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.
Des anticorps capables de se replier et de fonctionner dans l'environnement intracellulaire sont des outils prometteurs pour la recherche et des applications thérapeutiques. Ils ont la capacité de moduler l' activité des protéines en se liant à une protéine cible dans les cellules pour éviter des interactions protéine-protéine, les interactions perturber protéine-acide nucléique, ou d' empêcher l' accès du substrat aux enzymes 1-5.
Bien que les anticorps ont un grand potentiel pour des applications intracellulaires, les ingénierie pour le pliage correct et la solubilité dans le milieu intracellulaire, tout en maintenant la capacité à se lier à un antigène cible est difficile. L'environnement cytoplasmique réduisant empêche la formation de liaisons disulfures normalement requises pour le pliage stable d'anticorps pleine longueur et des fragments d' anticorps, y compris à chaîne unique fragment variable (scFv) des anticorps 6,7. Un certain nombre d'approches d'évolution dirigée ont été utilisées pour concevoir des anticorps avec haffinités IGH pour cible les antigènes 8-10. Ces approches utilisent couramment phage display, l' affichage de surface de levure ou d' affichage de surface bactérienne pour cribler de grandes banques d'anticorps 11-13. Ces méthodes sont puissantes et efficaces pour identifier des anticorps qui se lient à des cibles, mais ils dépendent de la voie sécrétoire de protéines de transport qui seront affichées 14-16. La voie de sécrétion de protéines dépliées translocation du cytoplasme réducteur dans la lumière du réticulum endoplasmique de la levure ou dans le périplasme dans les bactéries. Les protéines se replient alors dans des conditions d'oxydation et sont affichées sur la surface des cellules ou encapsidés dans des particules de phage pour cribler une affinité de liaison 17,18. Par conséquent, les anticorps isolés à l'aide de ces techniques ne seront pas nécessairement bien plier dans le cytoplasme, et la solubilité intracellulaire doivent souvent être conçus séparément si les anticorps sont utilisés dans des applications intracellulaires.
Améliorerl'efficacité des anticorps d'ingénierie qui sont bien pliés dans le cytoplasme, nous avons précédemment rapporté le succès de MAD-TRAP (affichage à membrane ancrée pour la reconnaissance des protéines associant à base de Tat), un procédé de criblage d' une banque d'anticorps scFv en utilisant Escherichia coli Intérieures affichage de la membrane 19. Affichage interne de la membrane bactérienne repose sur la voie de translocation à double arginine (TAT) pour le transport d'anticorps présentés, contrairement à d'autres méthodes d'affichage commun qui utilisent la voie sécrétoire. La voie Tat contient un mécanisme de contrôle de qualité qui ne permet que des protéines solubles, correctement repliées pour être transportés à partir de E. cytoplasme coli, à travers la membrane interne et dans le périplasme 20,21. Substrats surexprimé Tat (ie., Les protéines ciblées pour la voie Tat avec une fusion N-terminale du peptide signal de Tat ssTorA) qui sont bien plié dans le cytoplasme forment une translocation à long terme intermédiaire à l' extrémité N-terminale in cytoplasme et l' extrémité C-terminale 19 dans le périplasme. Ceci permet l' affichage des substrats de Tat correctement repliés, y compris des fragments d' anticorps, sur la face périplasmique de E. membrane interne coli. Après avoir enlevé la membrane externe par digestion enzymatique pour produire des sphéroplastes, des anticorps sont exposés à l'espace extracellulaire (figure 1). Ceci permet à des substrats de Tat affichés sur la membrane interne devant être criblés pour la liaison à une cible spécifique. Il est important, en exploitant la voie Tat pour l'affichage de la surface cellulaire garantit que seuls les anticorps dans la bibliothèque qui sont bien pliés dans le cytoplasme seront interrogés pour la liaison, ce qui permet l'ingénierie simultanée d'affinité et de pliage intracellulaire de liaison. Dans ce protocole, nous décrivons comment afficher une bibliothèque scFv sur la E. membrane interne coli, pan la bibliothèque contre un antigène cible, et d' effectuer un écran secondaire pour identifier les constituants les plus prometteurs de la bibliothèque. Alors que nous nous concentrons le protocole sur scFv, la méthode pourrait être appliquée à l'ingénierie toute protéine dont l'application nécessite le pliage de liaison et intracellulaire.
Figure 1. Affichage membrane interne Tat. Dans E. coli, des anticorps scFv exprimés sous la forme d' une fusion avec la séquence signal et ssTorA correctement replié dans le cytoplasme sont transportés à travers la membrane intérieure. Une translocation des formes intermédiaires, où les scFv sont ancrées dans la membrane interne de l'extrémité N-terminale dans le cytoplasme et l'extrémité C-terminale dans le périplasme. E. la membrane externe coli est digéré par voie enzymatique pour former des sphéroplastes, exposant ainsi les anticorps ancrés dans l'espace extracellulaire et leur mise à disposition pour la détection en utilisant un anticorps qui se lie au marqueur fusionné en C-terminal de l' épitope de l'anticorps présenté.charge / 54583 / 54583fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Ingénierie des anticorps pour l' activité cytoplasmique est une tâche difficile en raison du milieu réducteur du cytoplasme, ce qui empêche la formation de liaisons disulfure stabilisant à 6,7. Cela provoque la plupart des anticorps pour être inactif dans le cytoplasme, sauf si elles sont conçues pour assurer la stabilité et la solubilité dans le cytoplasme, en plus d'être conçu pour une affinité de liaison. Les méthodes de phage display, affichage de la surface bactérienne, et les méthodes d'affichage de surface de levure existantes tout utiliser la voie sécrétoire 14-16 pour l'affichage des anticorps génétiquement modifiés , mais ces méthodes ont aucun moyen de pliage ingénieur intracellulaire. Anticorps modifiés génétiquement en utilisant l'affichage membrane interne ont permis d'améliorer la stabilité et la solubilité dans cytoplasmique parce que le contrôle de la qualité du repliement de la voie Tat empêche la translocation des anticorps qui sont mal repliées et instables dans le cytoplasme. Cette méthode simplifie le processus itératif d'anticorps intracellulaires d'ingénierie pour l'affinité d'unnd solubilité, comme les deux propriétés sont conçues en une seule étape. Bien que ce procédé a été conçu pour l'ingénierie des anticorps ayant une solubilité dans l'environnement intracellulaire réducteur, il pourrait également être appliquée à des anticorps d'ingénierie pour fonctionner dans des conditions non réductrices, étant donné que les protéines conçues en utilisant cette méthode conservent leur pliage dans l'environnement oxydant du périplasme.
Bien que cette technique simplifie le processus d'ingénierie des anticorps avec une affinité élevée et une haute solubilité cytoplasmique, plusieurs limitations sont importants à considérer lors de l'utilisation de ce protocole. Lors de l'analyse des signaux ELISA écran secondaire pour identifier des variants prometteurs scFv, le seuil pour discerner entre les variantes potentiellement intéressantes et celles qui ne peuvent pas exposer adéquate liaison à l'antigène ne sont pas susceptibles d'être apparent qu'après plusieurs clones ont été caractérisés davantage. Il est important de rechercher une liaison améliorée sur l'anticorps parent; cependant,un signal anormalement élevé pourrait être le signe de l' avidité 29 ou des effets d'agrégation 30, un défi qui est pas unique à l'approche de criblage d'affichage membrane interne. Une limitation clé à retenir lors de l'utilisation de ce protocole est l'incapacité de récupérer sphéroplastes après le panoramique, car ils sont non-viables (données non publiées). Cela nécessite l'amplification de l'ADN et de transformation des mesures pour récupérer les plasmides codant pour les anticorps.
Plusieurs étapes critiques du protocole permettent l'ingénierie simultanée de pliage et de liaison des anticorps. Pour le dépistage, pour réussir, la bibliothèque scFv projeté doit être exprimé comme une fusion au signal peptide ssTorA. Sans cette séquence, les anticorps ne seront pas dirigés vers la voie Tat et ne seront donc pas translocation vers le périplasme 19. En outre, il est impératif qu'un marqueur d'épitope C-terminale est fusionnée à des anticorps pour permettre la détection des anticorps présentés dans le bacdosages ding. Il est clair que E. coli utilisé pour exprimer les scFv doit également avoir la machinerie de la voie Tat nécessaire, mais cela est vrai du E. couramment utilisé souches de E. coli.
Les modifications apportées à ce protocole sont possibles pour améliorer son potentiel pour isoler des anticorps avec les caractéristiques souhaitées. Une étape de balayage panoramique soustractive peut être complété avant lavage contre l'antigène cible pour épuiser la bibliothèque scFv des constituants non désirés. Les sphéroplastes de la bibliothèque peuvent être incubées avec des billes magnétiques revêtues d'BCCP seul ou enduit d'une protéine non désirée et les sphéroplastes qui se lient à ces billes peuvent être éliminés avant le criblage des sphéroplastes non liés restants pour se lier à la cible souhaitée. Comme indiqué dans les résultats représentatifs, un procédé pour améliorer l'affinité d'un scFv isolé est d'inclure un concurrent soluble dans la réaction de panning pour rivaliser avec les scFv affichées sur les sphéroplastes. Parce que l'échantillon solubleetitor est une protéine purifiée, aucun ADN est amplifié à partir d'elle, de sorte que seules des séquences de scFv présentées sur les sphéroplastes seront récupérés dans la réaction PCR. En outre, cette méthode pourrait être étendue à d'autres types d'ingénierie d'anticorps ou de protéines de liaison non-anticorps.
E. affichage membrane interne coli est une plate – forme puissante pour les anticorps d'ingénierie avec une affinité élevée et des niveaux élevés de solubilité intracellulaire. Cette méthode est particulièrement adaptée pour l'ingénierie efficace des anticorps conçus pour fonctionner dans l'environnement intracellulaire. Ces anticorps intracellulaires sont déjà explorés en tant qu'agents thérapeutiques potentiels dans un certain nombre de domaines, y compris les maladies neurodégénératives, le cancer et les infections virales 31. Cette technique permettra une utilisation plus répandue des anticorps intracellulaires comme outils de recherche et de la médecine dans ces domaines et dans tout autre domaine où l' étude d' une protéine cible in situ est souhaitée.
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 |