo importante no protocolo é a capacidade do anticorpo para funcionar como um detecting anticorpo (anticorpo primário) em Western blots ou outras plataformas de rastreio. anticorpos de sucesso deve ter como alvo o seu antigénio com afinidade suficientemente elevada para permitir a ligação do antigénio na presença de detergentes não-iónicos ou iónicos, possivelmente. anticorpos de elevada afinidade são comuns entre anticorpos IgG maturados por afinidade, mas menos comum entre os anticorpos do isótipo IgM, o que é uma das razões pelas quais há relativamente poucos anticorpos IgM disponíveis comercialmente como agentes de detecção em configurações bioquímicos. ligação de anticorpos de alta afinidade é uma exigência para imunoprecipi tacões de antigénios moleculares e por Western blotting. Redução das concentrações de detergente ou a completa ausência de detergentes em buffers IP e tampões de lise permite antigénio alvo por anticorpos de baixa afinidade, através do seu domínio Fab. Em contraste, a capacidade do anticorpo para a proteína alvo G agarose através da sua porção Fe não é substancialmente afectada entre os controlos de isotipo longo de uma gama de diferentes detergentes concentrações. No entanto, a baixa concentração de detergente no tampão de lise e tampão IP impede ruptura da membrana celular e o isolamento de moléculas específicas. Da mesma forma, uma baixa concentração de detergente de lavagem em tampões de Western blot (por exemplo, PBS-T) permite a ligação de anticorpos de baixa afinidade antigénio, mas ao mesmo tempo aumenta a ligação não específica e, portanto, não é uma opção.
A presença de uma proteína de antigénio núcleo é outro requisito para este método. Proteínas com modificações pós-tradução (por exemplo, glicoproteínas, lipoproteínas) e as proteínas não modificadas, mas não únicos lípidos ou hidratos de carbono, são detectáveis em transferências de Western. Não é possível imunoprecipitar lípidos (por exemplo, esfingolípidos) a partir de lisados celulares ou de tecidos, na presença ou na ausência de detergentes. As propriedades físico-químicas dos lípidos e detergentes são muito semelhantes para permitir interacções selectivas lipídicas-anticorpo, enquanto que ao mesmo tempo detergentes são essenciais para interrompermembranas a fim de permitir o isolamento selectivo de moléculas específicas. Para o nosso melhor conhecimento, imunoprecipitações exclusivamente constituídas por hidrato de carbono, na ausência de um núcleo proteico, não foram relatados na literatura. Isto torna-se particularmente relevante porque os anticorpos IgM frequentemente alvo carboidratos e glycolipids, que não estão necessariamente ligados a uma unidade de proteína. Outras técnicas cromatográficas são necessários para a separação e identificação imunológica de lípidos e hidratos de carbono na ausência de um núcleo proteico. Por exemplo, cromatografia de camada fina (TLC) dos lípidos celulares, com detecção subsequente anticorpo na placa de TLC (imuno-TLC) pode ser implementado 51,52.
Outros anticorpos anti-PSA foram descritos em estudos anteriores e os resultados são comparados com HIgM12, bem como a IgM anti-PSA comercialmente disponível (clone 2-2B). O anticorpo mais vulgarmente utilizados no campo de PSA é um anticorpo de IgG (o clone 735) disponível como monoc ratolonal ou anticorpo policlonal de coelho 53. Este anticorpo anti-PSA de PSA detecta IgG em SynCAM e NCAM em diferentes tipos de células do SNC, incluindo as células microgliais 41. Em contraste com o anticorpo anti-PSA de IgG, os anticorpos IgM humanos HIgM12, HIgM42 e o anti-PSA IgM de ratinho (clone 2-2B) são incapazes de atingir PSA em SynCAM (mas em MACN) em vários estágios embrionários e pós-natais precoces em ratinhos , enquanto SynCAM não polissialilados é facilmente detectável 15. Os anticorpos IgM utilizadas também não são capazes de detectar PSA em células microgliais (Figuras 3 + 4). Uma possível explicação para as diferenças observadas entre os isotipos de anticorpos podem ser baixos níveis de PSA-SynCAM em comparação com os níveis de PSA-NCAM combinados com o potencial mais baixo de ligação de anticorpos de IgM em comparação com a IgG anti-PSA afinidade. Para testar essa hipótese, realizamos imunoprecipita�es em animais MACN KO em fase embrionária E17 com vastas quantidades de SynCAM presente e usado HIgM12 como um "agente de pull-down" <sup> 15. Em E17 WT da mesma ninhada controla HIgM12 imunoprecipitada PSA-NCAM de uma forma que mostrou intensidades semelhantes de "puxado para baixo" de PSA-NCAM em comparação com a cadeia pesada de IgM, conforme detectado por densitometria de Western blot subsequente utilizando antigénios eluídos. Este resultado sugeriu que pelo menos uma afinidade suficiente para a sua HIgM12 de PSA alvo. Em contraste com a da mesma ninhada WT controla HIgM12 não detectar PSA ligado a MACN SynCAM em animais KO. Resultados idênticos foram obtidos em imunoprecipitações com o anticorpo anti-PSA HIgM42 IgM. HIgM12 e HIgM42, bem como a de ratinho anti-PSA IgM (clone 2-2B) foram incapazes de atingir PSA em SynCAM em transferências de Western de animais WT e KO NCAM em estágios embrionários e pós-natais. Dada a baixa quantidade de HIgM12 requerido (0,1 ug / ml) para detectar especificamente PSA ligado a MACN, em transferências de Western, utilizando pequenas quantidades de tecido do SNC (0,1 ug tecido do SNC por poço) 15 parece ser pouco provável que as baixas afinidades são sozinhoresponsável pela completa falta de detecção de PSA-SynCAM por HIgM12 em três métodos diferentes.
Conclui-se que existem diferenças significativas entre os anticorpos IgM-PSA anti e o anticorpo anti-PSA IgG frequentemente publicados (clone 735). Não está claro por que os anticorpos anti-PSA IgM comercialmente disponíveis não foram utilizados com mais frequência no passado para confirmar os resultados obtidos com antiPSA IgG anticorpo 735. Isto é particularmente interessante porque HIgM12 já provou eficácia em diferentes modelos de doenças. Enquanto outros anticorpos anti-PSA IgM podem ter efeitos terapêuticos semelhantes não fica claro se o anticorpo PSA anti-IgG (clone 735) tem um resultado terapêutico semelhante em modelos de MS e ALS.
Em resumo, os métodos descritos aqui foram utilizados principalmente para identificar o antigénio dos anticorpos humanos HIgM12 regenerativas para suportar ensaios clínicos potenciais para MS e, possivelmente, de outras doenças neurodegenerativas. A identificação de formigaIrgens para anticorpos com atividade biológica é um passo essencial para compreender o seu mecanismo de acção. Isto torna-se particularmente relevante no contexto de numerosos anticorpos monoclonais actualmente a ser testados para a segurança e eficácia em humanos ensaios. Embora o número de anticorpos IgM clinicamente testados até à data é pequeno, os recentes avanços na tecnologia de hibridoma, juntamente com um número crescente de estudos que destacam o potencial terapêutico desta classe de anticorpos 1-10,37,40,42-45 insta o desenvolvimento de novos ou métodos modificados aplicável para identificar não-protéicos antigénios IgM.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado por subsídios da National Institutes of Health (R01 GM092993, R01 NS048357 e R21 NS073684), a National Science Foundation (Prémio Carreira), o Prêmio de Parceria Minnesota for Biotechnology and Medical Genomics, a National Multiple Sclerosis Society (CA1060A) , e da Clínica Mayo Centro para a clínica e Translational Science (CCATS). Os autores reconhecem o apoio das Fundações Applebaum, Hilton, Peterson e Sanford, a Lua e Marilyn Fundo Diretoria Park e da família 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 |