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.
대한 IgM 이소 타입의 항체는 암, CNS 장애 1-7 포함한 각종 질환의 치료에 큰 치료 적 잠재력을 보여준다. Vollmers '그룹은 암 특이 바이오 마커 또는 세포 사멸 경로 4,8,9을 유도하여 악성 세포를 죽일 수있는 활성 치료제 잠재적 인 사용을 위해 암 환자에서 다수의 항체를 확인했다. 흥미롭게도, 치료 가능성을 가진 모든 확인 된 항체는 IgM의 이소 타입의하고 "자연자가 항체"(NABS)의 그룹에 속한다.
마찬가지로, 게스의 그룹은 마우스 및 다발성 경화증 (MS)의 모델에서 만성 척수 탈수 초 병변에서 재유 수화 자극 인간 항체를 확인 하였다. 항암 효과와 항체와 동일, 모든 재유 수화 촉진 항체는 NABS이며, IgM의 이소 타입 1,6,7,10의. 대부분의 식별 IgMs에 대한 정확한 항원은 여전히 undetermine 있습니다임상 시험 MS 환자 11 현재 단계에서 인간의 재유 수화 촉진 항체 rHIgM22 포함 라. 학술 설정 및 산업 (11)와 협력하여 모두 지질과 탄수화물의 연구 분야의 전문가에 의해 반복 된 노력에도 불구하고, rHIgM22의 항원이 성공하지 식별을 시도합니다. 대한 IgM 항체와 작업의 IgG 항체의 항원을 식별하는 데 사용되는 표준 기술의 실패는이 항체 가능성이 가장 높은 대상 탄수화물이나 지질 항원에 대한 구체적인 방법을 구체화하는 중요한 필요성을 식별합니다.
이 논문의 초점은 인간 항체 회생 HIgM12 및 항원을 식별하기 위해 사용 된 실험 절차이다. 항체가 HIgM12 발덴 스트롬 마크로 글로불린 혈증 환자에서 확인하고, 시험 관내에서 신경 돌기 12-14 생장을 촉진하고, 신경 세포 부착 분자 (PSA-NCA 부착 polysialic 폰산 (PSA)을 타겟팅M) 15, 16. HIgM12는 ALS (17)의 마우스 모델에서 수명을 연장하고 Theiler의 쥐 뇌척수염 바이러스 (TMEV) -infected 마우스의 기능 결과를 향상시킵니다. 복강의 단일 저용량 항체 (18)를 주입 한 후 특히, HIgM12 중소 직경 척수 축삭 8 주 만성 탈수 초 마우스와 증가 수의 자연 수평 및 수직 모터 활동을 자극한다.
신경 세포 부착 분자 (NCAM)는 수퍼 패밀리 뉴런, 아교 세포, 골격근 및 자연 살해 세포의 19-25 세포 표면에 발현 된 면역 글로불린 (IG)의 당 단백질이다. NCAM180, NCAM140 및 NCAM120라고 세 가지 주요 NCAM 동종 그들의 세포질 도메인 만 다를 차 성적 증명서의 대체 스플 라이스 변종이다. 중추 신경계 내에서 NCAM 길고 음전하 시알 산 호모 폴리머와 주요 polysialylated 분자 (> 95 %)이다. Polysialic a를N> 10 CID는 PSA이라고한다하지만 짧은 올리고머 구조는 생물학적 관련성이 존재한다. 중추 신경계에 표명 polysialylated 단백질 SynCAM1 26 뉴로 필린 -2- (NRP-2) (27, 28)이며, 나트륨 채널 서브 유닛 (25) (검토를 위해 29 참조).
여기에 기술 된 방법에 관계없이, 항체의 이소 타입 (예를 들어, IgG를, IgM의 특정 카파 (Vκ) 경쇄 (인간 항체, 마우스 항체 VκI 경쇄 대 VκI, VκIII 또는 VκIV 경쇄)를 포함하는 인간 및 마우스 면역 글로불린에 대한 항원 인식을 허용 이가, IgD의 또는 IgE 항체). 이 제한은 IgM의 이소 타입의 항체와 면역 침전을위한 단백질 L 아가로 오스의 사용을 기반으로합니다. 대체 전략 INC 더 대한 IgM 항체이 방법의 적용 범위를 확장 할 수있다 만노스 – 결합 렉틴과 공유 비드를 아가로 오스 연결된 보조 IgG 형 대한 IgM 항체를 포함 할 수있다람다 (λ) 빛 체인 사람들을 luding (설명 참조). 1 ~ 30 : 건강한 사람에서 파생 된 IgM의 λ 경쇄에 비해 혈청 IgM의 Vκ 경쇄의 비율은 1.5이다.
분리, 농축 및 면역 특정 분자 (31)를 검출하기 위해 여기에 사용되는 크로마토 그래피 방법에 기초하여, 모든 항원은 적어도 하나의 작은 단백질 도메인을 포함해야한다. 항체의 특이 적 결합 에피토프 내에서 또는 (당 단백질, 지질 단백질의 예) 단백질 도메인 외부 될 수 있습니다. 잠재적 인 후보의 목록을 좁힐 각각, HIgM12의 특정 항원을 식별하는 데 사용 초기 생화학 적 단계는,이 방법에서 가장 중요한 단계입니다. 세포 유형 특이 제제 및 세포 형태 기반 특성화는 신경 교세포에 대해 기재되어 있지만,이 방법은 CNS 내 또는 외부의 다른 세포 유형을 수용하도록 외삽 될 수있다.
긴급한가있다항체 표적은 탄수화물이나 지질 구조입니다 치료 특히 경우에 다른 인간 질환에 대한 잠재적 인 (IgM의 항원의 대부분)에 대한 IgM 항체의 증가에 적용 할 새로운 또는 수정 된 기술을 개발해야합니다.
인간의 천연 대한 IgM자가 항체는 면역 요법에 대한 후보를 호소 암 및 CNS 장애 1-7 포함한 각종 질환의 치료에 치료 적 잠재 성을 보여 주었다. 바람직하게는, 이러한 항체는 중화 항체의 생성이 실질적으로 유효 치료 용량 및 효율을 감소 된 면역 반응을 유발하지 않을 것이다. 중요한 것은, 치료 가능성이있는 모든 항체는 IgM의 이소 타입의 왔으며 잡을 레퍼토리 3-5,8,9,37,40,42-45에 속해있다. 대한 IgM 항체의 임상 적 적용 가능성에 대한 주요 장애물은 많은 경우 미확인 그들의 항원의 확인이다. 의 IgG 항체에 이용 표준 기술은 종종 IgM의의 항원을 식별하는 데 적용 할 수 없습니다.
이 프로토콜은 동물 모델에서 효과적인 회생 인간 IgM의 항체 HIgM12위한 항원으로서 PSA-NCAM의 식별을 설명MS 및 ALS 15-18의. 사용되는 방법에 관계없이, 항체의 이소 타입의 VκI 가벼운 사슬과 특이 Vκ 경쇄 VκI, VκIII 및 VκIV 마우스 항체 모두 인간 항체에 주로 적용된다.
이 프로토콜에서 가장 중요한 공정은 친 화성 크로마토 그래피의 응용에 대한 IgM 항체의 용도이다. 구체적으로는, 항체를 성공적으로 분리 또는 복잡한 조직 – 또는 세포 배양 용 해물로부터 항원을 면역 침전에 풍부 풀다운 제로서 작용해야한다. 농축 항원 분획 이소 제어 항체의 면역 침전에 비해 후속 질량 분광기의 차이에 대해 분석 될 수있다. 하나의 필수 요구 사항이나이 단계의 제한은 단백질 L 아가로 오스에 결합하는 항체를 사용하려면 올바른 항체 Vκ 경쇄 및 호스트 (인간, 마우스)의 존재이다. 아가로 오스에 결합 만난 결합 단백질의 사용 (또한 칼레d 개 대신 단백질 L 아가로 오스의) 렉틴을 만노스 결합하면 특정 Vκ 빛 체인없이 IgMs을 면역 침전하는 잠재적 인 대안입니다. 아놀드 등. (35)에 의해 명시된 바와 같이하지만, 항원 – 결합 대한 IgM 항체는 IgM의가 그 항원에 결합되면 대상 글리 칸이 액세스 할 수 없게하는 표시로, 만난 결합 단백질에 결합하지 않는다. 이러한 발견에 기초하여 만난 결합 단백질하는 항원 로딩 IgM의 35 분자 면역 침전하는 결합 매트릭스로서 사용될 수 없다. 다른 잠재적 인 대안이 보조 아가로 오스 바인딩 안티 IgM의 IgG의 항체 46, 47 또는 표면 활성화 자석 구슬 (48)의 사용의 사용 될 수 있습니다. IgMs 대항 대한 IgG 항체는 관심있는 항원과 함께 용출 된 항체의 정도를 감소시키기 위해 또는 G 아가 아가 로스를 화학적으로 가교 결합 될 수있다. 성공적으로 확인 된 항원에 대한 IgM 항체 면역의 다른 변종 사이의 적절한 비교 전대부분의 면역 침전이 분리 또는 항원에 더 관심없이 IgMs을 고갈 수행했기 때문에 어려운이야. 또한 IgMs를 사용하여 면역 침전 주로 정제 된 항원에 대한 항체 (49)의 노출 된 이미 알고 있거나 예상 단일 항원을 확인하는 데 사용 하였다. 출발 물질 (50)에 비해 면역 혈청 IgM의 분자 – (15 % 10), 인간 IgMs 대항 아가 IgG를 결합의 단점은 매우 저수율이다. 대조적으로, 표면 활성화 자성 비드 성공적 스크래피 관련 브릴 48 IgM의 면역 침전하는 등 다양한 이소 타입의 항체를 적용 하였다. 이 방법은 특정 카파 (Vκ) 또는 람다 (λ) 사슬 또는 특정 호스트에 한정되지 않고 실질적으로 면역 침전에 사용 대한 IgM 항체의 스펙트럼을 넓힐 수있다.
프로토콜의 또 다른 중요한 단계는 DET 역할을하는 항체의 능력이다서양 말 또는 다른 심사 플랫폼에서 항체 (차 항체)를 돌출 한 칼라. 성공적인 항체는 항원 비 이온 또는 가능 온성 계면 활성제의 존재 하에서 결합 할 수 있도록 충분히 높은 친화 도로 항원을 표적으로한다. 선호도가 높은 항체 친 화성 – 숙성의 IgG 항체에 공통 있지만, 상대적으로 생화학 적 설정에서 에이전트를 검출 한 적은 시판 대한 IgM 항체가있는 이유 중 하나입니다 IgM의 이소 타입의 항체 중 덜 일반적이다. 항체의 결합 친 화성이 높은 분자 항원의 면역 침전 및 웨스턴 블로 팅을위한 요구 사항입니다. 세제 농도 또는 IP 버퍼 및 용해 버퍼에 세제의 완전한 부재를 낮추면 그 팹 도메인을 통해 낮은 친화 항체에 의해 표적 항원을 할 수 있습니다. 반대로, 그 Fc 부분을 통해 단백질 L 아가를 타겟팅하는 항체의 능력은 상당히 다른 세제 concen의 범위 아이소 타입 컨트롤 간의 영향을받지 않는다trations. 그러나, 용해 완충액 및 IP 버퍼 낮은 세제 농도는 세포막을 파괴하고 특정 분자의 분리를 방지한다. 마찬가지로, 웨스턴 블롯을 세척 버퍼에서 낮은 세제 농도 (예를 들어, PBS-T)는 낮은 친 화성 항체의 항원 결합을 허용하지만, 동시에 비특이적 결합을 증가시키고, 따라서 옵션이 아니다.
항원 단백질 코어의 존재는이 방법에 대한 또 다른 요구 사항이다. 번역 후 변형 (예를 들어, 당 단백질, 지질 단백질)와 수정되지 않은 단백질,하지만 유일한 지질 또는 탄수화물과 단백질, 웨스턴 블롯에서 검출된다. 이 세제의 존재 또는 부재 조직 또는 세포 용 해물로부터 지질 (예, 스핑 고리 피드)을 면역 침전하는 것은 불가능하다. 동시에 세제 방해 필수적하면서 세제 및 지질의 물리 화학적 특성이 선택적 지질 – 항체 상호 작용을 허용하기에 너무 비슷순서 멤브레인은 특정 분자의 선택적 분리를 허용합니다. 단백질 코어의 부재 최선 지식만을 탄수화물로 구성된 면역 침전에, 이전에보고되지 않았다. 대한 IgM 항체가 자주 반드시 단백질 장치에 연결되지 않은 탄수화물과 당지질을 대상으로하기 때문에 특히 관련된다. 다른 크로마토 그래피 기술은 단백질 코어의 부재 지질 및 탄수화물을 분리하고 면역 식별해야한다. 예를 들어, TLC 플레이트 (면역 TLC)의 후속 검출 항체와 세포 지질의 박층 크로마토 그래피 (TLC)는 (51, 52)를 실현할 수있다.
다른 항 PSA 항체는 시판 항 IgM의 PSA뿐만 아니라 HIgM12 비교 결과 이전 연구에 기재되어있다 (클론 2-2B). PSA의 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 항체는 마우스와 같은 가능한 monoc의 IgG 항체 (클론 735)는lonal 또는 토끼 폴리 클로 날 항체 (53). 이 안티 PSA IgG 항체는 미세 아교 세포 (41)를 포함하여 다른 CNS의 세포 유형에 SynCAM 및 NCAM에 PSA를 감지합니다. 항 PSA IgG 항체는 달리, 인간 IgM의 항체 HIgM12, HIgM42 및 항 PSA 마우스 IgM의 (클론 2-2B)는 마우스에서 다양한 태아 및 초기 출생 후 단계에서 SynCAM에 PSA를 타겟팅 할 수없는 (그러나 NCAM에)있다 15 비 polysialylated SynCAM되는 동안 쉽게 검출. 사용 IgM의 항체는 또한 미세 아교 세포 (그림 + 4 3)에 PSA를 감지 할 수 없습니다. 항체 이소 타입 사이에 관찰 된 차이에 대한 가능한 설명은 안티 PSA의 IgG에 비해 IgM의 항체의 결합을 잠재적으로 낮은 친화력으로 결합 된 PSA-NCAM의 수준에 비해 낮은 PSA-SynCAM 수준 일 수있다. 이 가설을 테스트하기 위해, 우리는 <SynCAM 존재하는 방대한 양의 배아 단계 E17에서 NCAM KO 동물에서 면역 침전을 수행하고, "풀다운 에이전트"로 HIgM12 사용SUP> 15. E17 WT의 한배 새끼에서 HIgM12 용출 항원을 사용하여 이후의 웨스턴 블롯에 농도계에 의해 검출로 IgMs 중쇄에 비해 PSA-NCAM "를 아래로 당겨"비슷한 강도를 보여 주었다 정도로 PSA-NCAM을 면역 제어합니다. 이 결과는 대상 PSA에 HIgM12의 적어도 충분한 친 화성을 제안했다. WT의 한배 새끼는 달리 HIgM12가 NCAM KO 동물에 SynCAM에 부착 된 PSA를 감지하지 않았다 제어합니다. 동일한 결과는 인간 항 IgM의 HIgM42 PSA를 사용하여 면역 침전을 얻었다. HIgM12 및 HIgM42뿐만 아니라, 마우스 항 – PSA IgM의 (복제 2-2B)는 배아 및 출생 후의 발달 단계에서 WT와 NCAM KO 동물 서양 말에 SynCAM에 PSA를 대상으로 할 수 없습니다. 낮은 친화도가 혼자 가능성이 나타납니다 특히 15 CNS 조직 (물론 당 0.1 μg의 CNS 조직)의 소량을 사용하여 웨스턴 블롯에서 NCAM에 부착 된 PSA를 감지 할 필요 HIgM12의 적은 양 (/ ㎖ 0.1 μg의)을 감안할 때세 가지 방법에 HIgM12에 의한 PSA-SynCAM 검출의 완전한 부족에 대한 책임.
우리는 안티 PSA 대한 IgM 항체 자주 출판 항 PSA IgG 항체 (클론 735) 사이에 상당한 차이가 있다고 결론 지었다. 시판 항 PSA 대한 IgM 항체 HIgM12 이미 다양한 질환 모델에서 효능을 입증하기 때문에 특히 흥미 롭다 antiPSA IgG 항체 (735)로 얻어진 결과를 확인하기 이전에 더 자주 사용하지 않은 이유는 분명하지 않다. 다른 안티 PSA 대한 IgM 항체가 유사한 치료 효과가있을 수 있지만 그것은 반 PSA IgG 항체 (클론 735)는 MS 및 ALS의 모델에서 비슷한 치료 결과를 가지고 있는지 확실하지 않다.
요약하면, 여기에 기재된 방법은 MS에 대한 잠재적 인 임상 시험 및 가능한 다른 신경 퇴행성 질환을 지원하는 회생 HIgM12 인간 항체의 항원을 식별하는 데 주로 사용된다. 개미의 동정생물학적 활성을 갖는 항체 igens 행동의 그들의 메커니즘을 이해하는 필수 단계입니다. 이것은 현재 인간 임상 시험의 안전성과 효능에 대해 시험되는 다수의 모노클로 날 항체의 맥락에서 특히 관련된다. 지금까지 임상 시험 대한 IgM 항체의 수가 적은 반면, 상기 항체 클래스 1-10,37,40,42-45의 치료 가능성을 강조 연구의 증가와 함께, 하이 브리 도마 기술의 최근의 진보는 새로운 또는 개발을 촉구 비 단백질 IgM의 항원을 식별 할 수정 된 방법을 적용.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 건강 (R01 GM092993, R01 NS048357 및 R21 NS073684)의 국립 연구소에서 보조금에 의해 지원되었다, 국립 과학 재단 (경력 상), 생명 공학의 미네소타 파트너 상 의료 유전체학, 국립 다발성 경화증 협회 (CA1060A) 및 임상과 번역 상 과학에 대한 메이요 클리닉 센터 (CCATS). 저자는 알파 밤, 힐튼, 피터슨과 샌포드 재단, 달과 마릴린 공원 이사 기금 (IMF)과 McNeilus 가족의 지원을 인정합니다.
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 |