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.
Antilichamen van de IgM isotype tonen groot therapeutisch potentieel voor de behandeling van diverse ziekten waaronder kanker en aandoeningen van het CZS 1-7. De Vollmers 'groep welke verschillende antilichamen in kankerpatiënten voor potentieel gebruik als tumor-specifieke biomarkers of actieve therapeutische middelen die kunnen kwaadaardige cellen te doden door het induceren apoptoseroutes 4,8,9 zijn. Interessant alle geïdentificeerde antilichamen met therapeutische potentie zijn de IgM isotype en behoren tot de groep van "natuurlijke auto-antilichamen" (NAbs).
Ook de Rodriguez groep welke muis en humane antilichamen die remyelinisatie stimuleren chronisch gedemyeliniseerde ruggenmergletsels in modellen van multiple sclerose (MS). Identiek aan antilichamen met anti-kanker effecten, alle remyelinisatie bevorderen antilichamen NAbs en de IgM isotype 1,6,7,10. De precieze antigenen voor de meeste geïdentificeerde IgM's zijn nog steeds undetermined met inbegrip van de mens-remyelination bevorderen antilichaam rHIgM22, momenteel in Fase I klinische studies voor MS-patiënten 11. Ondanks herhaalde pogingen door deskundigen op het gebied van vetten en koolhydraten onderzoek, zowel in de academische setting en in samenwerking met de industrie 11, probeert te identificeren rHIgM22's antigen zijn niet succesvol geweest. Het falen van standaard technieken voor antigenen van IgG-antilichamen te identificeren met IgM antilichamen identificeert een absolute noodzaak om specifieke werkwijzen voor deze antilichamen die waarschijnlijk doelwit koolhydraat of lipide antigenen verfijnen.
De focus van dit manuscript is de menselijke regeneratieve antilichaam HIgM12 en de experimentele procedures gebruikt om zijn antigeen te identificeren. HIgM12 antilichaam werd geïdentificeerd uit patiënten met macroglobulinemie Waldenström, stimuleert neurietuitgroei in vitro 12-14 en doelen polysialic acid (PSA) gekoppeld aan de neurale cel adhesiemolecuul (PSA-NCAM) 15,16. HIgM12 verlengt levensduur in een muismodel van ALS 17 en verbetert de functionele uitkomst in Theiler's murine encephalomyelitis virus (TMEV) geïnfecteerde muizen. Concreet HIgM12 stimuleert spontane horizontale en verticale motorische activiteit bij chronisch gedemyeliniseerde muizen en verhoogt het aantal kleine en middelgrote diameter ruggenmerg axonen acht weken na een eenmalige, lage dosis intraperitoneaal geïnjecteerd antilichaam 18.
De neurale cel adhesiemolecuul (NCAM) is een glycoproteïne van de immunoglobuline (Ig) superfamilie tot expressie gebracht op het celoppervlak van neuronen, glia, skeletspier en natuurlijke killer cellen 19-25. De drie belangrijkste NCAM isovormen genoemd NCAM180, NCAM140 en NCAM120, alternatieve splice varianten van een primair transcript die alleen verschillen in hun cytoplasmatische domein. In het CZS, NCAM de belangrijkste polysialylated molecuul (> 95%) met lange, negatief geladen siaalzuur homopolymeren. Polysialic eencid met n> 10 wordt genoemd PSA maar korter oligomere structuren bestaan die ook biologisch relevant. Andere polysialylated eiwitten tot expressie gebracht in het centrale zenuwstelsel zijn SynCAM1 26, neuropiline-2 (NHP-2) 27,28 en een natrium kanaal subunit 25 (zie voor een overzicht 29).
De hier beschreven methoden toe antigeen identificatie van mens en muis immunoglobulinen met specifieke kappa (VK-) lichte ketens (VκI, VκIII of VκIV lichte ketens voor menselijke antilichamen en VκI lichte ketens voor muizen antilichamen), ongeacht isotype van het antilichaam (bijvoorbeeld IgG, IgM , IgA, IgD of IgE). Deze beperking is van het gebruik van proteïne L agarose voor immunoprecipitaties met antilichamen van het IgM isotype. Alternatieve strategieën kunnen omvatten mannose bindende lectines en secundaire IgG anti-IgM-antilichamen covalent gebonden aan kralen agarose, die de toepasbaarheid van deze werkwijze kan worden uitgebreid tot meer IgM antilichamen incLuding mensen met een lambda (λ) lichte ketens (zie bespreking). Verhoudingen van serum IgM VK-lichte ketens vergeleken met IgM λ lichte ketens afkomstig van gezonde individuen zijn 1,5: 1 30.
Op basis van de chromatografische methode hier gebruikt scheiden, verrijken en immunologisch detecteren bepaalde moleculen 31 zijn alle antigenen moeten ten minste een kleine eiwitdomein omvatten. Specifieke binding epitoop van het antilichaam kan binnen of buiten het eiwitdomein (bijvoorbeeld in glycoproteïnen, lipoproteïnen). Initial biochemische stappen gebruikt om de specifieke antigeen identificeren HIgM12, respectievelijk om een beperking van de lijst van potentiële kandidaten, zijn de meest cruciale stappen in deze methode. celtype specifieke preparaten en cel morfologie gebaseerde karakteriseringen worden beschreven gliacellen maar deze werkwijze kan worden geëxtrapoleerd naar andere celtypen binnen of buiten het CZS tegemoet.
Er is een dringendemoeten nieuwe of gewijzigde technieken toepasbaar voor het toenemende aantal IgM antilichamen met therapeutische potentie voor andere menselijke ziekten met name in die gevallen (de meeste antigenen IgM) wanneer het antilichaam doelen koolhydraat of lipide structuren.
Menselijke natuurlijke IgM auto-antilichamen zijn aantrekkelijk kandidaten voor immuuntherapie en therapeutisch potentieel voor de behandeling van diverse ziekten waaronder kanker en CZS 1-7 geïllustreerd. Met voordeel zullen deze antilichamen geen immuunrespons waarbij het opwekken van neutraliserende antilichamen in hoofdzaak effectieve therapeutische dosis en werkzaamheid vermindert wekken. Belangrijk is dat alle antilichamen met therapeutische potentie van het IgM isotype zijn en behoren tot de NAb repertoire 3-5,8,9,37,40,42-45. Een belangrijke hindernis voor de potentiële klinische toepassing van IgM antilichamen het identificeren van de antigenen, die onbepaald vaak. Standaardtechnieken toegepast voor IgG antilichamen zijn vaak niet op een IgM het antigeen te identificeren.
Dit protocol beschrijft de identificatie van PSA-NCAM als antigeen voor de regeneratieve humaan IgM-antilichaam HIgM12, in diermodellenMS en ALS 15-18. De gebruikte methode is vooral van toepassing op alle humane antilichamen met specifieke VK-lichte ketens VκI, VκIII en VκIV en muis antilichamen met VκI lichte ketens, ongeacht isotype van het antilichaam.
De meest kritische stap in dit protocol is het gebruik van IgM antilichamen in affiniteitschromatografie toepassingen. Meer in het bijzonder, zijn succesvol antilichamen nodig om op te treden als pull-down agenten in immunoprecipitaties te isoleren of om een antigeen te verrijken uit complexe weefsel- of celcultuur lysaten. Verrijkte fracties antigeen kan worden vergeleken met immunoprecipitaties van isotype controle antilichamen en vervolgens geanalyseerd op verschillen door massaspectrometrie. Een essentiële voorwaarde of beperking van deze stap is de aanwezigheid van het juiste antilichaam VK-lichte keten en gastheer (mens, muis) antilichaam in staat te binden aan eiwit L agarose. Gebruik van mannan-bindend eiwit gebonden aan agarose (ook called mannose-bindend lectine) in plaats van eiwit L agarose is een potentieel alternatief voor IgM's immunologisch zonder specifieke VK-lichte ketens. Echter, zoals door Arnold et al. 35, antigeen IgM-antilichamen niet binden aan mannan-bindend eiwit, als het doel glycan lijken ontoegankelijk wordt wanneer het IgM is gebonden aan het antigeen ervan. Op basis van deze bevindingen mannan-bindend eiwit kan niet worden gebruikt als een bindende matrix immunoprecipiteren antigengeladen IgM moleculen 35. Andere mogelijke alternatieven kan het gebruik van secundaire-agarose gebonden anti-IgM IgG-antilichamen 46,47 of het gebruik van oppervlakte geactiveerde magnetische korrels 48 worden. IgG antilichamen tegen IgM kan chemisch verknoopt agarose A of G agarose om de omvang van geëlueerde antilichaam verminderen samen met het antigeen van belang. Een goede vergelijking tussen verschillende varianten van IgM immunoprecipitatie met betrekking tot succes geïdentificeerde proteïnes iis moeilijk omdat de meeste immunoprecipitaties werden uitgevoerd om te isoleren of afbrekende IgM's zonder verdere interesse in hun antigenen. Daarnaast werden immunoprecipitaties gebruik IgM hoofdzakelijk gebruikt om een reeds bekende of verwachte blootstelling enkel antigeen antilichaam tegen gezuiverde antigenen 49 te bevestigen. Een nadeel van agarose-gekoppelde IgG's gericht tegen humaan IgM is een zeer lage opbrengst (10-15%) van immunogeprecipiteerd serum IgM-moleculen in vergelijking met het uitgangsmateriaal 50. Daarentegen werden oppervlak-geactiveerde magnetische korrels met succes toegepast om antilichamen van verschillende isotypen waaronder IgM naar scrapie associated fibrils 48 immunoprecipitatie. Deze methode is niet beperkt tot specifieke kappa (VK-) of lambda (λ) ketens of een bepaalde gastheer en kan het spectrum van IgM antilichamen die in hoofdzaak immunoprecipitaties verbreden.
Een andere belangrijke stap in het protocol is het vermogen van het antilichaam om te functioneren als een detecterende antilichaam (primair antilichaam) in Western blots of andere screening platforms. Succesvolle antilichamen moeten hun antigeen gericht met voldoende hoge affiniteit om antigeen binding in aanwezigheid van niet-ionische of mogelijk ionische detergentia. Antilichamen met hoge affiniteit komen veel voor bij-affiniteit gerijpt IgG antilichamen, maar minder vaak tussen antilichamen van het IgM isotype, wat een van de redenen waarom er relatief weinig in de handel verkrijgbaar IgM antilichamen detecteren agenten in biochemische instellingen. Hoge affiniteit binden van antilichamen is een vereiste voor immunoprecipitaties moleculaire antigenen en Western blotting. Het verlagen van detergent concentraties of het volledig ontbreken van wasmiddelen in IP buffers en lysis buffers laat antigen gericht door lage affiniteit antilichamen via de Fab-domein. Daarentegen wordt het vermogen van het antilichaam om doeleiwit L agarose via het Fc gedeelte niet wezenlijk beïnvloed bij isotype controles op een aantal verschillende detergens concentraties. De lage detergens concentratie in lysisbuffer en IP buffer voorkomt celmembraan verstoring en isolatie van specifieke moleculen. Ook een lage detergens concentratie Western blot wasbuffers (bijvoorbeeld PBS-T) maakt antigeenbindend lage affiniteit antilichamen maar tegelijkertijd neemt aspecifieke binding en is dus geen optie.
De aanwezigheid van een antigeen eiwitkern is een eis voor deze methode. Eiwitten met posttranslationele modificaties (bijvoorbeeld, glycoproteïnen, lipoproteïnen) en ongemodificeerde eiwit, maar niet uitsluitend lipiden of koolhydraten, detecteerbaar in Western blots. Het is niet mogelijk om lipiden (bijvoorbeeld sfingolipiden) uit weefsel of immunoprecipitatie van cellysaten in aanwezigheid of afwezigheid van detergentia. De fysicochemische eigenschappen van detergentia en lipiden te lijken op selectieve lipide-antilichaam interacties mogelijk, terwijl tegelijkertijd wasmiddelen essentieel te verstorenmembranen om selectieve isolatie van specifieke moleculen toelaten. Naar ons beste weten, immunoprecipitaties uitsluitend bestaande uit koolhydraten, in afwezigheid van een eiwitkern, zijn niet eerder beschreven. Dit is bijzonder relevant omdat dikwijls IgM-antilichamen gericht koolhydraten en glycolipiden, die niet noodzakelijk in verband met een eiwit unit. Andere chromatografische technieken vereist voor de scheiding en immunologische identificatie van lipiden en koolhydraten in de afwezigheid van een eiwitkern. Zo kan dunnelaagchromatografie (TLC) van cellulaire lipiden latere detectie van antistoffen op de TLC plaat (immuno-TLC) uitgevoerd 51,52.
Andere anti-PSA-antilichamen zijn beschreven in eerdere studies en resultaten vergeleken met HIgM12 en in de handel verkrijgbare anti-PSA IgM (kloon 2-2B). De meest gebruikte antilichaam in het gebied van de PSA een IgG-antilichaam (kloon 735) beschikbaar als muis monoclonal of konijn polyklonaal antilichaam 53. Deze anti-PSA-antilichaam IgG gedetecteerd PSA op SynCAM en NCAM verschillende neuronale celtypen zoals microgliacellen 41. In tegenstelling tot de anti-PSA-antilichaam IgG, humane IgM antilichamen HIgM12, HIgM42 en de anti-PSA-muis IgM (kloon 2-2B) zijn niet PSA richten op SynCAM (maar NCAM) bij verschillende embryonale en vroege postnatale fase in muizen , terwijl niet-polysialylated SynCAM gemakkelijk detecteerbaar 15. De IgM-antilichamen die ook niet kunnen PSA te detecteren op microgliacellen (figuren 3 + 4). Een mogelijke verklaring voor verschillen waargenomen tussen antilichaam isotypes kunnen lage PSA-SynCAM niveaus vergeleken met niveaus van PSA-NCAM combinatie met de potentieel lagere affiniteit binding van IgM-antilichamen in vergelijking met de anti-PSA IgG. Om deze hypothese te testen, voerden wij immunoprecipitaties in NCAM KO dieren bij embryonaal stadium E17 met enorme hoeveelheden SynCAM heden en gebruikt HIgM12 als een "pull-down-middel" <sup> 15. In E17 WT littermate controls HIgM12 immunogeprecipiteerd PSA-NCAM in een mate die vergelijkbaar intensiteiten van "afgebroken" PSA-NCAM opzichte van de IgM zware keten gedetecteerd door densitometrie van Western blot latere gebruik geëlueerd antigenen vertoonden. Dit resultaat suggereerde ten minste een voldoende affiniteit van HIgM12 om zijn doel PSA. In tegenstelling tot WT hetzelfde nest bestuurt HIgM12 niet PSA in NCAM KO dieren verbonden SynCAM detecteren. Identieke resultaten werden verkregen in immunoprecipitaties met het menselijke anti-PSA IgM HIgM42. HIgM12 en HIgM42, en de muizen anti-PSA IgM (kloon 2-2B) konden richten op PSA SynCAM in Western blots van WT en NCAM KO dieren in embryonale en postnatale ontwikkelingsstadia. Gezien de geringe hoeveelheid benodigde HIgM12 (0,1 ug / ml) specifiek detecteren PSA in Western blots gebruik van kleine hoeveelheden van CZS-weefsel (0,1 pg per putje CZS) verbonden NCAM 15 lijkt het onwaarschijnlijk dat lage affiniteiten alleen wordenbelast absoluut geen PSA-SynCAM detectie door HIgM12 drie verschillende methodes.
We concluderen dat er significante verschillen tussen de anti-PSA-antilichamen IgM en de vaak gepubliceerde anti-PSA-IgG-antilichaam (kloon 735). Het is niet duidelijk waarom de handel verkrijgbare anti-PSA-antilichamen IgM niet vaker gebruikt in het verleden verkregen met antiPSA IgG antilichaam 735. Dit is met name interessant omdat HIgM12 al werkzaamheid aangetoond in diverse ziektemodellen bevestigen. Terwijl andere anti-PSA IgM antilichamen vergelijkbare therapeutische effecten kan hebben het blijft onduidelijk of de anti-PSA IgG-antilichaam (kloon 735) heeft een vergelijkbare therapeutische resultaat in modellen van MS en ALS.
In het kort werden hier beschreven methoden voornamelijk gebruikt om het antigeen van de regeneratieve menselijke antilichaam HIgM12 potentiële klinische trials voor MS en mogelijk andere neurodegeneratieve ziekten ondersteunen identificeren. De identificatie van de mierigens op antilichamen met biologische activiteit is als essentiële stap om hun werkingsmechanisme begrijpen. Dit is bijzonder relevant in de context van een groot aantal monoklonale antilichamen momenteel getest op veiligheid en werkzaamheid bij humane proeven. Terwijl het aantal klinisch getest IgM-antilichamen tot nu toe is klein, recente vooruitgang in hybridoma technologie voor een groeiend aantal studies over het therapeutische potentieel van deze antilichaamklasse 1-10,37,40,42-45 dringt de ontwikkeling van nieuwe of gewijzigde methoden van toepassing op niet-eiwit IgM antigenen te identificeren.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Institutes of Health (R01 GM092993, R01 NS048357 en R21 NS073684), de National Science Foundation (LOOPBAAN Award), de Minnesota Partnership Award voor Biotechnologie en Medische Genomics, de National Multiple Sclerosis Society (CA1060A) , en de Mayo Clinic Centrum voor Klinische en Translationeel Science (CCATS). De auteurs erkennen de steun van de Applebaum, Hilton, Peterson en Sanford Foundations, de Maan en Marilyn Park Directorship Fonds en de familie 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 |