We provide a method to simultaneously screen a library of antibody fragments for binding affinity and cytoplasmic solubility by using the Escherichia coli twin-arginine translocation pathway, which has an inherent quality control mechanism for intracellular protein folding, to display the antibody fragments on the inner membrane.
Antibodies engineered for intracellular function must not only have affinity for their target antigen, but must also be soluble and correctly folded in the cytoplasm. Commonly used methods for the display and screening of recombinant antibody libraries do not incorporate intracellular protein folding quality control, and, thus, the antigen-binding capability and cytoplasmic folding and solubility of antibodies engineered using these methods often must be engineered separately. Here, we describe a protocol to screen a recombinant library of single-chain variable fragment (scFv) antibodies for antigen-binding and proper cytoplasmic folding simultaneously. The method harnesses the intrinsic intracellular folding quality control mechanism of the Escherichia coli twin-arginine translocation (Tat) pathway to display an scFv library on the E. coli inner membrane. The Tat pathway ensures that only soluble, well-folded proteins are transported out of the cytoplasm and displayed on the inner membrane, thereby eliminating poorly folded scFvs prior to interrogation for antigen-binding. Following removal of the outer membrane, the scFvs displayed on the inner membrane are panned against a target antigen immobilized on magnetic beads to isolate scFvs that bind to the target antigen. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based secondary screen is used to identify the most promising scFvs for additional characterization. Antigen-binding and cytoplasmic solubility can be improved with subsequent rounds of mutagenesis and screening to engineer antibodies with high affinity and high cytoplasmic solubility for intracellular applications.
Antilichamen kunnen vouwen en functioneren in de intracellulaire omgeving zijn veelbelovend gereedschap voor zowel onderzoek en therapeutische toepassingen. Ze hebben het vermogen om eiwitten te moduleren door te binden aan een doeleiwit in cellen voorkomen eiwit-eiwit interacties verstoren eiwit-nucleïnezuur interacties of substraattoegang enzymen 1-5 voorkomen.
Hoewel antilichamen veel mogelijkheden voor intracellulaire toepassingen, engineering van hen om juiste vouwing en oplosbaarheid in de intracellulaire omgeving, terwijl de mogelijkheid om te binden aan een doelwit antigeen uitdaging. De reducerende cytoplasmatische omgeving voorkomt de vorming van de disulfide bindingen normaliter voor de stabiele vouwen van full-length antilichamen en antilichaamfragmenten, waaronder enkele keten variabel fragment (scFv) antilichamen 6,7. Een aantal gerichte evolutie benaderingen zijn gebruikt om antilichamen met h engineeroge affiniteiten voor target antigenen 8-10. Deze benaderingen vaak gebruikt faagdisplay, gist oppervlakte-of bacteriële oppervlakte-grote libraries van antilichamen 11-13 screenen. Deze werkwijzen zijn krachtig en effectief voor het identificeren van antilichamen die binden aan doelen, maar ze zijn afhankelijk van de secretieroute eiwitten die wordt weergegeven 14-16 vervoeren. De secretieroute translocatie ongevouwen eiwitten in het cytoplasma vermindering in het endoplasmatisch reticulum lumen in gist of in het periplasma van bacteriën. De eiwitten vouw onder oxiderende omstandigheden en worden weergegeven op het celoppervlak of verpakt in faagdeeltjes te screenen op bindingsaffiniteit 17,18. Hierdoor antilichamen die middels deze technieken niet noodzakelijkerwijs goed vouwen in de cytoplasma en intracellulaire oplosbaarheid moeten vaak afzonderlijk worden gemanipuleerd wanneer de antilichamen worden gebruikt voor intracellulaire toepassingen.
Verbeterende doeltreffendheid van technische antilichamen die goed gevouwen in het cytoplasma, we eerder gemeld het succes van MAD-TRAP (membraan-verankerde display Tat-gebaseerde herkenning associëren eiwitten), een werkwijze voor het screenen van een antilichaam scFv bibliotheek die Escherichia coli binnen- membraan-display 19. Bacteriële binnenste membraan weergave afhankelijk van de twin-arginine translocatie (Tat) pathway voor het transporteren van geëxposeerde antilichamen, in tegenstelling tot andere gemeenschappelijke weergavemethoden de secretieroute gebruiken. De Tat pathway bevat een mechanisme voor kwaliteitscontrole waardoor slechts oplosbaar, correct gevouwen eiwitten worden vervoerd van de E. coli cytoplasma, over het binnenste membraan, en in het periplasma 20,21. Overexpressie Tat substraten (bijv., Eiwitten gericht op de Tat pathway met een N-eindstandige fusie met het Tat signaalpeptide ssTorA) die goed gevouwen in het cytoplasma vormen een langlevende translocatie tussenproduct de N-terminus in het cytoplasma en de C-terminus in het periplasma 19. Dit maakt weergave van correct gevouwen Tat substraten, waaronder antilichaamfragmenten, aan de periplasmatische zijde van het E. coli binnenste membraan. Na verwijdering van het buitenmembraan door enzymatische digestie sferoplasten produceren worden antilichamen blootgesteld aan de extracellulaire ruimte (figuur 1). Hierdoor kan Tat substraten op het binnenmembraan worden gescreend op binding aan een specifiek doel. Belangrijker is het benutten van de Tat pathway van celoppervlak scherm zorgt ervoor dat alleen de antilichamen in de bibliotheek die goed gevouwen in het cytoplasma wordt ondervraagd voor binding, het gelijktijdig engineering van bindingsaffiniteit en intracellulaire vouwen. In dit protocol beschrijven we hoe u een scFv-bibliotheek op de E. tonen coli binnenste membraan, pan de bibliotheek tegen een doelantigeen, en het uitvoeren van een tweede scherm om de meest veelbelovende bestanddelen van de bibliotheek te identificeren. Terwijl we ons richten het protocol inzake scFvs, kan de methode worden toegepast op engineering van een eiwit waarvan de toepassing vereist binding en intracellulaire vouwen.
Figuur 1. Tat binnenste membraan-display. In E. coli, scFv antilichamen die tot expressie worden gebracht als een fusie met het ssTorA signaalsequentie correct gevouwen en in het cytoplasma getransporteerd over het binnenmembraan. Een translocatie tussenvormen, waarbij de scFvs verankerd in de binnenmembraan van de N-terminus in het cytoplasma en de C-terminus in het periplasma. E. coli buitenmembraan enzymatisch gedigereerd sferoplasten vormen, waarbij het verankerde antilichamen blootgesteld aan de extracellulaire ruimte en beschikbaar voor detectie door toepassing van een antilichaam dat bindt aan de C-terminaal gesmolten epitooplabel het geëxposeerd antilichaam.load / 54583 / 54583fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Engineering van antilichamen voor cytoplasmatische activiteit is een moeilijke taak vanwege het reducerende milieu van het cytoplasma, die de vorming van stabiliserende disulfidebindingen 6,7 belemmert. Dit veroorzaakt de meeste antilichamen cytoplasmatisch inactief tenzij zij zijn ontworpen voor stabiliteit en oplosbaarheid in het cytoplasma, naast het feit ontworpen voor bindingsaffiniteit. De bestaande methoden van faagdisplay, bacteriële oppervlakte-en gist oppervlakte-methoden gebruiken allemaal de secretieroute 14-16 voor de weergave van gemanipuleerde antilichamen, maar deze werkwijzen hebben geen middelen om intracellulaire vouwen ingenieur. Antilichamen gemanipuleerd middels binnenste membraan beeldscherm hebben cytoplasmatische stabiliteit en oplosbaarheid verbeterd doordat het vouwen kwaliteitscontrole van de Tat pathway voorkomt translocatie van antilichamen die slecht gevouwen en stabiel in het cytoplasma. Deze methode vereenvoudigt het iteratief proces engineering intracellulaire antilichamen voor een affiniteitnd oplosbaarheid, de twee eigenschappen zijn gemanipuleerd in één stap. Hoewel deze methode is ontworpen voor engineering antilichamen met oplosbaarheid in het reducerende intracellulaire omgeving, kan het ook worden toegepast op technische antilichamen functioneren in niet-reducerende omstandigheden, omdat de eiwitten ontworpen met behulp van deze methode behouden hun vouwen in de oxiderende omgeving van het periplasma.
Hoewel deze techniek vereenvoudigt het proces van engineering van antilichamen met een hoge affiniteit en hoge cytoplasma oplosbaarheid, een aantal beperkingen zijn belangrijk om te overwegen bij het gebruik van dit protocol. Bij de analyse van secundaire screening ELISA signalen te identificeren veelbelovende scFv varianten, de drempel voor veeleisende tussen potentieel interessante varianten en die adequate antigeenbindend niet kan vertonen waarschijnlijk niet duidelijk tot na verscheidene klonen verder gekarakteriseerd. Het is belangrijk om te zoeken naar verbeterde binding via ouderlijke antilichaam; echter,een abnormaal hoog signaal kan indicatief aviditeit 29 of aggregatie effecten 30, een uitdaging die niet uniek is voor de binnenste membraan weergave screening aanpak. Een belangrijke beperking te onthouden bij gebruik van dit protocol is het onvermogen om sferoplasten herstellen na panning, die immers niet-levende (ongepubliceerde gegevens). Dit vereist de DNA-amplificatie en transformatie stappen om de antilichaam coderend plasmiden herstellen.
Verschillende kritische stappen van het protocol in te schakelen de simultaneous engineering van het vouwen en binden van antilichamen. Voor screening succesvol te zijn, moet de scFv-bank wordt gescreend worden uitgedrukt als een fusie met het ssTorA signaalpeptide. Zonder deze procedure stelt antilichamen niet worden gericht op de Tat pathway en bijgevolg niet worden getransloceerd naar het periplasma 19. Bovendien is het noodzakelijk dat een C-terminale epitoop tag gefuseerd met de antilichamen om detectie van de geëxposeerde antilichamen toe in de prullenbakding assays. Duidelijk, E. coli stam gebruikt om de scFvs moet ook de nodige Tat pathway machines drukken, maar dit geldt voor de gebruikte E. coli.
Wijzigingen in dit protocol zijn mogelijk om zijn potentieel te verbeteren om antilichamen met de gewenste eigenschappen te isoleren. Een subtractieve panning stap kan voorafgaand aan panning tegen het doelwit antigeen aan de scFv bibliotheek van niet-gewenste bestanddelen afbreken worden afgerond. De bibliotheek sferoplasten kunnen worden geïncubeerd met magnetische bolletjes gecoat met BCCP alleen of bekleed met een niet-gewenste eiwit, en de sferoplasten die binden aan de kralen kunnen worden verwijderd voor het screenen van de resterende ongebonden sferoplasten voor binding aan het gewenste doel. Zoals in het Representatieve resultaten, een werkwijze ter verbetering van de affiniteit van een geïsoleerde scFv is een oplosbare concurrent in de panning reactie te concurreren met de informatie op de sferoplasten scFvs omvatten. Omdat de oplosbare compingetitor is een gezuiverd eiwit, geen DNA wordt geamplificeerd uit, dus alleen sequenties van de informatie op de sferoplasten scFvs wordt de PCR-reactie worden gewonnen. Daarnaast kan deze werkwijze worden uitgebreid naar andere typen techniek antilichamen of niet-antilichaam bindende eiwitten.
E. coli binnenste membraan beeldscherm is een krachtig platform voor engineering antilichamen met hoge affiniteit en hoge niveaus van intracellulaire oplosbaarheid. Deze methode is bijzonder geschikt voor efficiënte engineering van antilichamen zijn ontworpen om te functioneren in de intracellulaire omgeving. Deze intracellulaire antilichamen worden reeds onderzocht als potentiële geneesmiddelen in een aantal gebieden, met inbegrip van neurodegeneratieve ziekten, kanker en virale infecties 31. Deze techniek wordt meer algemeen gebruik van intracellulaire antilichamen als hulpmiddelen voor onderzoek en geneeskunde op deze gebieden en elk ander gebied waarop bestuderen een eiwitdoel in situ gewenst mogelijk.
The authors have nothing to disclose.
We thank Tomer Zohar for work on scFv screening and characterization assays. A portion of this work was supported by award number F32CA150622 from the National Cancer Institute (to AJK). The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Cancer Institute or the National Institutes of Health.
scFv library | Varies | N/A | A suitable scFv library should be obtained from a commercial or academic source. |
MC4100 E. coli cells | Coli Genetic Stock Center | 6152 | Cells need to be chemically competent or electrocompetent, depending on the selected transformation method. |
Glycerol | Fisher Scientific | BP229-4 | |
Difco dehydrated culture media LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | BD | 244610 | |
Chloramphenicol (Cm) | Fisher Scientific | BP904-100 | |
Sodium chloride (NaCl) | Fisher Scientific | BP358-1 | |
Potassium chloride (KCl) | Fisher Scientific | BP366-500 | |
Sodium phosphate, dibasic (Na2HPO4) | Fisher Scientific | BP332-500 | |
Potassium phosphate, monobasic (KH2PO4) | Fisher Scientific | BP362-500 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Fisher Scientific | BP9706-100 | |
Sucrose | Fisher Scientific | BP220-1 | |
Tris base | Fisher Scientific | BP1521 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 0.5 M | Fisher Scientific | BP2482-500 | |
Magnesium chloride (MgCl2) | Fisher Scientific | BP214-500 | |
Lysozyme | Sigma Aldrich | L3790-10X1ML | |
Vortex mixer | VWR | 97043-564 | |
Bicine | Fisher Scientific | BP2646100 | |
D-Biotin | Fisher Scientific | BP232-1 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside | Fisher Scientific | BP1755-1 | |
BugBuster Master Mix (cell lysis detergent) | EMD Millipore | 71456 | |
Vivaspin 2 MWCO, 3000 daltons | GE Healthcare Sciences | 28932240 | |
Target antigen | Varies | N/A | Purified target antigen may be purchased or produced/purified. |
Dynabeads MyOne Streptavidin T1 | Invitrogen | 65601 | |
Dynamag-2 magnet | Invitrogen | 12321D | |
Tube rotator | VWR | 13916-822 | |
PCR primers | IDT | N/A | Primer sequences are as described in the protocol. |
10X T4 DNA ligase reaction buffer | New England BioLabs | B0202S | |
T4 Polynucelotide kinase (PNK) | New England BioLabs | M0201S | Make sure the T4 ligase buffer used in the primer phosphorylation reaction contains 1 mM ATP. |
5X Phusion HF buffer pack | New England BioLabs | B0518S | |
Deoxynucleotide (dNTP) solution mix, 10 mM each dNTP | New England BioLabs | N0447L | |
Phusion DNA polymerase | New England BioLabs | M0530S | Other high-fidelity polymerases may be used as an alternative, but the annealing temperature in Table 3 must be adjusted. |
C1000 Touch thermal cycler with dual 48/48 fast reaction module | Bio-Rad | 185-1148 | |
Agarose | Promega | V3121 | |
SYBR Safe DNA gel stain | Invitrogen | S33102 | |
Wizard SV gel and PCR clean-up system | Promega | A9281 | |
T4 DNA ligase | New England BioLabs | M0202S | |
Microdialysis membrane filter | EMD Millipore | VSWP04700 | |
Agar | BD | 214030 | |
96-well polystyrene round-bottom cell culture plates | VWR | 10062-902 | |
Costar general polystyrene assay plate lids | Corning | 3931 | |
Microtitre plate shaker | VWR | 12620-926 | |
Costar 96 well EIA/RIA Easy Wash clear flat bottom polystyrene high bind microplate | Corning | 3369 | |
Bel-blotter polycarbonate 96-well replicating tool | Bel-Art Products | 378760002 | |
Instant nonfat dry milk | Quality Biological | A614-1000 | |
Tween 20 (polysorbate 20) | Fisher Scientific | BP337-500 | |
PopCulture reagent (concentrated cell lysis detergent) | EMD Millipore | 71092-3 | |
Monoclonal ANTI-FLAG M2-Peroxidase(HRP) antibody produced in mouse | Sigma Aldrich | A8592 | |
SigmaFast OPD | Sigma Aldrich | P9187-50SET | |
Sulfuric acid (H2SO4), 10N solution | Fisher Scientific | SA200-1 | |
Reynolds Wrap aluminum foil | VWR | 89079-075 | |
BioTek Epoch microplate spectrophotometer | Fisher Scientific | 11120570 |