בניית Phage סינתטי מוצגת ספריית Fab עם גיוון המותאמים
Summary
פרוטוקול זה מתאר הליך מפורט להקמת ספרייה המוצג phage נוגדן סינתטי עם גיוון מחויטת. נוגדנים סינתטי יש יישומים רבים של מחקר בסיסי אבחון המחלה, הרפוי.
Abstract
הביקוש נוגדנים חד-שבטיים (mAbs) מחקר בסיסי ורפואה הולך וגדל מדי שנה. ליפידים הטכנולוגיה כבר השיטה הדומיננטית לפיתוח mAb מאז את הדו ח הראשון שלה בשנת 1975. כמו טכנולוגיה חלופית, שיטות תצוגה phage לפיתוח mAb הן יותר ויותר אטרקטיבי מאז Humira, הנוגדן הראשון נגזר phage ואחד mAbs הנמכר, אושרה לטיפול קליני של דלקת מפרקים שגרונית בשנת 2002. חיה-שאינו מבוסס טכנולוגיית פיתוח mAb, התצוגה phage עוקף אנטיגן immunogenicity, האנשה ותחזוקה בעלי חיים הדרושים של ליפידים מסורתי המבוסס על טכנולוגיית פיתוח נוגדן. ב פרוטוקול זה, אנו מתארים שיטה לבנייה של ספריות Fab המוצג phage סינתטי עם הבדלים של 109-1010 השגה עם אלקטרופורציה יחיד. פרוטוקול זה מורכב: 1) הכנה תא אלקטרו-המוסמכת יעילות גבוהה; 2) הפקת המכילות אורציל דנ א חד גדילי (דו-ssDNA); 3) השיטה של Kunkel המבוסס על oligonucleotide מכוון מוטגנזה מכוונת; 4) אלקטרופורציה, חישוב של גודל הספרייה; 5) חלבון מבוססת על A/L מקושרים-אנזים immunosorbent assay (אליסה) לקיפול והערכה פונקציונלי; ו- 6) ניתוח רצף הדנ א של גיוון.
Introduction
mAbs יש שימושים רחב החל מחקר בסיסי אבחון המחלה, הרפוי. נכון לשנת 2016, mAbs יותר מ- 60 אושרו על ידי ארצות הברית המזון סמים המינהל (USFDA) לטיפול קלינית של מחלות אוטואימוניות, סרטן, מחלות זיהומיות1,2.
בשנת 1975, קולר, מילשטיין דיווח טכניקה לדור רציפה של נוגדנים היחודיות המשובטים יחיד ממקור הסלולר המכונה ‘hybridomas’, טכניקה זו לאחר מכן הפכה לאבן פינה ברפואה ובתעשייה3 ,4. דור של mAbs בשיטה זו דורש צעדים שונים כולל ייצור אנטיגן, חיסון עכבר, מיצוי של B לימפוציטים, פיוז’ן של תאי B עם תאי מיאלומה כדי ליצור תאים ליפידים בן אלמוות, שיבוט בחירה, ליישומים טיפוליים, האנשה נדרש להימנע אנטי-העכבר אנושית נוגדנים (חמה)4,5. עם זאת, לטכנולוגיה הזו, אנטיגנים כולל רעלנים, פתוגנים של חלבונים גבוהה שנשמרת אינם יעילים יחסית מפעילה ויוו תגובה חיסונית mAb הפקה5.
בשנת 1978, האצ’יסון. et al. דיווח על השימוש oligonucleotide ישירה מוטגנזה מכוונת של משקע וירוס חד גדילי bacteriophage6. בשנת 1985, סמית דיווחו שברי גנים זרים יכולים להיות התמזגו במסגרת עם הגן קידוד phage המעיל החלבון השלישי ובכך ניתן להציג על פני phage מבלי להתפשר על שלה infectivity7. אלה חלוצי עבודות הניח בסיס לבנייה עוקבות של נוגדן המוצג phage בספריות תמים החיסון, וטפסים סינתטיים עם התבניות של המקטע משתנה יחיד-שרשרת (scFv) וגם אנטיגן מחייב פרגמנט (Fab) עבור טיפולית mAb פיתוח8,9. מ מנקודת מבט טכנית, פיתוח נוגדן מבוסס התצוגה phage מציעה גישה המשלימה לפיתוח מבוסס-ליפידים mAb שיכול לעזור לעקוף את המגבלות שאנטיגנים מסוימים יכול להוות, האנשה לעבד את זה ליפידים-derived נוגדנים לעיתים קרובות דורשים5. החל 2016, mAbs, נגזר תצוגה ל- 6 phage אושרו במשק לרבות Humira, לאחד mAbs המצליח ביותר משמש לטיפול בדלקת מפרקים שגרונית, מועמדים רבים של נוגדן נגזר התצוגה phage הינם כרגע בשלבים שונים של ניסויים קליניים החקירה10.
לספריות החיסון ותמימה phage נוגדן, המגוון של משלימים את החסר-קביעת אזורים (Cdr) בשרשרת קל וכבד נגזר מן הרפרטואר החיסון הטבעי (כלומר, מתאי B). לעומת זאת, המגוון של Cdr בספריות נוגדן phage סינתטית היא מלאכותית לחלוטין. גישות סינתטי בניית הספרייה לספק שליטה מדויקת על העיצוב של רצף גיוון להציע הזדמנויות ללימודים מכניסטית של נוגדן מבנה, לתפקד11,12. יתר על כן, ניתן למטב את המסגרת עבור ספריות סינתטי לפני הבנייה הספריה כדי להקל על במורד הזרם, בפיתוח תעשייתי רחב היקף11,12.
בשנת 1985, Kunkel דיווח בגישה מוטגנזה מכוונת המבוססים על תבנית חד גדילי הדנ א (ssDNA) כדי להציג את האתר מכוון מוטציות לתוך M13 bacteriophage ביעילות13. גישה זו היה שימוש נרחב לאחר מכן להקמת ספריות phage המוצג. Oligonucleotides DNA מסונתז כימית שנועד להציג את המגוון לתוך Fab Cdr משולבים של phagemid עם תבנית עמוד השדרה של נוגדן. בתהליך זה, phagemid מבוטאת ssDNA המכילים אורציל (דו-ssDNA), oligonucleotides הם annealed אל Cdr והרחבה לסנתז DNA גדילי כפול (dsDNA) בנוכחות T7 DNA פולימראז ו T4 DNA ליגאז. לבסוף, ds-DNA שנוצר יכול להיות מוחדרים Escherichia coli מאת אלקטרופורציה.
גיוון גבוהה, ספריית המוצג phage הבנייה, מתח גבוה אלקטרופורציה תערובת שני תאים אלקטרו-מוסמך, covalently dsDNA עגול סגור (CCC-dsDNA) צריך להיות מוכן בקפידה. . Sidhu et al. ששינה את הכנת תאים אלקטרו-המוסמכת ודנ א שיטות מסורתיות, ספריה משופרת באופן משמעותי גיוון14.
ב פרוטוקול זה, אנו מתארים שיטה לבנייה של ספריות Fab המוצג phage סינתטי עם הבדלים של 109-1010 השגה עם אלקטרופורציה יחיד. איור 1 מציג סקירה של ספריית הבנייה כולל: 1) הכנה תא אלקטרו-המוסמכת יעילות גבוהה; 2) הפקת דו-ssDNA; 3) השיטה של Kunkel המבוסס על oligonucleotide מכוון מוטגנזה מכוונת; 4) אלקטרופורציה, חישוב של גודל הספרייה; 5) חלבון A/L-מבוסס אליסה לקיפול והערכה פונקציונלי; ו- 6) ניתוח רצף הדנ א של גיוון. כל ריאגנטים, זנים, ציוד מפורטים בטבלה של החומר. טבלה 1 מציגה את הכיוונון מגיב.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי לבנות גיוון גבוהה, המוצג phage ספריות Fab, בקרת איכות נקודות ביקורת יש צורך לעקוב אחר השלבים השונים של תהליך הבנייה, לרבות את כשירות של תאים אלקטרו-מוסמך, איכות של תבנית דו-ssDNA, היעילות של CCC-dsDNA סינתזה, כייל נוגדנים לאחר אלקטרופורציה קיפול Fab, חומצת אמינו המגוון של Cdr על ידי ניתוח רצף של Fab-phage ש…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מעריך ד ר פרדריק Fellouse מן המעבדה Sidhu עבור תגובות ביקורתיות של Kunkel שיטה מבוססת phage Fab סינתטי ספריית הבנייה. המחברים מעריך את גברת משה סגל Pavlenco וחברים אחרים מן המעבדה Sidhu לעזרה יקר של הכנת יעילות גבוהה אלקטרו-המוסמכת תאים e. coli , באיכות גבוהה דו-ssDNA. עבודה זו נתמכה על ידי קרן מדעי הטבע הלאומי של סין (מענק מס: 81572698, 31771006) DW, על ידי אוניברסיטת ShanghaiTech (מענק מס: F-0301 בשידור-13-005) כדי מעבדה של נוגדן הנדסה.
Materials
| Reagents | |||
| 1.0 M H3PO4 | Fisher | AC29570 | |
| 1.0 M Tris, pH 8.0 | Invitrogen | 15568-025 | |
| 10 mM ATP | Invitrogen | 18330-019 | |
| 100 mM dithiothreitol | Fisher | BP172 | |
| 100 mM dNTP mix | GE Healthcare | 28-4065-60 | solution containing 25 mM each of dATP, dCTP, dGTP and dTTP. |
| 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB) | Kirkegaard & Perry Laboratories Inc | 50-76-02 | |
| 50X TAE | Invitrogen | 24710030 | |
| Agarose | Fisher | BP160 | |
| Carbenicillin, carb | Sigma | C1389 | 100 mg/mL in water, 0.22 μm filter-sterilize, work concentration: 100 μg/mL. |
| Chloramphenicol, cmp | Sigma | C0378 | 100 mg/mL in ethanol, 0.22 μm filter-sterilize, work concentration: 10 μg/mL. |
| EDTA 0.5 M, pH 8.0 | Invitrogen | AM9620G | |
| Granulated agar | VWR | J637-500G | |
| H2O2 peroxidase substrate | Kirkegaard & Perry Laboratories Inc | 50-65-02 | |
| K2HPO4 | Sigma | 795488 | |
| Kanamycin, kan | Fisher | AC61129 | 50 mg/mL in water, 0.22 μm filter-sterilize, work concentration: 50 μg/mL. |
| KH2PO4 | Sigma | P2222 | |
| Na2HPO4 | Sigma | 94046 | |
| NaCl | Alfa Aesar | U19C015 | |
| Nanodrop | Fisher | ND2000C | |
| NaOH | Fisher | SS256 | ! CAUTION NaOH causes burns. |
| NON-Fat Powdered Milk | Sangon Biotech | A600669 | |
| PEG-8000 | Fisher | BP233 | |
| Protein A-HRP conjugate | Invitrogen | 101123 | |
| QIAprep Spin M13 Kit | Qiagen | 22704 | |
| QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28706 | |
| QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | |
| Recombinant Protein L | Fisher | 77679 | |
| T4 DNA polymerase | New England Biolabs | M0203S | |
| T4 polynucleotide kinase | New England Biolabs | M0201S | |
| T7 DNA polymerase | New England Biolabs | M0274S | |
| Tetracycline, tet | Sigma | T7660 | 50 mg/mL in water, 0. 22 μm filter-sterilize, work concentration: 10 μg/mL. |
| Tryptone | Fisher | 0123-07-5 | |
| Tween-20 | Sigma | P2287 | |
| Ultrapure glycerol | Invitrogen | 15514-011 | |
| Uridine | Sigma | U3750 | 25 mg/mL in ethanol, work concentration: 0.25 μg/mL. |
| Yeast extract | VWR | DF0127-08 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Strains | |||
| E.coli CJ236 | New England Biolabs | E4141 | Genotype: dut– ung– thi-1 relA1 spoT1 mcrA/pCJ105(F' camr). Used for preparation of dU-ssDNA. |
| E.coli SS320 | Lucigen | 60512 | Genotype: [F'proAB+lacIq lacZΔM15 Tn10 (tetr)] hsdR mcrB araD139 Δ(araABC-leu)7679 ΔlacX74 galUgalK rpsL thi. Optimized for high-efficiency electroporation and filamentous bacteriophage production. |
| M13KO7 | New England Biolabs | N0315S | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| 0.2-cm gap electroporation cuvette | BTX | ||
| 96-well 2mL Deep-well plates | Fisher | 278743 | |
| 96-well Maxisorp immunoplates | Nunc | 151759 | |
| Baffled flasks | Corning | ||
| Benchtop centrifuge | Eppendorf | 5811000096 | |
| Centrifuge bottles | Nalgene | ||
| ECM-630 electroporator | BTX | ||
| Magnetic stir bars | Nalgene | ||
| Thermo Fisher centrifuge | Fisher | ||
| High speed shaker | TAITEK | MBR-034P | |
| Microplate shaker | QILINBEIER | QB-9002 | |
| Liquid handler for 96 and 384 wells | RAININ | ||
| Mutil-channel pipette | RAININ | E4XLS | |
| Amicon concentrator | Merck | UFC803096 |
Riferimenti
- Singh, S., et al. Monoclonal Antibodies: A Review. Curr Clin Pharmacol. , (2017).
- Reichert, J. M. Antibodies to watch in 2017. MAbs. 9 (2), 167-181 (2017).
- Kohler, G., Milstein, C. Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specificity. Nature. 256 (5517), 495-497 (1975).
- Milstein, C. The hybridoma revolution: an offshoot of basic research. Bioessays. 21 (11), 966-973 (1999).
- Gray, A. C., Sidhu, S. S., Chandrasekera, P. C., Hendriksen, C. F., Borrebaeck, C. A. Animal-Friendly Affinity Reagents: Replacing the Needless in the Haystack. Trends Biotechnol. 34 (12), 960-969 (2016).
- Hutchison, C. A., et al. Mutagenesis at a specific position in a DNA sequence. J Biol Chem. 253 (18), 6551-6560 (1978).
- Smith, G. P. Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface. Science. 228 (4705), 1315-1317 (1985).
- Sidhu, S. S. . Phage Display in Biotechnology and Drug Discovery. , (2005).
- Weiss, G. A., Watanabe, C. K., Zhong, A., Goddard, A., Sidhu, S. S. Rapid mapping of protein functional epitopes by combinatorial alanine scanning. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (16), 8950-8954 (2000).
- Frenzel, A., Schirrmann, T., Hust, M. Phage display-derived human antibodies in clinical development and therapy. MAbs. 8 (7), 1177-1194 (2016).
- Sidhu, S. S., Fellouse, F. A. Synthetic therapeutic antibodies. Nat Chem Biol. 2 (12), 682-688 (2006).
- Adams, J. J., Sidhu, S. S. Synthetic antibody technologies. Curr Opin Struct Biol. 24, 1-9 (2014).
- Kunkel, T. A. Rapid and efficient site-specific mutagenesis without phenotypic selection. Proc Natl Acad Sci U S A. 82 (2), 488-492 (1985).
- Sidhu, S. S., Lowman, H. B., Cunningham, B. C., Wells, J. A. Phage display for selection of novel binding peptides. Methods Enzymol. 328, 333-363 (2000).
- Persson, H., et al. CDR-H3 diversity is not required for antigen recognition by synthetic antibodies. J Mol Biol. 425 (4), 803-811 (2013).
- Lefranc, M. P., et al. IMGT unique numbering for immunoglobulin and T cell receptor variable domains and Ig superfamily V-like domains. Dev Comp Immunol. 27 (1), 55-77 (2003).
- Graille, M., et al. Complex between Peptostreptococcus magnus protein L and a human antibody reveals structural convergence in the interaction modes of Fab binding proteins. Structure. 9 (8), 679-687 (2001).
- Graille, M., et al. Crystal structure of a Staphylococcus aureus protein A domain complexed with the Fab fragment of a human IgM antibody: structural basis for recognition of B-cell receptors and superantigen activity. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (10), 5399-5404 (2000).
- Huang, R., Fang, P., Kay, B. K. Improvements to the Kunkel mutagenesis protocol for constructing primary and secondary phage-display libraries. Methods. 58 (1), 10-17 (2012).
- Chen, G., Sidhu, S. S. Design and generation of synthetic antibody libraries for phage display. Methods Mol Biol. 1131, 113-131 (2014).
- Padlan, E. A. Anatomy of the antibody molecule. Mol Immunol. 31 (3), 169-217 (1994).
- Virnekas, B., et al. Trinucleotide phosphoramidites: ideal reagents for the synthesis of mixed oligonucleotides for random mutagenesis. Nucleic Acids Res. 22 (25), 5600-5607 (1994).
- Fellouse, F. A., Sidhu, S. S. . Making and Using Antibodies: A Practical Handbook. , 157-180 (2006).
- Fantini, M., et al. Assessment of antibody library diversity through next generation sequencing and technical error compensation. PLoS One. 12 (5), e0177574 (2017).
- Glanville, J., et al. Deep sequencing in library selection projects: what insight does it bring?. Curr Opin Struct Biol. 33, 146-160 (2015).
- Perelson, A. S., Oster, G. F. Theoretical studies of clonal selection: minimal antibody repertoire size and reliability of self-non-self discrimination. J Theor Biol. 81 (4), 645-670 (1979).
- Miersch, S., et al. Scalable high throughput selection from phage-displayed synthetic antibody libraries. J Vis Exp. (95), e51492 (2015).
- Ponsel, D., Neugebauer, J., Ladetzki-Baehs, K., Tissot, K. High affinity, developability and functional size: the holy grail of combinatorial antibody library generation. Molecules. 16 (5), 3675-3700 (2011).
- Petering, J., McManamny, P., Honeyman, J. Antibody therapeutics – the evolving patent landscape. N Biotechnol. 28 (5), 538-544 (2011).
