Erstellen hochspezifischer chemisch induzierter Proteindimerisierungssysteme durch schrittweise Phage-Auswahl einer kombinatorischen Single-Domain-Antikörperbibliothek
Summary
Die Schaffung chemisch induzierter Proteindimerisierungssysteme mit gewünschter Affinität und Spezifität für einen bestimmten kleinen Molekülligand hätte viele biologische Sensor- und Betätigungsanwendungen. Hier beschreiben wir eine effiziente, verallgemeinerbare Methode zur de novo Engineering von chemisch induzierten Dimerisierungssystemen durch die schrittweise Auswahl einer phagenangezeigten kombinatorischen Ein-Domänen-Antikörperbibliothek.
Abstract
Protein-Dimerisierungsereignisse, die nur in Gegenwart eines kleinmolekularen Ligands auftreten, ermöglichen die Entwicklung von kleinmolekularen Biosensoren zur Zerlegung und Manipulation biologischer Bahnen. Derzeit gibt es nur eine begrenzte Anzahl chemisch induzierter Dimerisierungssysteme (CID) und neue Systeme mit gewünschter Empfindlichkeit und Selektivität für bestimmte kleinmolekulare Liganden zu erschaffen, bleibt eine Herausforderung im Bereich der Proteintechnik. Wir beschreiben hier ein Verfahren zum Screening mit hohem Durchsatz, kombinatorial binders-enabled sElection von CID (COMBINES-CID), für die de novo Engineering von CID-Systemen, die auf eine Vielzahl von Liganden anwendbar sind. Diese Methode verwendet die zweistufige Auswahl einer phagenangezeigten kombinatorischen Nanokörperbibliothek, um 1) “Ankerbinder” zu erhalten, die zuerst an einen Voninteresse gebundenen Liganden und dann an 2) “Dimerisierungsbinder” binden, die nur an Ankerbinder-Ligand-Komplexe binden. Zur Auswahl von Ankerbindern wird eine kombinatorische Bibliothek mit über 109 komplementär-bestimmenden Nanokörpern (CDR)-randomisierten Nanokörpern mit einem biotinylierten Liganden abgeschirmt und Treffer mit dem unbeschrifteten Liganden durch Bioschichtinterferometrie (BLI) validiert. Um Dimerisierungsbindemittel zu erhalten, wird die Nanokörperbibliothek mit Ankerbinder-Ligand-Komplexen als Ziel für positives Screening und den ungebundenen Ankerbindern für negatives Screening abgeschirmt. COMBINES-CID ist allgemein anwendbar auf ausgewählte CID-Bindemittel mit anderen Immunglobulin,Non-Immunoglobulin oder computerisch konstruierten Gerüsten, um Biosensoren für den In-vitro- und In-vivo-Nachweis von Medikamenten, Metaboliten, Signalmolekülen usw. zu erstellen.
Introduction
CID-Systeme, bei denen zwei Proteine nur in Gegenwart eines kleinmolekularen Liganden dimerisieren (Abbildung 1), bieten vielseitige Werkzeuge zum Sezieren und Manipulieren von Stoffwechsel-, Signal- und anderen biologischen Wegen1. Sie haben das Potenzial in der biologischen Betätigung, wie die medikamentöse T-Zell-Aktivierung2 und Apoptose3,4, zur Verbesserung der Sicherheit und Wirksamkeit der Adoptiv-T-Zelltherapie gezeigt. Darüber hinaus bieten sie eine neue Methodik für den In-vivo- oder In-vitro-Nachweis von Kleinmolekülzielen. Beispielsweise können CID-Proteine genetisch mit Fluoreszenzreportersystemen (z. B. Fluoreszenzresonanz-Energietransfer (FRET)5 und kreisförmig permutierten fluoreszierenden Proteinen)6 für Echtzeit-In-vivo-Messungen verschmolzen werden oder als Affinitätsreagenzien für Sandwich-Enzym-linked Immunosorbent Assay (ELISA)-ähnliche Assays dienen.
Trotz ihrer breiten Anwendungen stellt die Schaffung neuer CID-Systeme, die von einem bestimmten kleinmolekularen Liganden gesteuert werden können, große Herausforderungen. Etablierte Proteinbinder-Engineering-Methoden einschließlich Tierimmunisierung7, In-vitro-Auswahl8,9und computergestütztes Proteindesign10 können Liganden-Bindungsproteine erzeugen, die über binäre Protein-Liganden-Wechselwirkungen funktionieren. Diese Methoden haben jedoch Schwierigkeiten, einen Liganden-induzierten ternären CID-Komplex zu schaffen. Einige Methoden erzeugen CID, indem sie zwei Liganden chemisch verbinden, die unabhängig voneinander an die gleichen oder unterschiedlichen Proteinebinden 11,12,13,14,15,16 oder sich auf die Auswahl von Bindemittelproteinen wie Antikörpern konzentrieren, die auf bereits bestehende kleine Molekül-Protein-Komplexe abzielen17,18, und somit eine begrenzte Auswahl an Liganden haben.
Wir haben vor kurzem eine combinatorial binders-enabled sWahl der CID (COMBINES-CID) Methode für de novo Engineering von CID-Systemenentwickelt 19. Diese Methode kann die hohe Spezifität der Liganden-induzierten Dimerisierung erhalten (z. B. eine Anker-Dimerisierungsbinder-Dissoziationskonstante, KD (ohne Ligand)/KD (mit Ligand) > 1.000). Die Dimerisierungsssspezifität wird mit Ankerbindern mit flexiblen Bindestellen erreicht, die konforme Veränderungen bei der Ligandenbindung mit sich bringen können, was eine Grundlage für die Auswahl von konform selektiven Bindemitteln bietet, die nur ligaandgebundene Ankerbinder erkennen. Wir demonstrierten einen Proof-of-Prinzip durch die Schaffung von Cannabidiol (CBD)-induzierten Heterodimeren von Nanokörpern, einem 12–15 kDa-Funktionsantikörperfragment aus Kamelid, das ein universelles Gerüst und drei flexible CDR-Schleifen (Abbildung 2)20enthält, die eine Bindungstasche mit anpassungsfähigen Größen für kleinmolekulare Epitope21,22bilden können. Insbesondere sollte die In-vitro-Auswahl einer kombinatorischen Proteinbibliothek kostengünstig und verallgemeinerbar für CID-Engineering sein, da die gleiche hochwertige Bibliothek auf verschiedene Liganden angewendet werden kann.
In diesem Protokoll und Video konzentrieren wir uns auf die Beschreibung der zweistufigen In-vitro-Auswahl und Validierung von Anker- (Abbildung 3A) und Dimerisierungsbindern (Abbildung 3B) durch Screening der kombinatorischen Nanokörperbibliothek mit einer Vielfalt von mehr als 109 unter Verwendung von CBD als Ziel, aber das Protokoll sollte auf andere Proteinbibliotheken oder Kleinmolekülziele anwendbar sein. Das Screening von CID-Bindemitteln dauert in der Regel 6 bis 10 Wochen (Abbildung 4).
Protocol
Representative Results
Discussion
Es ist wichtig, die richtigen Konzentrationen von Eingangs-Phagenbibliotheken für verschiedene Runden der Biopanning zu wählen. Wir begannen in der Regel mit einer Eingabebibliothek von 1012–1013 Phagenpartikeln mit einer Diversität >109,so dass 100–1.000 Kopien jedes Phagenklons im Pull-Down-Test präsentiert werden konnten. Wenn die Phagenkonzentration in einem Bindungstest zu hoch oder zu niedrig ist, steigt die Wahrscheinlichkeit einer unspezifischen Bindung oder des Verlusts p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch den University of Washington Innovation Award (an L.G.), ein Stipendium der U.S. National Institutes of Health (1R35GM128918 to L.G.) und einen Startup-Fonds der University of Washington (zu L.G.) unterstützt. H.J. wurde von einem Stipendium der Washington Research Foundation unterstützt. K.W. wurde von einem Stipendium des University of Washington Institute for Protein Design unterstützt.
Materials
| 1-Step Ultra TMB ELISA substrate solution | Thermo Fisher Scientific | 34029 | |
| Agar | Thermo Fisher Scientific | BP1423-2 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter unit (3 kDa cutoff) | Millipore | UFC900324 | |
| Ampicillin | Thermo Fisher Scientific | BP1760-25 | |
| Bio-Rad Protein Assay Kit II | Bio-Rad | 5000002 | |
| BirA biotin-protein ligase standard reaction kit | Avidity | BirA500 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153-50G | |
| Casein | Sigma-Aldrich | C7078-1KG | |
| CM13 Helper phage | Antibody Design Labs | PH020L | |
| D-(+)-Glucose monohydrate | Alfa Aesar | A11090 | |
| Dynabeads M-280 Streptavidin | Thermo Fisher Scientific | 11205D | |
| DynaMag-2 Magnet | Thermo Fisher Scientific | 12321D | |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | BP120-1 | |
| Fast DNA Ladder | New England Biolabs | N3238S | |
| FastDigest BglI | Thermo Fisher Scientific | FD0074 | |
| Glycerol | Thermo Fisher Scientific | BP229-1 | |
| HiLoad 16/600 Superdex 200 pg | GE Healthcare | 28989335 | |
| HiPrep 26/10 Desalting Column | GE Healthcare | 17508701 | |
| HisTrap-FF-1ml | GE Healthcare | 11000458 | |
| Imidazole | Alfa Aesar | 161-0718 | |
| IPTG | Thermo Fisher Scientific | 34060 | |
| Kanamycin | Thermo Fisher Scientific | BP906-5 | |
| M13 Major Coat Protein Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-53004 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-500G | |
| NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometers | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
| Nunc 96-Well Polypropylene DeepWell Storage Plates | Thermo Fisher Scientific | 260251 | |
| Nunc MaxiSorp | Thermo Fisher Scientific | 44-2404-21 | |
| Octet RED96 | ForteBio | N/A | |
| pADL-23c Phagemid Vector | Antibody Design Labs | PD0111 | |
| PEG-6000 | Sigma-Aldrich | 81260-1KG | |
| Platinum SuperFi DNA Polymerase | Invitrogen | 12351010 | |
| PureLink PCR Purification Kit | Thermo Fisher Scientific | K310001 | |
| QIAprep Spin M13 Kit | Qiagen | 27704 | |
| Recovery Medium | Lucigen | 80026-1 | |
| SpectraMax Plus 384 | Molecular Devices | N/A | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389-1KG | |
| Super Streptavidin (SSA) Biosensors | ForteBio | 18-5057 | |
| Superdex 75 increase 10/300 GL Column | GE Healthcare | 28-9909-44 | |
| T4 DNA Ligase | Thermo Fisher Scientific | 15224-025 | |
| TG1 Electrocompetent Cells | Lucigen | 60502-1 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283-100mL | |
| Trizma Base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| Tryptone | Thermo Fisher Scientific | BP9726-5 | |
| Tween 20 | Thermo Fisher Scientific | BP337-500 | |
| Yeast Extract | Thermo Fisher Scientific | BP1422-2 | |
| Zeba Spin Desalting Column | Thermo Fisher Scientific | 89882 |
References
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