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.
Anticorpi di isotipo IgM dimostrano grande potenziale terapeutico per il trattamento di varie malattie compresi il cancro e disturbi del SNC 1-7. Il gruppo Vollmers 'identificato numerosi anticorpi nei pazienti affetti da cancro per l'uso potenziale come biomarcatori specifici tumorali o terapie attivi che sono in grado di uccidere le cellule maligne inducendo percorsi apoptotici 4,8,9. È interessante notare che tutti gli anticorpi identificati con potenziale terapeutico sono di isotipo IgM e appartengono al gruppo di "anticorpi naturali" (BA).
Allo stesso modo, il gruppo del Rodriguez identificato mouse e anticorpi umani che stimolano la rimielinizzazione nelle lesioni del midollo spinale cronica demielinizzati in modelli di sclerosi multipla (SM). Identico al anticorpi con effetti anti-cancro, tutti gli anticorpi rimielinizzazione di promozione sono NAbs e di isotipo IgM 1,6,7,10. Gli antigeni precise per IgM più identificati sono ancora undetermined compreso l'anticorpo remyelination di promozione umana rHIgM22, attualmente in fase I di sperimentazione clinica per i pazienti affetti da SM 11. Nonostante i ripetuti sforzi da parte di esperti in materia di lipidi e carboidrati di ricerca sia in ambito accademico e in collaborazione con l'industria 11, i tentativi di individuare l'antigene di rHIgM22 non hanno avuto successo. Il fallimento delle tecniche standard utilizzati per identificare gli antigeni di anticorpi IgG a lavorare con anticorpi IgM identifica una necessità critica per affinare metodi specifici per questi anticorpi che molto probabilmente carboidrati di destinazione o lipidi antigeni.
Il focus di questo manoscritto è l'anticorpo umano rigenerativa HIgM12 e le procedure sperimentali utilizzate per identificare il suo antigene. Anticorpo HIgM12 è stata identificata da pazienti con macroglobulinemia di Waldenstrom, stimola la crescita dei neuriti in vitro 12-14 e si rivolge acido polysialic (PSA) attaccato alla molecola di adesione delle cellule neurali (PSA-NCAM) 15,16. HIgM12 estende la durata della vita in un modello murino di SLA 17 e migliora risultato funzionale nel virus murino encefalomielite di Theiler (TMEV) topi -infected. In particolare, HIgM12 stimola l'attività del motore orizzontale e verticale spontanea nei topi e aumenta cronicamente demielinizzati numero di diametro piccole e medie assoni del midollo spinale otto settimane dopo una singola, a basso dosaggio di intraperitoneale iniettato anticorpi 18.
La molecola di adesione delle cellule neurali (NCAM) è una glicoproteina di immunoglobuline (Ig) superfamiglia espresso sulla superficie cellulare dei neuroni, glia, muscolo scheletrico e cellule natural killer 19-25. I tre principali isoforme NCAM chiamati NCAM180, NCAM140 e NCAM120, sono varianti di splicing alternativo di un trascritto primario che variano solo nella loro dominio citoplasmatico. All'interno del CNS, NCAM è la principale molecola polysialylated (> 95%) con lunghe omopolimeri carica negativa acido sialico. Polysialic uncid con n> 10 è definito PSA ma le strutture oligomeriche più brevi esistono, che sono anche biologicamente rilevanti. Altre proteine polysialylated espresse nel SNC sono SynCAM1 26, Neuropilin-2 (NRP-2) 27,28 e una subunità del canale del sodio 25 (per una rassegna vedi 29).
I metodi descritti qui consentire l'identificazione antigene per immunoglobuline umane e di topo contenenti (catene leggere VκI, VκIII o VκIV per anticorpi umani e catene leggere VκI per gli anticorpi di topo) specifici kappa (Vκ) catene leggere indipendentemente isotipo del anticorpi (ad esempio, IgG, IgM , IgA, IgD o IgE). Questa limitazione si basa sull'uso di proteine L agarosio per immunoprecipitazione con anticorpi di isotipo IgM. Strategie alternative possono includere lectine mannosio vincolante e secondarie anticorpi IgG anti-IgM covalentemente legati alla agarosio perline, che possono ampliare l'applicabilità di questo metodo per più anticorpi IgM incLuding quelli con catene leggere lambda (λ) (vedi la discussione). Rapporti di catene leggere IgM Vκ siero rispetto alle catene leggere IgM λ derivati da individui sani sono 1,5: 1 30.
In base al metodo cromatografico qui utilizzato per separare, arricchire, e immunologicamente rilevare alcune molecole 31, tutti gli antigeni devono includere almeno un dominio proteina piccola. Specifico epitopo di legame del anticorpo può essere all'interno o all'esterno del dominio di proteine (per esempio, in glicoproteine, lipoproteine). passaggi biochimici iniziale utilizzato per identificare l'antigene specifico per HIgM12, rispettivamente per restringere l'elenco di potenziali candidati, sono i passi più importanti in questo metodo. preparati specifici tipo di cellula e caratterizzazioni morfologia a base di cellule sono descritti per le cellule gliali, ma questa metodologia possono essere estrapolati per accogliere altri tipi di cellule all'interno o al di fuori del sistema nervoso centrale.
Vi è un urgentenecessità di sviluppare nuove o modificate le tecniche applicabili per il crescente numero di anticorpi IgM con un potenziale terapeutico per diverse malattie umane in particolare in quei casi (la maggior parte degli antigeni IgM), dove i bersagli degli anticorpi sono strutture di carboidrati o lipidi.
Umani autoanticorpi naturali IgM sono interessanti candidati per immunoterapie e hanno dimostrato il potenziale terapeutico per il trattamento di varie malattie tra cui il cancro e disturbi del SNC 1-7. Vantaggiosamente, questi anticorpi non suscitare una risposta immunitaria in cui la generazione di anticorpi neutralizzanti riduce sostanzialmente la dose terapeutica efficace ed efficacia. È importante sottolineare che tutti gli anticorpi con potenziale terapeutico sono stati di isotipo IgM e appartengono al repertorio NAb 3-5,8,9,37,40,42-45. Un ostacolo importante per il potenziale applicazione clinica di anticorpi IgM è l'identificazione dei loro antigeni, che sono indeterminati in molti casi. tecniche standard impiegate per gli anticorpi IgG spesso non sono applicabili a individuare l'antigene di un IgM.
Questo protocollo descrive l'identificazione di PSA-NCAM come antigene per la rigenerazione IgM umane HIgM12, efficace in modelli animalidi MS e SLA 15-18. La metodologia utilizzata è principalmente applicabile a tutti gli anticorpi umani con specifiche catene Vκ luce VκI, VκIII e VκIV e anticorpi di topo con catene leggere VκI, indipendentemente isotipo del anticorpale.
La fase più critica in questo protocollo è l'uso di anticorpi IgM in applicazioni di cromatografia di affinità. Più in particolare, gli anticorpi di successo sono tenuti ad agire come agenti di pull-down in immunoprecipitazione per isolare o per arricchire un antigene di complessi tessuto- o cella-cultura lisati. frazioni antigene arricchite possono essere confrontati con immunoprecipitazione da anticorpi di controllo isotipo e successivamente analizzati per le differenze mediante spettrometria di massa. Un requisito essenziale o limitazione di questa fase è la presenza della corretta anticorpi Vκ catena leggera e dell'ospite (uomo, topo) per consentire di legame alle proteine L agarosio anticorpo. L'uso di proteine mannan vincolante legato a agarosio (anche callelectina d mannosio-binding) al posto di proteine L agarosio è un potenziale alternativa al immunoprecipitare IgM specifici senza catene leggere Vκ. Tuttavia, come affermato da Arnold et al. 35, antigene-bound anticorpi IgM non si legano alle proteine mannan vincolante, come i glicani bersaglio sembrano diventare inaccessibile una volta che il IgM ha legato al suo antigene. Sulla base di questi risultati mannan-binding protein non può essere utilizzato come matrice legame immunoprecipitare antigene-caricato IgM molecole 35. Altre alternative potenziali potrebbero essere l'uso di anticorpi anti-IgM IgG agarosio-bound secondari 46,47 o l'uso di perline magnetiche tensioattivi attivato 48. anticorpi IgG diretti contro IgM potrebbero essere chimicamente reticolato di agarosio A o G agarosio al fine di ridurre la portata di anticorpo eluite insieme con l'antigene di interesse. Un corretto confronto tra diverse varianti di IgM immunoprecipitazione rispetto ad antigeni identificati con successo is difficile perché la maggior parte immunoprecipitazione sono stati eseguiti per isolare o esaurire IgM senza ulteriore interesse per i loro antigeni. Inoltre, immunoprecipitazione utilizzando IgM sono stati utilizzati principalmente per confermare un già noto o previsto antigene singolo con l'esposizione di anticorpi ad antigeni purificati 49. Uno svantaggio di IgG agarosio accoppiamento diretto contro IgM umana è un basso rendimento (10 – 15%) del immunoprecipitato siero molecole IgM rispetto al materiale di partenza 50. Al contrario, sfere magnetiche superficie attiva sono state applicate con successo agli anticorpi di diversi isotipi tra IgM per immunoprecipitare scrapie associate fibrille 48. Questo metodo non è limitato a kappa specifica (Vκ) o catene lambda (λ) o un host particolare e può ampliare notevolmente lo spettro di anticorpi IgM utilizzati in immunoprecipitazione.
Un altro passo importante nel protocollo è la capacità del anticorpale a funzionare come un detantiriflesso anticorpo (anticorpo primario) in Western blot o altre piattaforme di screening. anticorpi successo deve indirizzare loro antigene con sufficientemente elevata affinità per consentire l'antigene vincolante in presenza di detergenti non ionici o possibilmente ionici. Alte anticorpi affinità sono comuni tra anticorpi IgG affinità-maturato, ma meno comune tra gli anticorpi IgM, che è uno dei motivi per cui ci sono relativamente pochi gli anticorpi IgM disponibili in commercio come agenti di rilevamento in ambienti biochimici. Alta affinità di legame degli anticorpi è un requisito per immunoprecipitazione di antigeni molecolari e per Western blotting. L'abbassamento delle concentrazioni detergente o la completa assenza di detergenti in buffer IP e buffer di lisi consente antigene targeting anticorpi a bassa affinità attraverso il suo dominio Fab. Al contrario, la capacità dell'anticorpo di indirizzare proteina L agarosio tramite la sua porzione Fc non è sostanzialmente influenzato tra i controlli isotipo su una gamma di diverse concen detergentistrazioni. Tuttavia, bassa concentrazione di detergente in tampone di lisi e tampone IP previene rottura della membrana cellulare e l'isolamento di molecole specifiche. Analogamente, una bassa concentrazione di detersivo nel buffer blot lavaggio occidentali (ad esempio, PBS-T) permette legame di anticorpi a bassa affinità antigene, ma allo stesso tempo aumenta il legame non specifico e quindi non è un'opzione.
La presenza di un nucleo proteina dell'antigene è un altro requisito per questo metodo. Proteine con modificazioni post-(ad esempio, glicoproteine, lipoproteine) e le proteine non modificate, ma non lipidi unico o carboidrati, sono rilevabili in Western blot. Non è possibile immunoprecipitare lipidi (ad esempio, sfingolipidi) da lisati tessuti o cellule in presenza o assenza di detergenti. Le proprietà fisico-chimiche di detergenti e lipidi sono troppo simili per consentire interazioni selettive lipidi-anticorpo, mentre allo stesso tempo detergenti sono essenziali per interromperemembrane per consentire isolamento selettivo di molecole specifiche. A nostra conoscenza, immunoprecipitazione e formato da soli carboidrati, in assenza di un nucleo proteine, non sono stati precedentemente riportati. Questo diventa particolarmente rilevante perché gli anticorpi IgM frequentemente bersaglio carboidrati e glicolipidi, che non sono necessariamente collegate ad una unità di proteine. Altre tecniche cromatografiche sono necessari per la separazione e immunologica identificazione dei lipidi e carboidrati in assenza di un nucleo proteine. Ad esempio, la cromatografia su strato (TLC) dei lipidi cellulari con conseguente rilevazione di anticorpi sulla piastra TLC (immuno-TLC) può essere implementato 51,52.
Altri anticorpi anti-PSA sono stati descritti in studi e risultati precedenti rispetto HIgM12 nonché la presenza di anticorpi anti-IgM PSA (clone 2-2B). L'anticorpo più comunemente usato nel settore della PSA è un anticorpo IgG (clone 735) disponibile come MONOC topolonal o policlonale di coniglio anticorpo 53. Questo anticorpo anti-PSA IgG rileva PSA su SynCAM e NCAM su diversi tipi di cellule del sistema nervoso centrale, tra cui cellule microgliali 41. In contrasto con l'anticorpo anti-PSA IgG, IgM umane HIgM12, HIgM42 e l'anti-PSA topo IgM (clone 2-2B) sono in grado di indirizzare PSA su SynCAM (ma su NCAM) in vari stadi postnatali embrionali precoci in topi , mentre SynCAM non polysialylated è facilmente rilevabile 15. Gli anticorpi IgM utilizzati non sono in grado di rilevare PSA sulle cellule microgliali (figure 3 + 4). Una possibile spiegazione per le differenze osservate tra isotipi di anticorpi può essere bassi livelli di PSA-SynCAM rispetto ai livelli di PSA-NCAM in combinazione con legame di anticorpi IgM contro l'anti-PSA IgG l'affinità potenzialmente inferiore. Per verificare questa ipotesi, abbiamo effettuato immunoprecipitazione negli animali NCAM KO in fase embrionale E17 con una grande quantità di SynCAM presente e usato HIgM12 come un "agente di pull-down" <sup> 15. In E17 WT littermate controlli HIgM12 immunoprecipitato PSA-NCAM in una misura che ha mostrato intensità simili di "tirato giù" PSA-NCAM rispetto al IgM catena pesante come rilevato da densitometria nella successiva Western Blot utilizzando antigeni eluiti. Questo risultato suggerisce almeno affinità sufficiente HIgM12 alla sua PSA bersaglio. In contrasto con WT littermate controlla HIgM12 non ha rilevato PSA attaccato al SynCAM negli animali NCAM KO. Identici risultati sono stati ottenuti in immunoprecipitazione utilizzando l'umana anti-PSA IgM HIgM42. HIgM12 e HIgM42, così come il topo anti-PSA IgM (clone 2-2B) sono stati in grado di indirizzare il PSA SynCAM in Western blot da WT e NCAM KO animali a stadi di sviluppo embrionale e postnatale. Data la bassa quantità di HIgM12 necessaria (0,1 mg / ml) per rilevare specificamente PSA collegato a NCAM in Western blot utilizzando piccole quantità di tessuto del sistema nervoso centrale (0,1 mcg CNS tessuto per pozzetto) 15 sembra essere improbabile che i bassi affinità da soli sonoresponsabile completa mancanza di rilevamento PSA-SynCAM da HIgM12 in tre diversi metodi.
Concludiamo che ci sono differenze significative tra anticorpi anti-PSA IgM e l'anticorpo anti-IgG PSA spesso pubblicato (clone 735). Non è chiaro il motivo per cui in commercio anticorpi anti-PSA IgM non sono stati utilizzati più di frequente in passato per confermare i risultati ottenuti con l'anticorpo IgG antiPSA 735. Questo è particolarmente interessante perché HIgM12 ha già dimostrato l'efficacia in diversi modelli di malattia. Mentre gli altri anticorpi anti-PSA IgM possono avere effetti terapeutici simili non è chiaro se l'anticorpo anti-IgG PSA (clone 735) ha un risultato terapeutico simile a modelli di MS e SLA.
In breve, i metodi descritti qui sono stati utilizzati principalmente per identificare l'antigene dei rigenerativi HIgM12 anticorpo umano per sostenere eventuali studi clinici per la SM e, eventualmente, altre malattie neurodegenerative. L'identificazione di formicaigens per anticorpi con attività biologica è passo essenziale per capire la loro meccanismo di azione. Questo diventa particolarmente rilevante nel contesto di numerosi anticorpi monoclonali attualmente in fase di sperimentazione per la sicurezza e l'efficacia in studi umani. Mentre il numero di anticorpi IgM clinicamente testati fino ad oggi è di piccole dimensioni, i recenti progressi nella IBRIDOMA insieme ad un crescente numero di studi che evidenziano il potenziale terapeutico di questa classe di anticorpi 1-10,37,40,42-45 sollecita lo sviluppo di nuove o metodi modificati applicabile per identificare non proteici antigeni IgM.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dal National Institutes of Health (R01 GM092993, R01 NS048357 e R21 NS073684), la National Science Foundation (premio alla carriera), il Premio Partnership Minnesota per la biotecnologia e medicina genomica, la National Multiple Sclerosis Society (CA1060A) , e la Mayo Clinic center for clinica e traslazionale Scienza (CCATS). Gli autori riconoscono il sostegno delle Fondazioni Applebaum, Hilton, Peterson e Sanford, la Luna e Marilyn Parco Fondo Directorship e la famiglia 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 |