Кіріспе

Бактериофагтарды қолдана отырып, белоктарды дамытуға арналған биологиялық техника. Фаг дисплейі – белок-белок, белок-пептид және белок-ДНК өзара әрекеттесуін зерттеуге арналған зертханалық әдіс, ол белоктарды оларды кодтайтын генетикалық ақпаратпен байланыстыру үшін бактериофагтарды (бактерияларды жұқтыратын вирустарды) пайдаланады. Бұл әдісте қызығушылық тудыратын белокты кодтайтын ген фагтың қабықша белок геніне енгізіледі, бұл фагтың белокты сыртында "көрсетуіне" және ішінде белокты кодтайтын генді ұстауына себеп болады, нәтижесінде генотип пен фенотип арасында байланыс орнатылады. Фагтар көрсетіп тұрған белоктарды басқа белоктармен, пептидтермен немесе ДНК тізбектерімен өзара әрекеттесуді анықтау үшін скринингтен өткізуге болады. Осылайша, үлкен белок кітапханаларын скринингтен өткізіп, in vitro іріктеу деп аталатын процесте күшейтеді, бұл табиғи іріктеуге ұқсас. Фаг дисплейінде ең көп қолданылатын бактериофагтар – M13 және fd жіп тәрізді фагтар, бірақ T4, T7 және λ фагтары да қолданылған.

Тарих

Фаг дисплейін алғаш рет Джордж П. Смит 1985 жылы сипаттады, ол бактерияларды жұқтыратын ұзын, жіңішке вирустар болып табылатын филаментті фагтарда пептидтерді көрсетуді, вирус капсид ақуызын пептидтік тізбектер жиынтығынан алынған бір пептидке біріктіру арқылы көрсетті. 1990 жылы Джейми Скотт пен Джордж Смит филаментті фагтарда көрсетілген үлкен кездейсоқ пептид кітапханаларын жасауды сипаттады. Фаг дисплейі технологиясын Грег Винтер мен Джон Маккаффертидің Молекулалық биология зертханасындағы топтар, Ричард Лернер мен Карлос Барбаспен Скриппс зерттеу институты және Франк Брейтлинг пен Стефан Дюбельмен бірге Германияның Қатерлі ісіктерді зерттеу орталығы терапиялық белок инженериясы үшін антиденелер сияқты ақуыздарды көрсету мақсатында одан әрі дамытып, жетілдірді. Смит пен Винтер 2018 жылғы химия саласындағы Нобель сыйлығының жартысын ортақ алып, фаг дисплейін дамытуға қосқан үлесі үшін марапатталды. Георгий Пицзениктің 1985 жылғы басымдық құқығын талап ететін патенты да пептидтік кітапханаларды жасауды сипаттайды.

Принцип

Екі гибридтік жүйе сияқты, фаг дисплейі де белоктардың өзара әрекеттесуін жоғары өнімділікпен тексеру үшін қолданылады. M13 талшықты фаг дисплейі жағдайында, қызығушылық тудыратын белок немесе пептидті кодтайтын ДНК, тиісінше кіші немесе үлкен қабық белоктарын кодтайтын pIII немесе pVIII геніне қосылады. Фрагменттердің барлық үш мүмкін оқу тізбегіне енгізілгенін қамтамасыз ету үшін кейде бірнеше клондау орындары қолданылады, осылайша кДҚ фрагменті дұрыс тізбекке аударылады. Фаг гені мен енгізілген ДНК гибриді кейін E. coli бактериялық жасушаларына (TG1, SS320, ER2738 немесе XL1 Blue E. coli) енгізіледі ("трансдукция" деп аталатын процесс). Егер "фагемид" векторы қолданылса (жеңілдетілген дисплей конструкциялық векторы), фаг бөлшектері E. coli жасушаларынан көмекші фагпен жұқтырылғанға дейін шығарылмайды, бұл фаг ДНК-сын жинауға және тиісті белок фрагментімен сыртқы қабығының бөлігі ретінде кіші (pIII) немесе үлкен (pVIII) қабық белоктарына вириондарды құрастыруға мүмкіндік береді. Микротитрлік пластинканың бетіне тиісті ДНК немесе белок нысандарын бекіту арқылы, оның бетінде сол нысандардың біріне байланысатын белокты көрсеткен фаг қалады, ал қалғандары жуу арқылы алынады. Қалған фагтарды элюциялау арқылы көбірек фагтарды (көмекші фагтармен бактериялық жұқтыру арқылы) және тиісті (яғни байланысатын) фагтармен байытылған фаг қоспасын өндіруге болады. Бұл қадамдардың қайталануы "панировка" деп аталады, бұл алтынды қажетсіз материалдарды алып тастау арқылы байытуға ұқсас. Соңғы қадамда элюцияланған фагтарды қолайлы бактериялық жасушаны жұқтыру үшін пайдалануға болады, одан фагемидтерді жинап, тиісті ДНК тізбегін бөліп алып, оны тізбектеп, өзара әрекеттесетін белоктарды немесе белок фрагменттерін анықтауға болады. Көмекші фагтарды қолдануды "бактериялық қаптамалау жасушалық желісі" технологиясын пайдалану арқылы болдырмауға болады. Элюцияны төмен pH элюциялық буферді сонификациямен біріктіре отырып жүргізуге болады, бұл пептидтік нысанның байланысын әлсіретуден басқа, нысан молекуласын бекіту бетінен ажыратуға да көмектеседі. Бұл ультрадыбыстық әдіс жоғары туыстық пептидті бір қадамда таңдауға мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Фагты көрсету технологиясының қолданылуына ақуыздың өзара әрекеттесуге қатысатын серіктестерін анықтау кіреді (ақуыздың функциясы немесе оның функциясының механизмін анықтау үшін, бұл ақуыз ДНК кітапханасымен бірге қозғалмайтын фаг "құрылы" ретінде қолданылады, ал кітапхана клетканың, тіндің немесе организмнің барлық кодтау тізбектерін қамтиды). Фагты көрсету сонымен қатар in vitro протеин эволюциясының (протеин инженериясы деп те аталады) кеңінен қолданылатын әдісі болып табылады. Осылайша, фагты көрсету жаңа дәрілерді табуда пайдалы құрал. Ол белоктарды нысанаға алу үшін жаңа лигандтарды (фермент тежегіштерін, рецептор агонистерін және антагонистерін) табуға қолданылады. Бұл техника ісік антигендерін анықтау үшін де қолданылады (диагностика және терапиялық мақсаттарда пайдалану үшін) және арнайы құрылған, кездейсоқ сегменттері бар ДНК кітапханаларын қолданып, ақуыз-ДНК өзара әрекеттесуін іздеу үшін де қолданылады. Соңғы кезде фагты көрсету қатерлі ісіктерді емдеу контекстінде де қолданылып келеді, мысалы, клеткаларды трансплантациялау әдісінде. Мұндай жағдайларда фагты көрсету ісік бетіндегі белоктарды нысанаға алатын синтетикалық антиденелерді жасау және іріктеу үшін қолданылады. In vitro протеин эволюциясының басқа да бәсекелес әдістеріне ашытқы көрсетуі, бактериялық көрсетуі, рибосомалық көрсетуі және мРНА көрсетуі жатады.

Антителоның ин витро жетілуі

Антидене фагтарының табылуы антиденелік препараттарды зерттеуде революция жасады. Алғашқы жұмыстарды МРК молекулалық биология зертханасы (Грег Винтер және Джон Маккафферти), Скриппс зерттеу институты (Ричард Лернер және Карлос Ф. Барбас) және Германияның қатерлі ісіктерді зерттеу орталығы (Фрэнк Брайтлинг және Стефан Дюбель) жүргізді. 1991 жылы The Scripps тобы фагқа жазылған адам антиденелерін алғаш рет көрсетіп, іріктеу туралы хабарлады. Бұл алғашқы зерттеуде тетанус токсиніне байланысатын Fab антиденесінің жылдам оқшаулануы сипатталды, содан кейін әдіс вакцина әзірлеу және терапия үшін адамның ВИЧ-1 антиденелерін жылдам клондау үшін кеңейтілді. Антиденелер кітапханасын фаг арқылы көрсету иммундық жауапты зерттеудің де, терапия үшін адам антиденелерін жылдам іріктеу мен дамытудың да қуатты әдісіне айналды. Карлос Ф. Барбас кейіннен The Scripps Research Institute-те синтетикалық адам антиденелері кітапханасын жасау үшін антидене фаг дисплейін пайдаланды, бұл принцип алғаш рет 1990 жылы Breitling және әріптестерімен патенттелді (патент CA 2035384), соның арқасында синтетикалық әртүрлі элементтерден адам антиденелерін in vitro жасауға мүмкіндік болды. Фадта миллиондаған түрлі антиденелерді көрсеткен антидене кітапханалары фармацевтикалық өнеркәсіпте жоғары ерекшелікке ие терапиялық антиденелерді оқшаулау үшін жиі қолданылады, олар негізінен қатерлі ісікке қарсы немесе қабынуға қарсы терапиялық препараттарға арналған. Ең табыстыларының бірі – адалимумаб, ол Cambridge Antibody Technology компаниясымен D2E7 ретінде табылып, Abbott Laboratories компаниясымен әзірленіп, саудаға шығарылды. ТНФ-альфаға қарсы антидене – адалимумаб – жылдық сатылымы 1 миллиард доллардан асып түсетін әлемдегі алғашқы толыққанды адам антиденесі болды.

pIII

pIII – вирионның жұқпалылығын анықтайтын белок. pIII үш доменнен (N1, N2 және CT) тұрады, олар глицинге бай жалғастырғыштар арқылы байланысқан. N2 домені вирион инфекциясы кезінде F пилусына байланысып, N1 доменін босатады, ол бактерия бетіндегі TolA ақуызымен әрекеттеседі және pVIII-ге қарағанда оған төзімдірек. Дегенмен, pIII-ді қосылу серіктесі ретінде пайдалану фагтың жұқпалылығын төмендетуі мүмкін, бұл фаг өсу жылдамдығының айырмашылығынан туындаған іріктеуге бейімділік сияқты мәселелерге немесе тіпті нашаррақ, фагтың иесін жұқтыра алмауына әкелуі мүмкін. Тікелей өзара әрекеттесуді қалпына келтіру арқылы немесе C-терминалдағы кДНК мен pIII арасына 8-10 аминқышқылдық жалғастырғыш қосу арқылы.

pVIII

pVIII – Ff фагтарының негізгі қабық ақуызы. Пептидтер әдетте pVIII-нің N-терминалына қосылады. Бұл, көбінесе pIV-тің қабық ақуызын экспорттау кезінде туындайтын мөлшерлік шектеумен байланысты. Мысалы, Вейс пен Сидхудың инвертті жасанды қабық ақуызы (ACP) C-терминалда ірі ақуыздарды көрсетуге мүмкіндік береді. Дегенмен, фагтық кДНҚ көрсетілімі, эукариоттық жасушаларда кездесетін посттрансляциялық модификацияларды жасауға көптеген прокариоттардың қабілетсіздігімен немесе көп доменді ақуыздардың дұрыс бүгілуімен шектеледі. pVI кДНК кітапханаларын талдау үшін пайдалы болғанымен, pIII және pVIII фагтық дисплей үшін ең көп қолданылатын қабық ақуыздары болып қалады. Алайда, бұл ақуыздың фагтық көрсетілімі N-терминалына периплазмалық сигнал тізбегін (pelB немесе ompA) қосу арқылы сәтті аяқталды. Жақындағы зерттеуде AviTag, FLAG және His сигнал тізбегінсіз pVII-де көрсетілуі мүмкін екені көрсетілді. Содан кейін бір тізбекті Fv (scFv) және бір тізбекті Т-жасуша рецепторларының (scTCR) экспрессиясы сигнал тізбегімен де, одан без де экспрессияланды. PelB (аминқышқыл сигнал тізбегі, ол ақуызды периплазмаға бағыттайды, онда сигнал пептидазасы PelB-ді бөліп шығарады) сигнал тізбегінсіз pVII және pIX бірігулерімен салыстырғанда фагтың көрсетілу деңгейін жақсартты. Алайда, бұл фагемид геномдарына қарағанда көбірек көмекші фаг геномдарының енуіне әкелді. Барлық жағдайларда фагтың көрсетілу деңгейі pIII бірігулерінен төмен болды. Дегенмен, төменгі көрсетілу байланыстарды іріктеу үшін артық болуы мүмкін, себебі төменгі көрсетілу шынайы моновалентті көрсетілуге жақын. Алты жағдайдың бесеуінде афинитеттік іріктеу сынақтарында pelB-сыз pVII және pIX бірігулері pIII бірігулерінен тиімдірек болды. Мақалада pVII және pIX дисплей платформалары ұзақ мерзімді перспективада pIII-ден артық болуы мүмкін деп айтылады. Кейбір ақуыздар бұл процеске түсе алмайды, сондықтан оларды Ff фагтарының бетінде көрсету мүмкін емес. Мұндай жағдайларда T7 фаг дисплейі қолданылады.

Биоинформатика ресурстары мен құралдары

Мимотоптарға арналған деректер базалары мен есептеу құралдары фагтық дисплейді зерттеуде маңызды рөл атқарды. Деректер базалары, бағдарламалар және веб-серверлер мақсатты емес пептидтерді жою, кішкентай молекулалардың ақуызбен өзара әрекеттесуін сипаттау және ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін картаға түсіру үшін кеңінен қолданылып келеді. Пайдаланушылар ақуыздың үш өлшемді құрылымын және фагтық дисплей экспериментінен іріктелген пептидтерді пайдаланып конформациялық эпитоптарды картаға түсіре алады. Жылдам және тиімді есептеу әдістерінің кейбіреулері онлайн режимінде қолжетімді.