Summary

Effektiv og site-specifikt antistof Mærkning af stamme-forfremmet azid-alkyn Cycloaddition

Published: December 23, 2016
doi:

Summary

Here, we present a protocol to site-specifically introduce chemical probes into an antibody fragment by genetically incorporating an azide-containing amino acid, and subsequently coupling the azide with a chemical probe by strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC).

Abstract

Der er i øjeblikket mange kemiske værktøjer til rådighed til at indføre kemiske sonder i proteiner til at studere deres struktur og funktion. En nyttig metode er protein konjugering ved genetisk indføre en unaturlig aminosyre indeholdende en bioorthogonal funktionel gruppe. Denne rapport beskriver en detaljeret protokol til site-specifikt antistof konjugation. Protokollen omfatter eksperimentelle detaljer til genetisk inkorporering af et azid-indeholdende aminosyre, og konjugeringsreaktionen ved stamme-fremmet azid-alkyn cycloaddition (SPAAC). Denne stamme-fremmet reaktionen forløber ved simpel blanding af de reagerende molekyler ved fysiologisk pH og temperatur, og kræver ikke yderligere reagenser såsom kobber (I) ioner og kobber-chelaterende ligander. Derfor ville denne fremgangsmåde være nyttig til generel protein konjugering og udvikling af antistof-lægemiddelkonjugater (ADC'er).

Introduction

Da den genetiske inkorporering af p -methoxyphenylalanine i Escherichia coli blev rapporteret, har 1 mere end 100 unaturlige aminosyrer (UAAs) blevet indarbejdet i forskellige proteiner. 1-3 Blandt disse UAAs har de aminosyrer indeholdende bioorthogonal funktionelle grupper blevet grundigt undersøgt og repræsenterer den største andel. De bioorthogonal funktionelle grupper anvendes i UAAs omfatter keton, 4 azid, 5 alkyn, 6 cyclooctyne, 7 tetrazin, 8 α, β-umættede amid, 9 norbonene, 10 transcyclooctene, 11 og bicyclo [6.1.0] -nonyne. 11 Selv om hver funktionel gruppe har sine fordele og ulemper, har azidet-holdige aminosyrer er mest udbredt anvendt for protein konjugering. p -Azidophenylalanine (AF), en af azido-holdige aminosyrer, er let tilgængelige, og dets inkorporering effekiency er fremragende. Mutantproteiner indeholdende denne aminosyre kan omsættes med alkyner af kobber-katalyseret cycloaddition eller med cyclooctynes ​​efter SPAAC. 12-20

For nylig er biopharmaceuticals tiltrukket stor opmærksomhed i den farmaceutiske industri. Den Antistoflægemiddelkonjugat (ADC) er en klasse af terapeutiske antistoffer, der er fordelagtige på grund af deres evne til målrettet terapi til behandling af humane cancere 21 og andre sygdomme. Mere end 50 ADCs er i øjeblikket i kliniske forsøg, og antallet er hastigt stigende. I udvikling af ADC'ere, skal overvejes for at maksimere effektiviteten og minimere bivirkningerne af mange faktorer. Blandt disse faktorer, at en effektiv og stedspecifik konjugering reaktion danner en kovalent binding mellem et antistof og et lægemiddel er kritisk. Den ønskede effektivitet og specificitet i konjugeringsreaktionen kan opnås ved konjugation med en bioorthogonal funktionel gruppe i enunaturlig aminosyre, som er specifikt inkorporeret i et antistof. 22-26 Her rapporterer vi en protokol til site-specifikt indarbejde AF ind et antistoffragment og konjugere det mutante antistoffragment med en biokemisk probe.

Protocol

1. Plasmid Construction Konstruer et ekspressionsplasmid (pBAD-HerFab-L177TAG), der ville udtrykke målet antistof-genet (pBAD-HerFab-WT) med et His 6 -tag, og erstatte den codon for leucin-177 med den gule codon (TAG) 27, ved hjælp af konventionel site-directed mutagenese teknik. Se tabel of Materials. Konstruere en anden ekspressionsplasmidet (pEVOL-AFRS) indeholdende generne for den udviklede tRNA Tyr og aminoacyl-tRNA-syntetase (Aars) par…

Representative Results

I denne undersøgelse et antistoffragment var stedspecifikt konjugeret med en fluorofor ved at inkorporere et azid-indeholdende aminosyre i fragmentet og omsætning af mutant antistoffragment med en anstrengt cyclooctyne (figur 1). HerFab blev valgt som mål-antistoffragment, hvori AF blev inkorporeret som et azid-indeholdende aminosyre. For at vælge resten i HerFab til udskiftning med AF, blev X-ray krystalstruktur HerFab analyseret. 30 Vigtige krav ti…

Discussion

Den genetiske inkorporering af unaturlige aminosyrer i proteiner har adskillige fordele frem for andre metoder, der anvendes for protein modifikation. 1-3 En af de vigtige fordele er dens generelle anvendelighed til nogen form for protein. I princippet er der ingen begrænsning i at vælge et målprotein og et målområde af proteinet. udskiftning af et strukturelt eller funktionelt vigtige rest med en ULA, kan dog resultere i at ændre strukturen og funktionen af ​​målproteinet. Generelt er rester, der …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Materials

1. plasmid Construction
plasmid pBAD_HerFab_L177TAG optionally contain the amber stop codon(TAG) at a desired position. Ko, W. et al. Efficient and Site-Specific Antibody Labeling by Strain-promoted Azide-Alkyne Cycloaddition. BKCS. 36 (9), 2352-2354, doi: 10.1002/bkcs.10423, (2015)
plasmid pEvol-AFRS Young, T. S., Ahmad, I., Yin, J. A., and Schultz, P. G. An enhanced system for unnatural amino acid mutagenesis in E. coli. J. Mol. Biol. 395 (2), 361-374, doi: 10.1016/j.jmb.2009.10.030, (2010)
DH10B Invitrogen C6400-03 Expression Host
Plasmid Mini-prep kit Nucleogen 5112 200/pack
Agarose Intron biotechnology 32034 500g
Ethidium bromide Alfa Aesar L07482 1g
LB Broth BD Difco 244620 500g
2. Culture preparation
2.1) Electroporation
Micro pulser  BIO-RAD 165-2100
Micro pulser cuvette BIO-RAD 165-2089 0.1cm electrode gap, pkg. of 50
Ampicillin Sodium Wako 018-10372 25g
Chloramphenicol Alfa Aesar B20841 25g
Agar SAMCHUN 214230 500g
SOC medium Sigma S1797 100ML
3. Expression and purification of HerFab-L177AF
3.1 Expression of Herfab-L177AF
p-azido-L-phenylalanine (AF) Bachem F-3075.0001 1g
L(+)-Arabinose, 99% Acros 104981000 100g
Hydrochloric acid, 35~37% SAMCHUN H0256 500ml
3.2 Cell lysis
Tris(hydroxymethyl)aminomethane, 99% SAMCHUN T1351 500g
EDTA disodium salt dihydrate, 99.5% SAMCHUN E0064 1kg
Sucrose Sigma S9378 500g
Lysozyme Siyaku 126-0671 1g
3.3 Ni-NTA Affinity Chromatography
Ni-NTA resin QIAGEN 30210 25ml
Polypropylene column QIAGEN 34924 50/pack, 1ml capacity
Imidazole, 99% SAMCHUN I0578 1kg
Sodium phosphate monobasic, 98% SAMCHUN S0919 1kg
Sodium Chloride, 99% SAMCHUN S2907 1kg
4. Conjugation of Purified HerFab-L177AF with Alkyne Probes Using Strain-Promoted Azide-Alkyne Cycloaddition (SPAAC) 
Cy5.5-ADIBO  FutureChem FC-6119 1mg
5. Purification of Labeled HerFab
Amicon Ultra 0.5 mL Centrifugal Filters MILLIPORE UFC500396 96/pack, 500ul capacity
6. SDS-PAGE Analysis of Labeled HerFab and Fluorescent Gel Scanning
1,4-Dithio-DL-threitol, DTT, 99.5 % Sigma 10708984001 10g
NuPAGE LDS Sample Buffer, 4X Thermofisher NP0007 10ml
MES running buffer Thermofisher NP0002 500ml
Nupage Novex 4-12% SDS PAGE gels Thermofisher NO0321 12well
Coomassie Brilliant Blue R-250 Wako 031-17922 25g
Typhoon 9210 variable mode imager Amersham Biosciences

Referências

  1. Wang, L., Schultz, P. G. Expanding the genetic code. Angew. Chem. Int. Ed. 44 (1), 34-66 (2004).
  2. Wu, X., Schultz, P. G. Synthesis at the interface of chemistry and biology. J. Am. Chem. Soc. 131 (35), 12497-12515 (2009).
  3. Liu, C. C., Schultz, P. G. Adding new chemistries to the genetic code. Annu. Rev. Biochem. 79, 413-444 (2010).
  4. Wang, L., Zhang, Z., Brock, A., Schultz, P. G. Addition of the keto functional groupto the genetic code of Escherichia coli. proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (1), 56-61 (2003).
  5. Chin, J. W., et al. Addition of p-azido-L-phenylalanine to the genetic code of Escherichia coli. J. Am. Chem. Soc. 124 (31), 9026-9027 (2002).
  6. Deiters, A., Schultz, P. G. In vivo incorporation of an alkyne into proteins in Esshcerichia coli. Bioorg. Med. Chem. Lett. 15 (5), 1521-1524 (2005).
  7. Plass, T., Milles, S., Koehler, C., Schultz, C., Lemke, E. A. Genetically encoded copper-free click chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (17), 3878-3881 (2011).
  8. Seitchik, J. L., et al. Genetically encoded tetrazine amino acid directs rapid site-specific in vivo bioorthogonal ligation with transcyclooctenes. J. Am. Chem. Soc. 134 (6), 2898-2901 (2014).
  9. Lee, Y. -. J., et al. A genetically encoded acrylamide fuctionality. ACS Chem. Biol. 8 (8), 1664-1670 (2013).
  10. Lang, K., et al. Genetically encoded norbornene directs site-specific cellular protein labelling via a rapid bioorthogonal raction. Nat Chem. 4 (4), 298-304 (2012).
  11. Lang, K., et al. Genetic encoding of bicyclononynes and trans-cyclooctenes for site-specific protein labeling in vitro and in live mammalian cells via rapid fluorogenic Diels-Alder reactions. J. Am. Chem. Soc. 134 (25), 10317-10320 (2012).
  12. Jewett, J. C., Sletten, E. M., Bertozzi, C. R. Rapid Cu-free click chemistry with readily synthesized biarylazacyclooctynones. J. Am. Chem. Soc. 132 (11), 3688-3690 (2010).
  13. Debets, M. F., et al. Azadibenzocyclooctynes for fast and efficient enzyme PEGylation via copper-free (3 + 2) cycloaddition. Chem. Commun. 46 (1), 97-99 (2010).
  14. Sletten, E. M., Bertozzi, C. R. From mechanism to mouse: a tale of two bioorthogonal reactions. Acc. Chem. Res. 44 (9), 666-676 (2011).
  15. Debets, M. F., et al. Bioconjugation with strained alkenes and alkynes. Acc. Chem. Res. 44 (9), 805-815 (2011).
  16. Mbua, N. E., Guo, J., Wolfert, M. A., Steet, R., Boons, G. -. J. Strain-promoted alkyne−azide cycloadditions (SPAAC) reveal new features of glycoconjugate biosynthesis. ChemBioChem. 12 (12), 1912-1921 (2011).
  17. Kuzmin, A., Poloukhtine, A., Wolfert, M. A., Popik, V. V. Surface functionalization using catalyst-free azide-alkyne cycloaddition. Bioconjug. Chem. 21 (11), 2076-2085 (2011).
  18. Yao, J. Z., et al. Fluorophore targeting to cellular proteins via enzymemediated azide ligation and strain-promoted cycloaddition. J. Am. Chem. Soc. 134 (8), 3720-3728 (2012).
  19. Hao, Z., Hong, S., Chen, X., Chen, P. R. Introducing bioorthogonal functionalities into proteins in living cells. Acc. Chem. Res. 44 (9), 742-751 (2011).
  20. Reddington, S. C., Tippmann, E. M., Jones, D. D. Residue choice defines efficiency and influence of bioorthogonal protein modification via genetically encoded strain promoted Click chemistry. Chem. Commun. 48 (9), 8419-8421 (2012).
  21. Chari, R. V. J., Miller, M. L., Widdison, W. C. Antibody-drug conjugates: an emerging concept in cancer therapy. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (15), 3751-4005 (2014).
  22. Tsao, M., Tian, F., Schultz, P. G. Selective staudinger modification of proteins containing p-Azidophenylalanine. ChemBioChem. 6 (12), 2147-2149 (2005).
  23. Brustad, E. M., Lemke, E. A., Schultz, P. G., Deniz, A. A. A general and efficient method for the site-specific dual-labeling of proteins for single molecule fluorescence resonance energy transfer. J. Am. Chem. Soc. 130 (52), 17664-17665 (2008).
  24. Milles, S., et al. Click strategies for single-molecule protein fluorescence. J. Am. Chem. Soc. 134 (11), 5187-5195 (2012).
  25. Jang, S., Sachin, K., Lee, h. J., Kim, D. W., Lee, h. S. Development of a simple method for protein conjugation by copper-free click reaction and its application to antibody-free Western blot analysis. Bioconjug. Chem. 23 (11), 2256-2261 (2012).
  26. Kazane, S. A., et al. Self-assembled antibody multimers through peptide nucleic acid conjugation. J. Am. Chem. Soc. 135 (1), 340-346 (2012).
  27. Ko, W., et al. Efficient and site-specific antibody labeling by strain-promoted azide-alkyne cycloaddition. Bull. Korean Chem. Soc. 36 (9), 2352-2354 (2015).
  28. Young, T. S., Ahmad, I., Yin, J. A., Schultz, P. G. An enhanced system for unnatural amino acid mutagenesis in E. coli. J. Mol. Biol. 395 (2), 361-374 (2010).
  29. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 72, 248-254 (1976).
  30. Cho, H. S., et al. Structure of the extracellular region of HER2 alone and in complex with the Herceptin Fab. Nature. 421 (6924), 756-760 (2003).
  31. Kolb, H. C., Finn, M. G., Sharpless, K. Click chemistry : Diverse chemical function from a few good reactions. Angew. Chem. Int. Ed. 40 (11), 2004-2021 (2001).
check_url/pt/54922?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kim, S., Ko, W., Park, H., Lee, H. S. Efficient and Site-specific Antibody Labeling by Strain-promoted Azide-alkyne Cycloaddition. J. Vis. Exp. (118), e54922, doi:10.3791/54922 (2016).

View Video