480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников
Ефимов Григорий Александрович. Новые генно-инженерные белки на основе рекомбинантных антител против TNF: диссертация... кандидата биологических наук: 03.01.03 / Ефимов Григорий Александрович;[Место защиты: Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгарда РАН].- Москва, 2015.- 122 с.
Введение
Обзор литературы 9
1. История открытия tnf 9
2. Суперсемейство tnf 10
3. Структура системы tnfnfr 12
4. Функции tnf 15
5. Роль TNF в патогенезе ревматоидного артрита и других аутоиммунных заболеваний 16
6. Терапевтическая блокировка tnf 18
7. Побочные эффекты и ограничения антиnf терапии 23
8. Новые подходы и перспективы tnf блокировки 25
Материалы и методы исследования 29
1. Получение и характеристика нового верблюжьего одно доменного антитела к tnf человека 29
Экспрессия и очистка однодоменного антитела Vhh41 29
Оценка связывания антитела Vhh41 с TNF человека методом ИФА 30
Изучение взаимодействия Vhh41 и TNF человека методом поверхностного плазменного резонанса 31
Исследования способности Vhh41 блокировать TNF человека 31
2. Конструирование, получение и характеристика гибридных белков флуоресцентных сенсоров TNF 32
Конструирование генов, кодирующих сенсоры TNF. 32
Экспрессия и очистка флуоресцентных сенсоров TNF. 33
Анализ взаимодействия Vhh41-K с рекомбинантным TNF. 34
Исследование биологических свойств флуоресцентного сенсора Vhh41-KTNFin vitro и in vivo . З5
Изучение способности флуоресцентного сенсора связывать TNF in vivo 36
Прижизненное изучение экспрессии TNF с помощью полученного флуоресцентного сенсора...39
3. Получение и характеристика одноцепочечного АНТИNF антитела 40
Изучение мышиного моноклонального антитела F10 40
Конструирование и экспрессия одноцепочечного антитела ahT-4 41
Измерение биологической активности одноцепочечного антитела ahT-4 42
4. Получение и характеристика химерного антиnf антитела 43
5. Конструирование, получение и характеристика биспецифических антител А9 и МА9 43
Конструирование, экспрессия и очистка антител А9 и тА9 43 Взаимодействие антител А9 и тА9 с рекомбинантным TNF человека методом
поверхностного плазменного резонанса 44
Цитотоксический тест 45
Цитофлуориметрия 45
Оценка способности биспецифического антитела А9удерживать TNF человека на
поверхности макрофагов 45
6. Сравнительная оценка эффективности системной и селективной блокировки макрофагального TNF 46
Модель острой гепатотоксичности, индуцированной введением JIIJC/D-галактозамина 46
Результаты и обсуждение 48
1. Получение и характеристика нового рекомбинантного одно доменного антитела, специфически связывающегося с TNF человека, но не блокирующего его биологическую активность 50
Создание генетической конструкции, кодирующей рекомбинантное однодоменное антитело
Экспрессия и очистка рекомбинантного однодоменного антитела Vhh41 52
Анализ взаимодействия однодоменного антитела Vhh41 с TNF человека 53
Анализ способности антитела Vhh41 блокировать биологическую активность TNF человека.54
2. Конструирование, получение и характеристика молекулярных сенсоров TNF для прижизненного изучения экспрессии tnf на основе одно доменных рекомбинантных антител и красного флуоресцентного белка 56
Получение генетических конструкций, кодирующих флуоресцентный сенсор TNF Vhh41-Ku
контрольные гибридные белки 56
Экспрессия и очистка флуоресцентного сенсора TNF Vhh41-K. 57
Анализ взаимодействия флуоресцентного сенсора TNF Vhh41-К с рекомбинантным TNFмыши
и человека 58
Исследование биологических свойств флуоресцентного сенсора TNF Vhh41-Kin vitro и in vivo. 61
Изучение способности флуоресцентного сенсора связывать TNF in vivo 66
Прижизненное изучение экспрессии TNFс помощью полученного флуоресцентного сенсора... 69
3. Получение и характеристика рекомбинантного одноцепочечного антитела, блокирующего биологическую активность TNF 72
Измерение активности мышиного моноклонального антитела F10 72
Конструирование одноцепочечного антитела на базе вариабельных фрагментов легкой и
тяжелой цепей мышиного моноклонального антитела F 10 74
Измерение активности одноцепочечного антитела ahT-4 75
4. Разработка и анализ химерного антитела против TNF человека
Сравнение кинетики взаимодействий химерного антитела 13239 и инфликсимаба с
рекомбинантным TNF человека 77 Сравнение нейтрализующей активности химерного антитела 13239 с активностью
инфликсимаба in vitro 79
Анализ активности химерного антитела 13239 in vivo 80
5. Конструирование, получение и характеристика селективного б локатора tnf, производимого клетками моноцитарно-макрофагального ряда 82
Молекулярное клонирование, экспрессия и очистка биспецифических антител 82
Взаимодействие антител А9 и тА9 срекомбинантным TNF человека 86
Блокировка антителами А9 и тА9 TNF-зависимой цитотоксичности in vitro 87
Анализ связывания антител А9 и тА9 с поверхностью макрофагов через взаимодействие с
поверхностной молекулой F4/80 89
Удержание эндогенно продуцируемого TNF человека на поверхности макрофагов
биспецифическим антителом А9 93
6. Физиологически значимая селективная блокировка tnf, производимого клетками моноцитарно-макрофагального ряда in vivo 96
Сравнительная оценка эффективности направленной блокировки TNF, производимого клетками моноцитарно-макрофагалъного ряда, и системной блокировки TNF в модели острой
гепатотоксичности 96
Заключение 99
Список литературы 100
Роль TNF в патогенезе ревматоидного артрита и других аутоиммунных заболеваний
Первый опыт антицитокиновой терапии был осуществлен в 1985 г., когда мышам была введена поликлональная антиNF кроличья сыворотка, что предотвратило развитие у них летальной гепатотоксичности, индуцированной введением ЛПС . Аналогичные результаты были получены на обезьянах: павианы, которым вводилось моноклональное мышиное антитело против TNF человека, выжили, после внутривенной инъекции летальной дозы Е. coli [ 104].
Первый терапевтический блокатор TNF был разработан на основе высокоаффинного мышиного моноклонального антитела А2, полученного из мышей, иммунизированных TNF человека . Поскольку антитела других видов имеют существенные отличия в аминокислотной последовательности, они непригодны для долговременного терапевтического использования в людях. Поэтому методами генной инженерии мышиные константные домены тяжелой и легкой цепей были заменены на человеческие. Вариабельные участки, связывающие антиген, при этом остались неизмененными . Подобные антитела называются химерными. Впоследствии это первое терапевтическое антитело против TNF получило международное непатентованное название - инфликсимаб.
Одной из наиболее очевидных областей применения антиNF терапии было лечение сепсиса. Однако клинические исследования не показали значительных результатов , что, по всей видимости, связанно с тем, что к моменту развития клинической картины сепсиса необратимые сигнальные каскады уже запущены.
К этому моменту было накоплено уже много фактов, говорящих об участии TNF в патогенезе ревматоидного артрита, поэтому это заболевание было выбрано в качестве следующей потенциальной мишени для антиNF терапии. Пилотные исследования инфликсимаба в ревматоидном артрите дали многообещающие результаты , а дальнейшее рандомизированное двойное слепое исследование подтвердило эффективность антиNF терапии в терапии аутоиммунных заболеваний . Однако после повторных инъекций у некоторых пациентов вырабатывались антитела, специфичные к мышиным аминокислотным последовательностям в вариабельных доменах, что снижало эффективность терапии.
Двойное слепое рандомизированное исследование показало, что инфликсимаб обладает синергическим эффектом с небольшими дозами метотрексата -цитостатического препарата, использующегося для монотерапии РА. В сочетании эти два препарата обладают большей эффективностью, а иммуногенность инфликсимаба снижается . Последовавшие II/III фазы клинических испытаний привели к одобрению инфликсимаба для терапии РА .
Механизм действия инфликсимаба обусловлен, в основном, связыванием растворимого TNF в системном кровотоке и в местах локальной гиперэкспрессии (синовиальная полость при РА). Но, кроме того, инфликсимаб способен связываться с трансмембранной формой TNF и вызывать лизис клеток, несущих его на своей поверхности через механизм антитело-зависимой цитотоксичности .
АнтиNF терапия разрывает патологический сигнальный каскад и приводит к снижению воспалительной реакции, но, кроме того, она способна сбалансировать дисрегулированную иммунную систему. На фоне введения ингибиторов TNF сдвигается баланс Т-эффекторных и Т-регуляторных клеток .
АнтиNF терапия не является этиотропной терапией и теоретически должна применяться в течение всей жизни больного, однако в некоторых случаях удается добиться стойкой ремиссии, которая сохраняется и после отмены антиNF терапии .
Блокаторы TNF показали свою эффективность и при терапии других аутоиммунных и воспалительных заболеваний: было показано, что TNF играет значимую роль в патогенезе болезни Крона - он сверхэкспрессируется в воспаленных участках кишечника . Предварительные успехи в терапии болезни Крона, резистистентной к стандартной терапии, с помощью инфликсимаба позднее подтвердились в рандомизированных клинических испытаниях в результате чего инфликсимаб был одобрен для терапии и этого заболевания.
Патогенез анкилозирующего спондилита (болезни Бехтерева), еще одного хронического системного аутоиммунного заболевания с преимущественным поражением суставов, также обусловлен сверхэкспрессией TNF. Клинические испытания инфликсимаба оказались успешными и для этого заболевания . Кроме того, антиNF терапия показала высокую эффективность в лечении псориаза и псориатического артрита .
На сегодняшний момент инфликсимаб и другие блокаторы TNF утверждены в качестве терапевтических агентов для следующих аутоиммунных заболеваний: ревматоидный артрит, ювенильный идиопатический артрит, анкилозирующий спондилит, болезнь Крона, язвенный колит, псориаз, псориатический артрит. Кроме этого, антагонисты TNF показали положительные результаты в терапии саркоидоза , гранулематоза Вегенера , болезни Бехчета и других хронических заболеваний.
Указания на то, что TNF играет роль в патогенезе рассеянного склероза , были подтверждены экспериментами на лабораторных животных. Введение TNF усиливало симптоматику экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита у крыс , а введение антиNF антитела предотвращало развитие этого заболевания .
Однако клинические исследования по терапии рассеянного склероза инфликсимабом и еще одним блокатором TNF - ленерцептом (растворимый TNFR1) не дали значимого клинического ответа . Более того, у некоторых пациентов
Модельное аутоиммунное заболевание, патогенез которого сходен с патогенезом множественного склероза. наблюдалось усиление клинических симптомов заболевания и увеличение клеточности и уровня иммуноглобулинов в спинномозговой жидкости, увеличение количества очагов при магнитно-резонансном исследовании .
Успех применения инфликсимаба дал толчок к созданию новых молекул, способных блокировать передачу сигнала через TNFR. Кроме того, мышиные последовательности в вариабельных доменах тяжелой и легкой цепи инфликсимаба вызывали у части пациентов продукцию вторичных антител, которые блокировали действие инфликсимаба и делали больных невосприимчивыми к терапии. Чтобы преодолеть это ограничение, был выбран путь создания ингибиторов с полностью человеческими аминокислотными последовательностями.
На сегодняшний день, кроме инфликсимаба, для клинического применения одобрены четыре антагониста TNF (см. Рис. 2):
Этанерцепт - рекомбинантный ингибитор TNF, сконструированный на основе растворимого TNFR2. В основу его разработки легли данные о том, что в организме человека присутствует растворимая форма второго рецептора TNF . «Слущиваемый» под действием металлопротеаз TNFR2 является дополнительным звеном регуляции активности TNF . Этанерцепт представляет собой димер внеклеточной части TNFR2, генетически слитый с Fc-фрагментом иммуноглобулина IgGl. Соединение с константным участком антитела существенно увеличивает период полужизни препарата в системном кровотоке за счет рециркуляции белка через FcRn рецептор . Нейтрализующая активность гибридного белка была продемонстрирована как в in vitro, так и в in vivo опытах , а позже подтверждена в клинических испытаниях на пациентах, страдающих ревматоидным артритом .
Однако при терапии воспалительных заболеваний кишечника этанерцепт, в отличии от инфликсимаба, не показал терапевтической эффективности . Экспериментальный блокатор TNF онерцепт, полученный на основе другого рецептора TNF - TNFR1 (р55), несмотря на обнадеживающие пилотные клинические исследования в рандомизированном плацебо-контролируемом двойном слепом исследовании, также не показал эффективности в терапии болезни Крона . Исследования in vitro, в котором изучались Т-лимфоциты из собственной пластинки слизистой больных, страдающих болезнью Крона, показали, что тогда как и инфликсимаб, и этанерцепт блокируют TNF, только инфликсимаб связывается с Т-клетками в очаге поражения и индуцирует в них апоптоз . Этим может объясняться различие эффективности блокаторов на основе антител и рекомбинантных рецепторов в воспалительных заболеваниях кишечника.
Изучение взаимодействия Vhh41 и TNF человека методом поверхностного плазменного резонанса
Генетическая конструкция, кодирующая биспецифическое антитело А9 была собрана ГЩР реакцией с 4 праймерами аналогичной, описанной выше для гена одноцепочечного антитела ahT-4. Получившаяся в результате последовательность состояла из: гена однодоменного антиNF антитела , затем последовательности, кодирующей линкер вида (Gly4Ser)3, и гена одноцепочечного анти-Р4/80 антитела (любезно предоставлен С.Гордоном и М.Стейси). Сайты узнавания рестриктаз Ncol и Xhol были включены в последовательность прямого и обратных праймеров соответственно. После рестрикции ПЦР продукта и клонирования его в экспрессионный вектор pET-28b (Novagen) последовательность, кодирующая полигексидиновую метку оказалась на 3 конце в той же рамке считывания. Для получения контрольного антитела шА9 мутантный ген анти-Г4/80 scFv, содержащий вместо CDR последовательностей глицин-сериновые вставки был синтезирован de-novo (Geneart, Германия) и клонирован вместо нативного гена анти-F4/80 (см. Рис. 31В).
Экспрессионные вектора, несущие вставки, кодирующие А9 и шА9 были использованы для трансформации клеток Е.coli штамма Rosetta2(DE3)pLysS (Novagen). Лучшие клоны продуценты были отобраны методом иммуноблотинга колоний с использованием никель-конъюгированной пероксидазы (Pierce, 15165). Бактериальные культуры наращивались в среде LB, содержащей 50 цг/мл карбенициллина (Sigma -С1389) и 50 цг/мл хлорамфеникола (Sigma - С1863) до логарифмической фазы, а затем экспрессия индуцировалась 0.2 мМ ИПТГ. Через 4 часа культуры подвергались центрифугированию при 3200 g в течение 30 мин. Осадки замораживались а затем ресуспензировась в лизирующем буфере (50 мМ TrisHCl, 300 MMNaCl, 5% глицерин, 0.5% детергента Triton Х-100, 10000 Ед/мл лизоцим, 10 мМ Р-меркаптоэтанол) а потом разрушались с помощью утразвукового гомогенизатора. Лизаты центрифугировались при 17000 g в течение 40 мин., супернатанты отбирали и фильтровали через фильтр с диаметром пор 0,22 цм. БиспецифическЫ антитела А9 и тА9 очищались из просветленных супернатантов на хроматографической колонке, содержащей агарозу, конъюгированную с Ni-нитрилоуксусной кислотой (Invitrogen R90115). Аффинную хроматографию проводили по протоколу производителя. Полученный элюат концентрировали, диализовали против фосфатно-солевого буфера, с последующей фильтрацией через фильтр 0.22 мкм. Концентрация белка в растворе измерялась с помощью реакции с 2,2 -бицинхониновой кислотой (набор PIERCE 23225) по протоколу фирмы производителя. Гомогенность полученного препарата была проверена методом электрофореза в 15% полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия с последующей окраской кумасси.
Взаимодействие антител А9 и тА9 с рекомбинантным TNF человека методом поверхностного плазмонного резонанса.
Сравнение аффинностей и кинетик взаимодействия антител А9 и шА9 с рекомбинантным TNF человека проводилось на приборе ProteOn XPR36 (Bio-Rad). В ходе измерения всех взаимодействий использовался фосфатно-солевой буфер, имеющий рН=7,4, в который был добавлен детергент Tween 20 до концентрации 0,005%, температура поверхности чипа составляла 25 С. Рекомбинантный TNF человека был экспрессирован в Е. coli по описанной ранее методике . Антитела А9 и тА9 в концентрации 50 нМ иммобилиз провались через амино-группу на поверхности биочипа с модифицированной альгинатной полимерной поверхностью (Bio-Rad 176-5011). Затем аналит (TNF человека) в пяти двукратно убывающих концентрациях (50 -3 нМ) наносились в пять параллельных каналов. В шестой канал вводился буфер, не содержащий антитела, для нормировки. Анализ полученных сенсограмм проводился в программе ProteOn Manager (Bio-Rad) с использованием модели Ленгмюра.
В экспериментах с перитонеальными макрофагами клетки перитонеальной полости выделялись из мышей дикого типа (C57BL/6) и сразу же окрашивались с использованием антител, коъюгированных с флуорохромами. Для получения костномозговых макрофагов костный мозг выделялся, после чего клетки культивировались в течение 10 дней в кондиционный среде (полученной на линии L929), затем клетки снимались с пластика ледяным фосфатным буфером.
Перед окрашиванием Fc-гамма рецептор блокировался, затем клетки инкубировались с антителами А9 или тА9 или буфером, после чего клетки отмывались и окрашивались одним из трех способов: 1) поликлональными кроличьими антителами к hTNF-VnH, затем со вторичными антителами к IgG кролика, конъюгированными с флуорохромом. 2) моноклональными мышиными антителами к гексагистидиновой последовательность (Novagen - 70796), затем со вторичными антителами к IgG мыши, конъюгированными с флуорохромом. 3) к клеткам добавлялся рекомбинантный TNF человека, а затем моноклональные антиNF антитела (Miltenyi Biotec - clone: сА2), меченные флуорохромом.
Кроме того клетки окрашивались анти-Р4/80 и анти-CD 1 lb антителами, конъюгированными с флуорохромами. Образцы анализировались либо на приборе F ACS Aria (BDBiosciences) или Guava EasyCyte 8HT (Millipore) а затем полученные данные обрабатывались с помощью программы FlowJo (Treestar Inc.).
Оценка способности биспецифического антитела А9 удерживать TNF человека на поверхности макрофагов.
Перитонеальные макрофаги из мышей, продуцирующих TNF человека, выделялись и рассаживались в количестве 100 тыс. клеток на лунку в 96-луночные культуральные планшеты. Клетки инкубировались в течение 2 ч при 37С, 5%СОг, после чего не прикрепившиеся клетки смывались теплым фосфатным буфером. Затем клетки икубировались в течение ночи при 37С, 5% СОг. После промывки 200 мкл теплой среды DMEM клетки инкубировались с антителами А9 в концентрации 2мкг/мл или со средой DMEM 30 минут при 37С. После еще одной промывки клетки стимулировались ЛПС (Sigma, L2630) в концентрации 100 нг/мл. Через 4 ч культуральные супернатанты собирались и концентрация TNF человека измерялась с помощью набора для ИФА (eBioscience, 88-7346) по протоколу производителя.
Костный мозг из мышей, продуцирующих TNF человека выделялся, после чего клетки культивировались в течение 10 дней в кондиционный среде (полученной на линии L929), затем клетки снимались с пластика ледяным фосфатным буфером. Количество живых клеток подсчитывалось и они рассаживались на 96 луночные планшеты в концентрации 50000 клеток/лунку. Затем к клеткам добавлялось 250 цМ антитела А9 или однодоменного антитела hTNF-VffH или пустая среда (DMEM). Клетки инкубировались с антителами в течение 30 мин. Затем лунки промывались фосфатно-солевым буфером. После этого продукция TNF стимулировалась ЛПС (Sigma - L2630) в концентрации 100 нг/мл. Через 4 часа супернатанты собирались, концентрация TNF в них измерялась с помощью цитотоксического теста на линии мышиной фибросаркомы L929 по протоколу аналогичному описанному выше.
Исследование биологических свойств флуоресцентного сенсора Vhh41-KTNFin vitro и in vivo
На основании экспериментальных данных, полученных на линиях мышей, в которых ген Tnf удален в отдельных клеточных популяциях , была сформулирована гипотеза о возможных различных функциях TNF, производимого разными типами иммуноцитов. Так недавно было показано, что в модели экспериментальной туберкулезной инфекции TNF, продуцируемый Т-лимфоцитами, но не миелоидными клетками, имеет уникальную защитную функцию . Кроме того в нашей лаборатории получены данные, указывающие на патогенные свойства TNF из миелоидных клеток при аутоиммунных заболеваниях . Терапевтически применяемая полная блокировка ПМБне учитывает этих особенностей. В рамках развития данной гипотезы было выбрано специфическое ингибирование TNF, производимого клетками моноцитарно-макрофагального ряда, которое могло бы иметь существенное преимущество перед системной блокировкой этого цитокина. В частности, интактный сигнал от TNF, производимого В- и Т- лимфоцитами, мог бы снизить частоту побочных эффектов, а, кроме того, сделать антиNF терапию эффективной в тех болезнях, для которых ранее блокаторы TNF не показали клинической эффективности, или даже вызывали усиление симптоматики. Кроме того, такой подход может потенциально снизить необходимую дозу за счет адресной доставки к клеткам-продуцентам.
Для проверки этого предположения мы сконструировали и испытали биспецифическое антитело, которое одной своей частью связывается с поверхностью макрофагов за счет взаимодейсвия с трансмембранной молекулой F4/80, а второй специфичностью захватывает и блокирует производимый ими TNF.
Молекулярное клонирование, экспрессия и очистка биспецифических антител. Биспецифическое антитело - селективный блокатор макрофагального TNF -получило название А9. Для создания кодирующей его генетической конструкции были использованы однодоменное блокирующего антиNF антитело hTNF-VffH и одноцепочечное антитело (scFv) против макрофагального поверхностного маркера F4/80 (любезно предоставленное С. Гордоном (Оксфордский университет, Великобритания) и М. Стейси (университет Лидса, Великобритания). Последовательности, кодирующие оба антитела были амплифицированы с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) и клонированы в экспрессионный вектор таким образом, что они оказались в одной рамке считывания, а между ними образовалась нуклеотидная последовательность, кодирующая гибкий глицин-сериновый линкер (GSGGGGSG). На С-конце последовательности располагается последовательность, кодирующая гистидиновый гексамер, для последующей очистки белка (Рис. 31).
Дизайн биспецифического антитела А9, схематическое изображение его механизма действия, строение генетических конструкций, кодирующих биспецифическое антитело А9 и контрольный системный блокатор TNF -антитело тА9. (А) Биспецифическое антитело А9 состоит из однодоменного антитела (VHH) против TNF человека и одноцепочечного антитела (scFv) против поверхностной молекулы F4/80, экспрессирующейся на моноцитах и макрофагах. (Б) Принцип селективной блокировки TNF, производимого макрофагами: А9 связывется с поверхностью макрофагагов и захватывает высвобождаемый с их поверхности TNF, предотвращая его попадание в системную циркуляцию. (В) Схема генетической конструкции биспецифического антитела А9 и контрольного системного блокатора TNF - тА9. Ген однодоменного антиNF антитела сопровождается последовательностью, кодирующей гибкий глицин-сериновый линкер, а затем геном одноцепочечного антитела против F4/80. Затем следует последовательность, кодирующая гистидиновый гексамер для аффинной очистки. Контрольное антитело тА9 имеет аналогичную последовательность за исключением того, что 6 гипевариабельных участков анти-Р4/80 антитела заменены на последовательности вида (Gly3Ser)n, что препятствует связыванию антитела с поверхностью макрофагов и превращает его в системный ингибитор TNF.
Для изучения эффектов специфической блокировки TNF, производимого макрофагами, был необходим контрольный системный блокатор. Чтобы избежать эффектов связанных с различиями в аффинности антител, было решено использовать блокатор имеющий аналогичный А9 TNF-связывающий участок. А для того, чтобы исключить влияние других факторов, в частности изоэлектрической точки и молекулярной массы, которая может влиять на время полувыведения, контрольное антитело должно быть максимально приближено по первичной аминокислотной последовательности к изучаемому. Поэтому нами было сконструировано контрольное антитело - тА9, имеющее ту же структуру и аминокислотную последовательность, что и А9 за исключением того, что 6 его гипервариабельных участков в анти-Р4/80 scFv заменены на последовательности вида (Gly3Ser)n, той же длины, что исходные CDR участки (см. Рис. 31 В).
Оба антитела были экспрессированы в бактериальной системе и очищены методом аффинной хроматографии.
Размер антитела А9, определенный по электрофоретической подвижности и по данным ВЖЕХ, соответствовал расчетной молекулярной массе - 45 кДА (Рис. 32). хроматографии. Слева - значения молекуляного веса белков. (Б) Хроматограмма биспецифического антитела А9 (отмечена красным цветом), наложенная на хроматограмму маркеров молекулярной массы. (В) Функция зависимости времени прохождения молекулы в зависимости от молекулярной массы. Расчетная молекулярная масса биспецифического антитела А9 составила 43,4 кДа.
Взаимодействие антител А9 и тА9 с рекомбинантным TNF человека. Кинетика взаимодействия антител А9 и тА9 с рекомбинантным TNF человека измерялась методом поверхностного-плазмонного резонанса. Для этого оба антитела в концентрации 50 нМ были иммобилизованы на поверхности сенсорного чипа, после чего рекомбинантный TNF человека в серийных разведениях 50-3 нМ был нанесен в качестве аналита, а кинетика взаимодействия измерялась на приборе ProteOn XPR36. Оба антитела показали высокую аффинность: Kd А9 и тА9 составила 85 и 95 пМ соответственно. Это подтверждает, что внесенные мутации не повлияли на связывание с TNF. Кроме того оба антитела обладали сходными параметрами скорости связывания (Kforward, on-rate) и скорости диссоциации (Kreverse, off-rate) - приведены на Рис. 33 и в Таб. 3. Малая скорость диссоциации должна позволить антителу А9 удерживать связанный TNF.
Получение и характеристика нового рекомбинантного одно доменного антитела, специфически связывающегося с TNF человека, но не блокирующего его биологическую активность
Кинетика взаимодействия антител А9 и тА9 с рекомбинантным TNF человека измерялась методом поверхностного-плазмонного резонанса. Для этого оба антитела в концентрации 50 нМ были иммобилизованы на поверхности сенсорного чипа, после чего рекомбинантный TNF человека в серийных разведениях 50-3 нМ был нанесен в качестве аналита, а кинетика взаимодействия измерялась на приборе ProteOn XPR36. Оба антитела показали высокую аффинность: Kd А9 и тА9 составила 85 и 95 пМ соответственно. Это подтверждает, что внесенные мутации не повлияли на связывание с TNF. Кроме того оба антитела обладали сходными параметрами скорости связывания (Kforward, on-rate) и скорости диссоциации (Kreverse, off-rate) - приведены на Рис. 33 и в Таб. 3. Малая скорость диссоциации должна позволить антителу А9 удерживать связанный TNF.
Кинетика взаимодействия биспецифического антитела А9 и контрольного антитела тА9 с рекомбинантным TNF человека. (А) Приведены кривые взаимодействия (сенсограммы) рекомбинантного TNF человека в концентрациях 50 нМ - 3 нМ с сенсорным чипом, на котором были иммобилизованы биспецифическое антитело А9 и контрольное антитело тА9. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат сдвиг угла резонанса в условных единицах (УЕ). (Б) Для каждой группы сенсограмм были расчитаны значения скорости связывания (оп-rate), скорости диссоциации (off-rate) и константы диссоциации (Kd). Полученные средние значения, а также стандартное отклонение (SD) отложены на диаграмме изоаффиности. Диагональные линии соответсвуют указанным значениям константы диссоциации.
Для оценки сравнительной активности антитела А9 в ингибировании биологических эффектов TNF проводился цитотоксический текст на линии мышиной фибросаркомы L929. К постоянным концентрациям рекомбинантного TNF человека и актиномицина-D добавлялись серийные разведения антител А9 и тА9. Согласно полученным данным антитела А9 и тА9 имеют близкую антиNF активность (Рис. 34 А). Кроме того было подтверждено, что активность биспецифического антитела А9 соответствует активности однодоменного антиNF антитела hTNF-VffH, которое входит в состав А9 и тА9 (Рис. 34 Б). 10 10 10
АнтиNF активность биспецифического антитела А9, контрольного антитела mA9 и однодоменного антитела hTNF-VffH. (А) Сравнение активности биспецифического антитела А9 и контрольного антитела тА9. Приведена кривая выживаемости клеток мышиной фибросаркомы L929 при одновременном воздействии константной дозы TNF человека и убывающих доз антител А9 и тА9. (Б) Сравнение активности биспецифического антитела А9 и однодоменного антитела hTNF-VnH. Приведена кривая выживаемости клеток мышиной фибросаркомы L929 при одновременном воздействии константной дозы TNF человека и убывающих доз антител А9 и hTNF-VHH.Сравнение проводилось в молярных концентрациях для того, чтобы исключить влияния различий в молярной массе на определяемую активность антитела.
Анализ связывания антител А9 и тА9 с поверхностью макрофагов через взаимодействие с поверхностной молекулой F4/80.
Способность биспецифического антитела А9 специфически связываться с поверхностью макрофагов была оценена методом проточной цитофлуориметрии. Для этого клетки, выделенные из перитонеальной полости, инкубировались с антителами А9, после чего проводилось окращивание на макрофагальные маркеры CD1 lb и F4/80, одновременно осуществлялось специфическое окрашивание на биспецифическое антитело А9 через антитела к VHH ИЛИ антитела к полигистидиновой метке. Затем образцы подвергались проточной цитофлуориметрии и анализу.
Эти эксперименты показали, что биспецифическое антитело А9 способно связываться с поверхностью перитонеальных клеток, экспрессирующих F4/80 и CD1 lb на своей поверхности (моноциты и макрофаги) (Рис. 35 А - Г). В то же время, А9 не связывается с клетками перитонеальной полости, не имеющими этих маркеров (преимущественно лимфоциты) (Рис. 35 Д и Е). Снижения уровня параллельного анти-F4/80 окрашивания при добавлении антитела А9 за счет конкуренции двух антител за связывание с мишенью подтверждает, что А9 специфически взаимодействует именно с этой молекулой на поверхности клеток (Рис. 35 Ж и 3).
Также используется название Мас-1. Составной элемент рецептора СЗ компонента системы комплемента. У мышей экспрессируется на моноцитах, макрофагах и клетках микроглии. биспецифическое антитело
Клетки перитонеальной полости инкубировались с биспецифическим антителом А9 (изображено красным цветом) или без него (изображено синим цветом), а затем подвергались окрашиванию флуоресцентно меченными антителами к поверхностным маркерам, специфичным для клеток моноцитарно-макрофагального ряда, а также антителами, специфичными к А9. Затем полученные образцы анализировались методом проточной цитофлуориметрии. (А, В, Д, Ж) окрашивание через антитела к VHH домену. (Б, Г, Е, 3) окрашивание через антитела к полигексидиновой последовательности. (А, Б) биспецифическое антитело А9 связывается с клетками, отобранными по высокому уровню экспрессии F4/80 и CD1 lb (макрофаги). На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на А9, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события. (В, Г) то же самое в форме гистограммы рассеяния. По горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на А9, по вертикальной оси значение флуоресценции в канале окрашивания на F4/80. (Д, Е) -биспецифическое антитело А9 не связывается с клетками перитонеальной полости, не экспрессирующими F4/80 и CD1 lb (лимфоциты). На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на А9, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события. (Ж, 3) -инкубация с биспецифическим антителом А9 снижает интенсивность окрашивания на F4/80. На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на F4/80, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события.
Костномозговые макрофаги инкубировались с биспецифическим антителом А9 (изображено красным цветом), без него (изображено синим цветом), или с контрольным антителом тА9 (изображено черным цветом) а затем подвергались окрашиванию антителами, специфичными к А9/тА9. Полученные образцы анализировались методом проточной цитофлуориметрии. (А) биспецифическое антитело А9 специфически связывается с костномозговыми макрофагами. На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на А9, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события. (Б) контрольное антитело шА9 неспособно связываться с костномозговыми макрофагами. На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на шА9, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события.
Кроме того, в дополнительных цитофлуориметрических экспериментах было показано, что антитело А9, будучи прикрепленным к поверхности макрофагов, способно одновременно связывать экзогенно добавленный TNF человека (Рис. 37). Что подтверждает, что обе субъединицы биспецифического антитела функционально активны одновременно, и что связывание двух антигенов одновременно стерически возможно.
Клетки перитонеальной полости инкубировались с биспецифическим антителом А9 (изображено красным цветом) или без него (изображено синим цветом), затем с рекомбинантным TNF человека, после чего подвергались окрашиванию флуоресцентно-меченными антителами к поверхностным маркерам, специфичным для клеток моноцитарно-макрофагального ряда, а также антителами, специфичными к TNF человека. Полученные образцы анализировались методом проточной цитофлуориметрии. (А) биспецифическое антитело А9, способно удерживать TNF человека на поверхности макрофагов (клеток, отобранных по высокому уровню экспрессии F4/80 и CD1 lb). На изображеной гистограмме по горизонтальной оси отложено значение флуоресценции в канале окрашивания на TNF, по вертикальной оси нормализованная частота встречаемости события. (Б) те же данные в форме гистограммы рассеяния. По горизонтальной оси отложены значения флуоресценции в канале окрашивания на TNF, по вертикальной оси значения флуоресценции в канале окрашивания на F4/80.
Белок в химическом отношении представляет собой однотипную молекулу, которая является полиаминокислотной цепочкой или полимером. Составлен он из аминокислотных последовательностей 20 типов. Узнав строение белков, люди задались вопросом: можно ли спроектировать абсолютно новые аминокислотные последовательности, чтобы они выполняли нужные человеку функции гораздо лучше, чем обычные белки? Для данной дерзкой идее лучше всего подошло название белковая инженерия .
О такой инженерии стали задумываться ещё в 50-е годы XX столетия. Случилось это сразу же после расшифровки первых белковых аминокислотных последовательностей. Во многих лабораториях мира начали делать попытки дублировать природу и синтезировать химическим путём заданные абсолютно произвольно полиаминокислотные последовательности.
Больше всех в этом преуспел химик Б. Меррифилд. Этому американцу удалось разработать чрезвычайно эффективный метод синтеза полиаминокислотных цепей. За это Меррифилду в 1984 году присудили Нобелевскую премию по химии.
Американец начал синтезировать короткие пептиды, включая гормоны. При этом построил автомат - «химического робота» - в задачу которого входило производит искусственные белки. Робот вызвал сенсацию в научных кругах. Однако скоро выяснилось, что его продукция не может конкурировать с тем, что производит природа.
Робот не мог в точности воспроизводить аминокислотные последовательности, то есть ошибался. Он синтезировал одну цепь с одной последовательностью, а другую уже с чуть-чуть другой. В клетке же все молекулы одного белка идеально похожи друг на друга, то есть их последовательности абсолютно одинаковые.
Была и ещё одна проблема. Даже те молекулы, которые робот синтезировал правильно, не принимали ту пространственную форму, которая необходима для функционирования фермента. Таким образом, попытка подменить природу обычными методами органической химии привела к весьма скромному успеху.
Учёным оставалось учиться у природы, выискивая нужные модификации белков. Тут дело в том, что в природе постоянно идут мутации, ведущие к изменению аминокислотных последовательностей белков.
Если отобрать мутантов с необходимыми свойствами, скажем более эффективно перерабатывающих тот или иной субстрат, то можно выделить из такого мутанта измененный фермент, благодаря которому клетка приобретает новые свойства. Но данный процесс занимает очень большой период времени.
Все изменилось тогда, когда появилась генная инженерия . Благодаря ей, стали создавать искусственные гены с любой последовательностью нуклеотидов. Эти гены встраивали в приготовленные молекулы-векторы и внедряли эти ДНК в бактерии или дрожжи. Там с искусственного гена снималась копия РНК. В результате этого вырабатывался нужный белок. Ошибки в его синтезе исключались. Главное, надо было подобрать нужную последовательность ДНК, а дальше уже ферментная система клетки сама безупречно делала своё дело.
Таким образом, можно заключить, что генная инженерия открыла путь белковой инженерии в самой радикальной форме. К примеру, мы выбрали белок и захотели заменить в нём один аминокислотный остаток на другой.
Прежде чем начать работу по замене, необходимо приготовить ДНК-вектор. Это вирусная или плазмидная ДНК со встроенным в неё геном того белка, который нас интересует. Нужно также знать нуклеотидную последовательность гена и аминокислотную последовательность кодируемого белка. Последняя определяется из первой при помощи таблицы генетического кода.
С помощью таблицы также легко установить, какие минимальные изменения следует произвести в составе гена, чтобы он начал кодировать не исходный, а изменённый по нашему желанию белок. Допустим, в середине гена нужно гуанин заменить на тимин.
Из-за такой мелочи не нужно заново синтезировать весь ген. Синтезируется лишь небольшой фрагмент нуклеотидов, комплементарный участку, в середине которого располагается выбранный для замены нуклеотид гуанин.
Полученный фрагмент смешиваем с ДНК-вектором (кольцевая ДНК), в которой содержится нужный нам ген. Кольцо ДНК и синтезированный фрагмент создают участок уотсон-криковской двойной спирали. В нём центральная пара «выпихивается» из двойной спирали, так как она образована взаимно некомплементарными нуклеотидами.
Добавляем в раствор четыре дНТФ и ДНК-полимеразу. Последняя, используя налипший на одиночное кольцо фрагмент, достраивает его до полного кольца в полном соответствии с принципом комплементарности.
В результате у нас получается почти нормальная векторная ДНК. Её можно ввести в дрожжевую или бактериальную клетку для размножения. Единственное, эта ДНК отличается от исходного вектора некомплементарной парой. Иными словами, спираль ДНК-вектора совершенна не полностью.
При первом же акте удвоения полученного вектора вместе с несущей его бактерией, каждая из дочерних молекул ДНК станет совершенной двойной спиралью на всём своём протяжении. Однако одна из дочерних молекул несёт в себе исходную нуклеотидную пару, а у другой в этом месте находится мутантный вектор, на основе которого и получается интересующий нас мутантный белок.
Таким образом, белковая инженерия создаёт смесь клеток. Одни из них несут исходный вектор с немутантным геном, а другие клетки несут мутантный ген. Остаётся отобрать из этой смеси именно те клетки, в которых находится мутантный ген .
После рассмотрения способов получения сайт-специфических мутаций необходимо сделать лишь один шаг, чтобы оказаться лицом к лицу с бурно развивающимся направлением молекулярной генетики, называемым белковой инженерией. Действительно, разработка методов направленного мутагенеза дала возможность не только с высокой точностью модифицировать отдельные белки и изучать их структурно-функциональные взаимоотношения, но и конструировать новые белки, не существовавшие в природе. Впечатляющими результатами применения такого подхода являются гибридные белки, получаемые путем объединения фрагментов и функциональных доменов разных полипептидных цепей с использованием генно-инженерных методов.
Другое перспективное направление белковой инженерии – это конструирование биологически активных пептидов, обладающих фармакологической активностью.
Библиотеки пептидов и эпитопов
В живом организме большинство биологических процессов управляется посредством специфических белок-белковых или белково-нуклеиновых взаимодействий. К таким процессам относятся, например регуляция транскрипции генов под действием различных белковых факторов, взаимодействие белковых лигандов с рецепторами на поверхности клеток, а также специфическое связывание антигенов соответствующими антителами. Понимание молекулярных механизмов взаимодействия белковых лигандов с рецепторами имеет большое фундаментальное и прикладное значение. В частности, разработка новых лекарственных препаратов белковой природы обычно начинается с идентификации исходной последовательности аминокислот, обладающей требуемой биологической активностью (так называемая "основная" (lead) последовательность). Однако пептиды с основной последовательностью аминокислот могут обладать и нежелательными биологическими свойствами: низкой активностью, токсичностью, малой стабильностью в организме и т.п.
До появления библиотек пептидов улучшение их биологических свойств осуществляли путем последовательного синтеза большого числа аналогов и проверкой их биологической активности, что требовало больших затрат времени и средств. В последние годы появилась возможность с помощью автоматических синтезаторов создавать за короткое время тысячи различных пептидов. Разработанные методы направленного мутагенеза также позволили резко расширить число белков, получаемых одновременно и последовательно тестируемых на биологическую активность. Однако только недавно разработанные подходы к созданию библиотек пептидов привели к получению миллионов последовательностей аминокислот, требуемых для проведения эффективного скрининга с целью выявления среди них пептидов, максимально удовлетворяющих предъявляемым критериям. Такие библиотеки используются для исследования взаимодействия антител с антигенами, получения новых ингибиторов ферментов и антимикробных агентов, конструирования молекул, обладающих требуемой биологической активностью, или придания новых свойств белкам, например антителам.
По способам получения библиотеки пептидов разделяются на три группы. К первой группе можно отнести библиотеки, полученные с использованием химического синтеза пептидов, в которых индивидуальные пептиды иммобилизованы на микроносителях. При таком подходе после присоединения очередных аминокислот в индивидуальных реакционных смесях к пептидам, иммобилизованным на микроносителях, содержимое всех реакционных смесей объединяют и разделяют на новые порции, которые используют на следующей стадии присоединения новых аминокислотных остатков. После проведения ряда таких этапов оказываются синтезированными пептиды, содержащие последовательности использованных в синтезе аминокислот во всевозможных случайных сочетаниях.
Библиотеки пептидов, иммобилизованных на микроносителях, обладают существенным недостатком: они требуют при скрининге использования очищенных рецепторов, находящихся в растворимой форме. В то же время в большинстве случаев при биологических испытаниях, проводящихся для фундаментальных и фармакологических исследований, чаще всего находят применение рецепторы, ассоциированные с мембранами. По второму способу библиотеки пептидов получают с помощью твердофазного синтеза пептидов, при котором на каждой стадии химического присоединения очередной аминокислоты к растущим пептидным цепям используют эквимолярные смеси всех или некоторых аминокислот-предшественников. На конечной стадии синтеза проводят отделение пептидов от носителя, т.е. перевод их в растворимую форму. Третий подход к конструированию библиотек пептидов, к описанию которого мы сейчас переходим, стал реальным именно благодаря развитию методов генной инженерии. Он прекрасно иллюстрирует возможности таких методов и, несомненно, является крупным достижением в их применении. В этой связи рассмотрим более подробно результаты использования библиотек пептидов в исследовании эпитопов (антигенных детерминант) белков.
Генно-инженерная технология получения гибридных белков позволила разработать эффективный метод наработки коротких пептидов для анализа их биологической активности. Как и в случае клонотек генов, библиотеки пептидов, полученные генно-инженерными методами, представляют собой большой (часто исчерпывающий) набор коротких пептидов. Два недавно сделанных наблюдения позволяют рассматривать библиотеку пептидов одновременно и в качестве библиотеки эпитопов белков. Во-первых, короткие пептиды могут включать все основные остатки аминокислот, играющие главную роль во взаимодействии с антителами, и они в состоянии имитировать крупные антигенные детерминанты белков. Во-вторых, в большинстве случаев нековалентные связи, образуемые между немногими наиболее важными остатками аминокислот белковых лигандов и их рецепторами, вносят основной вклад в общую энергию взаимодействия лиганд–рецептор. С учетом этого любой пептид можно рассматривать как потенциальный лиганд, гаптен или часть антигенной детерминанты более крупных полипептидов, а любую библиотеку пептидов – как библиотеку эпитопов белков или потенциальных лигандов для соответствующих белковых рецепторов.
Рис. II.19. Схема экспрессии пептидных эпитопов на поверхности оболочки нитевидных колифагов
Пептидные эпитопы находятся в составе гибридных полипептидных цепей минорного белка pIII (а ) или основного белка pVIII вирусной оболочки (б ). Стрелки указывают положение кодирующих эпитопы олигонуклеотидных фрагментов в геноме бактериофага, а также положение самих эпитопов. В составе полипептида pIII (а ) показана только одна копия эпитопа (на самом деле их число достигает 4–5)
Библиотека пептидов, полученная в результате реализации третьего подхода, в современном виде представляет собой набор десятков или даже сотен миллионов коротких различающихся последовательностей аминокислот, которые экспрессированы на поверхности вирионов бактериофагов в составе их собственных структурных белков. Это становится возможным благодаря введению методами генной инженерии в геном бактериофагов гибридных рекомбинантных генов, кодирующих измененные структурные белки его вирионов. (Данный метод известен под названием фагового дисплея .) В результате экспрессии таких генов образуются гибридные белки, на N- или С-концах которых (см. ниже) присутствуют дополнительные последовательности аминокислот. В наиболее хорошо разработанной системе, позволяющей конструировать библиотеки пептидов генно-инженерными методами, используют небольшой нитевидный колифаг f1 и два его белка: основной и минорный белки оболочки pVIII и pIII. In vivo оба белка синтезируются в виде полипептидных цепей с короткими N-концевыми сигнальными последовательностями, которые отщепляются сигнальной пептидазой во время их созревания после переноса к внутренней части бактериальной мембраны. Зрелые белки встраиваются в оболочку бактериофага в процессе ее сборки. При этом белок pVIII образует основную оболочку бактериофага, тогда как четыре или пять молекул pIII ассоциированы с концевой частью вириона и обеспечивают взаимодействие вирусных частиц с половыми ворсинками клеток E. coli (рис. II.19). Генно-инженерными методами пептиды соединяют с белками – непосредственно с их N-концевыми последовательностями или на небольшом от них расстоянии. Концевые последовательности большинства белков являются более гибкими и, как правило, экспонируются на поверхности глобулы, что позволяет получать гибридные рекомбинантные белки без существенного нарушения их основных свойств, а также делает интегрируемые пептиды доступными для распознавания извне. Кроме того, в таком положении и пространственная структура самих пептидов испытывает меньшее влияние белка-носителя. В ходе экспериментов было установлено, что введение чужеродных пептидов в N-концевую часть белка pIII не оказывает существенного влияния на жизнеспособность и инфекционность фаговых частиц, тогда как соединение пептидов длиной >5 аминокислотных остатков с N-концевой частью белка pVIII нарушает сборку вирионов. Последнее затруднение можно преодолеть доставкой к месту сборки вирионов молекул белка pVIII дикого типа, синтез которых направляется соответствующим геном вируса-помощника. В этом случае оболочка бактериофага будет содержать как измененные белки pVIII, так и полипептиды дикого типа от вируса-помощника.
Рис. II.20. Схема конструирования рекомбинантного вирусного генома, содержащего вставки вырожденных олигонуклеотидов, для получения библиотеки эпитопов
Двухцепочечный олигонуклеотид (а ), содержащий вырожденные кодоны NNK и те же самые сайты рестрикции в составе линкеров, лигируют с ДНК вектора Fuse5 (б ), расщепленного рестриктазойSfi I, с образованием рекомбинантного генома (в ), который направляет синтез гибридного рекомбинантного белка (г ), содержащего на N-конце указанную аминокислотную последовательность
При конструировании библиотеки пептидов прежде всего синтезируют два комплементарных друг другу олигонуклеотида, которые после отжига образуют двухцепочечную молекулу, центральная часть которой кодирует собственно пептиды (рис. II.20,а ), а выступающие по концам одноцепочечные участки комплементарны "липким" концам вектора, получающимся под действием соответствующей рестриктазы (см. рис. II.20,б ).
Для кодирования аминокислот пептидов используют вырожденные кодоны вида NNK или NNS, которые включают все четыре нуклеотида (N) в первом и втором положениях, G или T (K), а также G или С (S) в третьем положении. При таком подходе информация о всех 20 аминокислотах и одном стоп-кодоне заключена в 32 различных кодонах NNK и NNS, а не в 64, как это имеет место в случае природного генетического кода.
В процессе синтеза вырожденных олигонуклеотидов, кодирующих исследуемые пептиды, на каждой стадии используют индивидуальные нуклеотиды для кодонов инвариантных аминокислот, фланкирующих вариабельный участок пептида, а также эквимолярные смеси нуклеотидов для участков, кодирующих случайные последовательности. Образовавшийся в итоге набор вырожденных олигонуклеотидов далее клонируют в виде одноцепочечных фрагментов в соответствующих сайтах гена белка оболочки бактериофага в составе фагового вектора или фазмиды. Альтернативно для такого набора олигонуклеотидов (химически или с помощью ПЦР) синтезируют комплементарные цепи с включением инозина в вариабельные участки, поскольку его остатки, как известно, спариваются с основаниями С и T матрицы, что облегчает образование правильных дуплексов между соответствующими олигонуклеотидами. Образующиеся двухцепочечные олигонуклеотиды в случае необходимости обрабатывают соответствующими рестриктазами и клонируют в фаговом векторе. Итоговые рекомбинантные молекулы (см. рис. II.20,в ) ДНК вводят в бактериальные клетки, получая ~10 9 трансформантов на 1 мг рекомбинантной ДНК, образовавшиеся фаговые частицы размножают в бактериях и после очистки исследуют на присутствие рекомбинантных пептидов (см. рис. II.20,г ), способных взаимодействовать с исследуемыми рецепторами в белках их вирионов.
Число индивидуальных фаговых клонов в библиотеке является определяющим для ее использования. К примеру, библиотека, заключающая в себе все возможные гексапептиды, должна содержать 64 млн (20 6) разных шестичленных аминокислотных последовательностей, кодируемых ~1 млрд (32 6) различных гексакодонов (32 – число кодонов, с помощью которых можно закодировать любую из 20 аминокислот предложенным выше способом, а именно с использованием кодонов NNK или NNS). Для решения такой задачи должны быть получены очень большие библиотеки, содержащие, по крайней мере, 2·10 8 – 3·10 8 индивидуальных, независимых клонов, а величина 10 9 в настоящее время является верхним пределом для числа индивидуальных клонов библиотеки, которую еще можно практически использовать.
Исходя из этого, можно заключить, что максимальная длина пептидов, включающих в себя все возможные сочетания 20 аминокислот, с которыми возможно работать с помощью библиотек пептидов, составляет 6 аминокислотных остатков. Тем не менее, следует иметь в виду, что библиотека 15-членных пептидов того же размера (2–3·10 8 клонов) будет содержать больше разнообразных гексапептидов, чем рассмотренная выше библиотека 6-членных пептидов. Кроме того, поскольку лишь ограниченное число аминокислотных остатков в пептиде действительно определяет его биологическую активность, библиотека 15-членных пептидов может оказаться представительнее библиотеки более коротких пептидов с тем же числом клонов.
Рис. II.21. Схема отбора фаговых частиц, обладающих требуемыми эпитопами
Показаны три рекомбинантных фаговых частицы, экспрессирующие разные эпитопы в составе pIII. Только эпитоп центральной фаговой частицы распознается молекулой биотинилированного антитела, иммобилизованного на чашке Петри с помощью стрептавидина и использованного для скрининга библиотеки
Для того чтобы выделить из библиотеки пептиды с искомой биологической активностью, применяют различные методы скрининга. В частности, для выделения пептидов, имитирующих определенные эпитопы, используют биотинилированные моноклональные антитела соответствующей специфичности, которые иммобилизуют на твердой подложке с помощью стрептавидина (рис. II.21). Фаговые частицы, экспрессирующие на своей поверхности соответствующие эпитопы, взаимодействуют с антителами и задерживаются подложкой, тогда как другие рекомбинантные фаговые частицы удаляются в процессе промывания. Задержанные на подложке фаговые частицы далее элюируют кислотой, индивидуальные клоны дополнительно размножают в бактериальных клетках и экспрессированные на них эпитопы исследуют по различным критериям. Наличие идентичных или сходных последовательностей нуклеотидов среди клонированных последовательностей свидетельствует о специфичности процесса очистки. Индивидуальные клоны затем охарактеризовывают другими, в частности иммуноферментными методами. На заключительной стадии исследования осуществляют синтез выделенных пептидов и их всестороннее изучение в очищенном состоянии.
В настоящее время имеются данные о некоторых работах, проведенных с использованием пептидных библиотек. В одном из таких исследований из библиотеки были выделены пептиды, последовательность аминокислот в которых резко отличалась от последовательности аминокислот истинного эпитопа исследуемого антигена. Тем не менее, такой пептид прочно связывался со специфическими антителами и конкурировал за связывание с природным антигеном. Это позволило сделать вывод о возможности существования мимотопов – коротких пептидов, имитирующих природные эпитопы, последовательности аминокислот которых существенно различаются между собой. Удалось установить канонические последовательности аминокислот пептидов, имитирующих эпитопы природных белков, а среди них идентифицировать аминокислотные остатки, играющие ключевую роль во взаимодействии антиген–антитело.
Одним из многообещающих приложений библиотек пептидов является идентификация пептидных лигандов, имитирующих "структурные" эпитопы, образующиеся на поверхности белковых глобул в результате сворачивания их полипептидных цепей, что сопровождается пространственным сближением аминокислотных остатков, расположенных в полипептидной цепи на значительном расстоянии друг от друга. С помощью пептидных библиотек возможна идентификация пептидных аналогов различных эпитопов небелковой природы. По-видимому, в ближайшем будущем возможно использование пептидных библиотек для получения новых лекарственных препаратов, создания диагностических средств и производства эффективных вакцин. В области конструирования новых лекарственных препаратов усилия исследователей могли бы быть направлены на создание пептидных лигандов, специфически взаимодействующих с рецепторами, представляющими медико-биологический интерес. Знание структуры таких лигандов позволило бы упростить получение на этой основе лекарственных препаратов небелковой природы.
Библиотеки пептидов и эпитопов найдут свое применение и в исследованиях механизмов гуморального иммунного ответа, а также заболеваний иммунной системы. В частности, большинство аутоиммунных заболеваний сопровождается образованием аутоантител против антигенов собственного организма. Эти антитела во многих случаях служат специфическими маркерами того или иного аутоиммунного заболевания. С использованием библиотеки эпитопов, в принципе, можно получить пептидные маркеры, с помощью которых было бы возможно следить за специфичностью аутоантител во время развития патологического процесса как в индивидуальном организме, так и в группе пациентов и, кроме того, определять специфичность аутоантител при заболеваниях неизвестной этиологии.
Библиотеки пептидов и эпитопов потенциально могут быть использованы также для скрининга иммунных сывороток с целью выявления пептидов, специфически взаимодействующих с защитными антителами. Такие пептиды будут имитировать антигенные детерминанты патогенных организмов и служить мишенями для защитных антител организма. Это позволит использовать подобные пептиды для вакцинации пациентов, у которых отсутствуют антитела против соответствующих патогенов. Изучение эпитопов с помощью библиотек пептидов является частным случаем одного из многочисленных направлений их использования в прикладных и фундаментальных исследованиях взаимодействия лигандов и рецепторов. Дальнейшее усовершенствование этого подхода должно способствовать созданию новых лекарственных препаратов на основе коротких пептидов и быть полезным в фундаментальных исследованиях механизмов белок-белковых взаимодействий.
Методы генетической инженерии, в частности клонирование индивидуальных генов или их частей, а также секвенирование ДНК, позволили значительно усовершенствовать методологию мутагенеза, устранив основные недостатки классических способов индукции мутаций в геномах. Классический генетический анализ предполагает воздействие мутагенного фактора in vivo на целый геном, в результате чего в нем возникают случайные мутации, зачастую множественные, что сильно осложняет идентификацию мутантов. Выявление мутантных особей осуществляют по измененным фенотипическим признакам, а природу мутации можно определить после секвенирования ДНК. Современный локализованный мутагенез, по сути, предполагает обратные действия: вначале клонируют интересующий ген или его сегмент, определяют его структуру в ходе секвенирования, а потом in vitro вносят требуемые изменения в его состав. Последствия вызванной мутации определяют после введения мутантного гена в исходный организм.
Самый простой вариант локализованного мутагенеза состоит в обработке клонированного фрагмента ДНК одним из мутагенных факторов, однако результатом такого воздействия будут тоже случайные изменения в структуре фрагмента. Более надежные и чаще применяемые методы локализованного мутагенеза осуществляются без использования мутагенных факторов. Среди типов мутаций преобладают делеции, вставки и замены нуклеотидов.
Делеции. Эти типы мутаций при локализованном мутагенезе получают с помощью эндонуклеаз. Используют как рестриктирующие, так и неспецифические эндонуклеазы. Наиболее простой случай использования рестриктаз состоит в расщеплении какого-либо генома с помощью рестриктазы, вносящей несколько разрывов с образованием липких концов. Полученные фрагменты вновь замыкают в кольцо с помощью ДНК-лигазы, что может привес ти к образованию молекул, не содержащих один из сегментов ДНК. При таком подходе формируются протяженные делеции, и его используют, как правило, в предварительных экспериментах, чтобы определить функции относительно больших участков клонированной ДНК.
Небольшие делеции получают следующим образом. Клонированный фрагмент расщепляют в составе вектора в подходящем сайте с помощью рестриктазы (рис. 21.1). Образовавшуюся линейную молекулу обрабатывают экзонуклеазой III, которая гидролизует в составе ДНК одну цепь,
начиная с 3’-конца. В результате получается набор молекул с одноцепочечными 5’-хвостами разной протяженности. Эти хвосты гидролизуют нуклеазой S1, специфичной к одноцепочечной ДНК, и в ДНК формируются делеции. Можно также применять экзонуклеазу Bal 31, которая катализирует деградацию обеих цепей, начиная с концов линейных молекул ДНК. Ход нуклеотических реакций регулируют, варьируя время инкубации, температуру и концен трацию фермента, индуцируя образование делеций разной длины. Полученные делеционные варианты линейных ДНК часто перед циклизацией снабжают линкерами, чтобы в районе делеции присутствовали рестрикционные сайты. Существуют и другие модификации описанных методов.
Вставки (инсерции). Для получения инсерций клонированную ДНК расщепляют рестриктазой или неспецифической эндонуклеазой, а затем лигируют образующиеся фрагменты в присутствии сегмента, который хотят вставить в ДНК. Чаще всего в качестве таких сегментов используют синтезированные химическим путем полилинкеры (глава 20).
Инсерции, как и делеции, способны нарушить целостность гена или структуру его регуляторных областей, в результате чего будет синтезироваться дефектный белок (в случае протяженных делеций или сдвига рамки считывания, как правило, неактивный) либо будут наблюдаться изменения процесса транскрипции интересующего гена. Таким способом чаще получают регуляторные мутанты и конструируют экспрессируемые векторы (глава 20).
Точечные мутации . Эти мутации представляют собой замену нуклеотидов. Для их получения можно использовать несколько подходов: дезаминирование цитозина, включение аналогов нуклеотидов, неправильное включение нуклеотидов при репарации пробела и др.
Первый способ основан на том, что остатки цитозина в одноцепочечной ДНК можно дезаминировать с образованием урацила с помощью обработки ионами бисульфита. Одноцепочечные участки в ДНК получают обычно вблизи сайтов рестрикции, например, при действии экзонуклеазы III. После обработки бисульфитом одноцепочечные бреши застраивают с помощью ДНК-полимеразы и лигируют концы. В сайтах, где вместо цитидилата при дезаминировании образовался уридилат, комплементарное положение займет аденилат, а при репликации такой молекулы произойдет замена пары GС на пару AT.
Другой подход при индукции замен состоит в обработке клонированной ДНК какой-либо рестриктазой в присутствии бромистого этидия, который встраивается между плоскостями пар оснований и вносит нарушения в структуру дуплекса. В результате образуется только однонитевый разрыв ДНК. В месте однонитевого разрыва создают небольшой пробел, а затем застраивают его в присутствии ДНК-полимеразы, dATP, dGTP, dCTP и N-4-гидроксицитозинтрифосфата вместо dTTP. Гидроксицитозинтрифосфат включается в цепь вместо тимидилата, но при репликации ДНК спаривается одинаково хорошо и с аденилатом, и с гуанилатом. В результате включения гуанилата после дополнительного раунда репликации в данном сайте произойдет замена АТ→GC (рис. 21.2). Поскольку в данном методе замена нуклеотидов осуществляется внутри
сайта рестрикции, появляется возможность легко различить векторы с исходной последовательностью и мутантные. Для этого достаточно обработать их используемой в эксперименте рестриктазой: мутантные молекулы не подвергнутся расщеплению.
Похожий метод основан на использовании только трех из четырех возможных нуклеотидов при заполнении однонитевой бреши ДНК-полимеразой. В большинстве случаев фермент останавливается в том месте молекулы, где встречается комплементарный отсутствующему нуклеотид. Однако изредка ДНК-полимераза ошибается и включает один из трех присутствующих нуклеотидов. Это приводит к образованию кольцевых молекул, в составе которых присутствуют неспаренные некомплементарные азотистые основания. При введении таких векторов в клетки бактерий в части молекул произойдет репарация такого повреждения. В результате в половине молекул после репликации восстановится исходная последовательность, а в другой половине закрепится мутация. Отличить мутантные молекулы можно описанным выше способом.
Сайт-специфический мутагенез. Охарактеризованные методы локализованного мутагенеза отличаются тем, что сайты, где происходят мутации, выбираются случайно. В то же время техника сайт-специ-фического мутагенеза позволяет вводить мутации в точно определенный участок гена. Это осуществляется с использованием синтетических (полученных химическим синтезом) олигонуклеотидов с заданной последовательностью. Метод удобен тем, что не требует присутствия удобных сайтов рестрикции. В основу метода положено образование гетеродуплексов между синтетическим олигонуклеотидом, содержащим мутацию, и комплементарной однонитевой ДНК в составе вектора.
Поступают следующим образом. Синтезируют небольшой олигонуклеотид (8-20 мономеров), комплементарный той части гена, в которой хотят получить мутацию. В составе олигонуклеотида в центральной области допускают одну или несколько нуклеотидных замен. Клонируют исследуемый ген или его фрагмент в составе вектора на основе фага М13, чтобы получить кольцевые одноцепочечные рекомбинатные ДНК. Производят смешивание и отжиг рекомбинантных векторов с олигонуклеотидами. Происходит гибридизация олигонуклеотида с комплементарной областью, при этом некомплементарные нуклеотиды остаются неспаренными. Олигонуклеотид выполняет роль праймера в полимеразной реакции с участием ДНК-полимеразы in vitro. Кольцо замыкают лигазами. Полученная кольцевая молекула вводится в клетки E.coli, где происходит частичная репарация мутантных участков репликация. Частота мутаций обычно варьирует от 1 до 50%. Отбор клеток, содержащих мутантные молекулы ДНК, можно производить несколькими способами, среди которых преимущества имеет метод с использованием радиоактивно меченного олигонуклеотида, который применяется для мутагенеза. В данном случае этот нуклеотид служит зондом. Принцип использования такого зонда основан на том, что он полностью комплементарен мутантной ДНК и частично комплементарен ДНК дикого типа. Можно подобрать такие условия гибридизации (в первую очередь, температуру), что гибридизация меченого зонда будет стабильной только с мутантной последовательностью ДНК, что можно выявить на радиоавтографе.
Метод сайт-специфического мутагенеза особенно ценен тем, что позволяет изолировать мутации без контроля их фенотипического проявления. Этот метод открывает новые возможности исследования функций регуляторных элементов генов, позволяет изменять «силу» промоторов, оптимизировать сайты связывания с рибосомами и т. д. Одним из основных применений данной методологии является белковая инженерия.
Белковая инженерия. Этим словосочетанием обозначают комплекс методических приемов, которые позволяют реконструировать молекулу белка путем направленного введения соответствующих мутаций в структурный ген (сайт-специфический мутагенез) и, следовательно, желаемых аминокислотных замен в первичную структуру белка.
Показательным примером конструирования более активных белков являются эксперименты Фершта и сотрудников с ферментом тирозил-тРНК-синтетазой из бактерий Bacillus stearothermophilus. Анализ последствий замен аминокислот в активном центре этого фермента позволил заключить, что удаление групп, образующих с субстратом слабые водородные связи, может улучшить его сродство к субстрату. При этом обнаружено, что треонин-51 (занимает 51 положение в составе пептида) образует длинную и слабую водородную связь с кислородом кольца рибозы при связывании тирозиладенилата. В то же время обнаружено, что у бактерий E.coli такое же положение за нимает пролин. Сайт-специфический мутагенез гена, определяющего структуру тирозил-тРНК-синтетазы B.stearothermophilus, позволил обеспечить замену thr-51→pro -51 в пептиде. В результате резко улучшилось связывание АТР в активном центре фермента, а его каталитическая активность возросла в 25 раз.
Другим, не менее значимым примером реконструкции белка, имеющим практическое значение, является модификация субтилизина из Bacillus amyloliquefaciens, осуществленная Эстеллом и соавторами. Субтилизины представляют собой сериновые протеиназы, секретируемые бациллами во внешнюю среду. Эти ферменты выпускаются биотехнологической промышленностью в больших масштабах и широко используются в составе моющих средств. Недостатком субтилизинов является резкое уменьшение протеолитической активности под действием окислителей, в том числе содержащихся в стиральных порошках. Задача реконструкции молекулы субтилизина BPN заключалась в стабилизации его к химическому окислению.
В предварительных экспериментах было установлено, что в присутствии перекиси водорода субтилизин быстро снижает активность за счет окисления остатка метионина-222, превращающегося в соответствующий сульфоксид. Методами сайт-специфического мутагенеза была обеспечена замена этого остатка метионина на все остальные 19 белковых аминокислот. Плазмиды с мутантными генами вводили в штаммы с делециями в соответствующих генах и анализировали свойства продуцируемых субтилизинов. Достаточно стабильными к действию перекиси оказались мутанты с серином и аланином222. Самым активным оказался мутант, содержащий остаток цистеина-222, его удельная активность на 38% превышала активность штамма дикого типа.
Аналогичным путем удалось повысить активность b-интерферона. В числе других достижений белковой инженерии можно назвать исследования в выяснении трансформирующей активности онкобелков; изменение термостабильности ферментов, например получение термолабильного ренина и термостабильной a-амилазы; увеличение эффективности связывания инсулина соответствующим рецептором плазматической мембраны за счет замены гистидина на аспартат в положении 10 b-цепи гормона, а также множество других примеров. Большое количество продуктов белковой инженерии уже нашло практическое применение в производственных процессах.
Белковая инженерия 6 Комплекс методов и подходов по изучению белков и получению белков с новыми свойствами ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ Создать клонотеку нуклеотидных и аминокислотных последовательностей Исследовать влияния одиночных замен аминокислотных остатков на фолдинг и функции белка Разработать методы эффективной модификации белков для придания им необходимых свойств Разработать методы и подходы для скрининга и отбора белков с требуемыми свойствами
Рациональныйдизайн Рациональный дизайн Необходимость знаний о пространственной организации белка Необходимость знаний о внутри- и межмолекулярных взаимодействиях Несовершенство методик и аппаратуры направление, нацеленное на создание новых белков de novo путем их пространственного конструирования
Направленная эволюция белковых молекул направление, нацеленное на создание новых белков, посредством селекции 1 получение клонотек случайных аминокислотных последовательностей 2 отбор полипептидных цепей, обладающих хотя бы в небольшой степени требуемыми свойствами 3 с использованием случайного мутагенеза получение новых клонотек белков, которые применяют в следующем раунде селекции или с использованием генно-инженерных конструкций, экспрессирующих новые белки
Направленная эволюция белковых молекул (варианты) рациональный редизайн с помощью направленного мутагенеза заменяют конкретные аминокислотные остатки в активном центре фермента инженерия белковых поверхностей с помощью мутаций изменяют участки полипептидной цепи в окрестностях аминокислотных остатков, сближенных на поверхности белковой глобулы, но находящихся в полипептидной цепи на значительном расстоянии друг от друга
Скрининг и отбор белков с заданными свойствами случайный скрининг улучшенный скрининг отбор каждый белок исследуется на наличие требуемых свойств; выбор белков из клонотеки происходит случайно каждый белок исследуется на наличие требуемых свойств; выбор белков из клонотеки происходит случайно возможен, если объекты, составляющие клонотеку, различаются фенотипически (например, по наличию ферментативной активности) создаются условия для избирательного сохранения компонентов клонотеки, которые обладают определенными свойствами (фаговый, клеточный дисплей) создаются условия для избирательного сохранения компонентов клонотеки, которые обладают определенными свойствами (фаговый, клеточный дисплей) обнаружение белка с требуемыми свойствами среди большого числа макромолекул, составляющих полученную клонотеку
Фаговый дисплей Цель – экспонировать чужеродные белки на поверхности фага Метод был разработан в 1985 г. для нитчатого бактериофага М13. (гены pIII и pVIII являются пригодными сайтами мишенями для вставки чужеродного кДНК фрагмента) Цель – экспонировать чужеродные белки на поверхности фага Метод был разработан в 1985 г. для нитчатого бактериофага М13. (гены pIII и pVIII являются пригодными сайтами мишенями для вставки чужеродного кДНК фрагмента) конструируют гибридный ген, состоящий из кодирующих последовательностей целевого белка и одного из белков оболочки фага бактериофагом инфицируют E.coli в ходе сборки фага гибридные белки включаются в фаговую частицу
Фагмида Фаг-помощник Геном фага Инфицирование E.coli фагом-помощником клетки E.coli, трансформированные плазмидной библиотекой / фагмидой, инфицируют хелперным фагом для получения фаговых частиц, на поверхности которых экспонированы различные варианты целевого белка клетки E.coli, трансформированные плазмидной библиотекой / фагмидой, инфицируют хелперным фагом для получения фаговых частиц, на поверхности которых экспонированы различные варианты целевого белка
Перспективы практического использования белковой инженерии Медицина: *для получения новых лекарственных препаратов; для создания диагностических средств и производства вакцин; *для исследование механизмов иммунного ответа, а также заболеваний иммунной системы Экология: *для получение биокатализаторов в виде целых клеток с иммобилизованными на их поверхности ферментами; *для получения биосенсоров с целью диагностики и мониторинга окружающей среды; *для создание био адсорбентов с целью удаления из окружающей среды токсических веществ и ионов тяжелых металлов
Измерение глюкозы с помощью ферментного электрода (схематическое представление опыта Л. Кларка). Окисление глюкозы ферментом глюкозооксидазой в присутствии кислорода: глюкоза + О 2 Н 2 О 2 + глюконо-1,5-лактон. Н 2 О 2 восстанавливается на платиновом электроде при потенциале +700 мВ; протекающий в цепи ток пропорционален концентрации пероксида водорода (т.е., косвенно, глюкозы).
