Кіріспе
Бактериялық дисплей (немесе бактериялық дисплей немесе бактериялық беткі дисплей) – in vitro ақуыздық эволюция үшін қолданылатын ақуыздық инженерия әдісі. Бактерия бетінде көрсетілген полипептидтер кітапханаларын ағын цитометриясы немесе итеративтік іріктеу процедуралары (биопаннинг) арқылы тексеруге болады. Бұл әдіс ақуыздың функциясын оны кодтайтын генмен байланыстыруға мүмкіндік береді. Бактериялық дисплейді қажетті қасиеттері бар мақсатты ақуыздарды табу және жасушаға тән аффиндік лигандтар жасау үшін пайдалануға болады. Бұл жүйе жаңа вакциналар жасау, фермент субстраттарын анықтау және лигандтың мақсатты ақуызына аффиндігін анықтау сияқты көптеген қолданыстарда қолданылады. Бактериялық дисплей көбінесе магниттік белсендірілген жасушаларды сұрыптау (MACS) немесе флуоресценттік белсендірілген жасушаларды сұрыптау (FACS) әдістерімен үйлестіріледі. In vitro ақуыз эволюциясының басқа бәсекелес әдістері – фаг дисплейі, рибосома дисплейі, ашытқы дисплейі және мРН дисплейі. Бактериофаг дисплейі ең көп қолданылатын дисплей жүйесі болып табылады, бірақ техникалық қиындықтар шешілген сайын бактериялық дисплей де кеңінен танылуда. Бактериялық дисплейді FACS-пен біріктірудің артықшылығы – бұл оның нақты уақыт режимінде жұмыс істейтін техника екендігі.
Тарих
Жасушалық дисплей жүйелері алғаш рет 1985 жылы қолданылды, онда пептидтер M13 бактериофагында көрсетілген белоктармен генетикалық түрде біріктірілді. Бактериофаг дисплейі – жиі қолданылатын жасушалық дисплей жүйесі, бірақ көрсетілуі мүмкін белоктардың мөлшерімен шектеулерге ие. 1986 жылы бактериялық дисплей енгізіліп, одан үлкен белоктарды бетке көрсетуге мүмкіндік берді. Бактериялық дисплей жүйелерін алғаш рет Фрейдл және басқалар, сондай-ақ Шарбит және басқалар 1986 жылы енгізді, олар пептидтерді көрсету үшін бактерия бетіндегі OmpA және LamB белоктарын пайдаланды. Фрейдл және басқалар линкерлермен байланысты пептидтерді ompA генімен біріктірді, нәтижесінде пептидтер OmpA белоктерінде экспрессияланды. Олар бұл белоктар енді протеиназа K-мен кесілуге ұшырайтынын көрсетті. Ендірілген OmpA емес пептидтер протеиназа K-ның нысанасы болды. Сыртқы пептидтерді енгізу бактерия жасушаларының өсуіне әсер етпеді. Шарбит және басқалар алдымен LamB белгісінің шетелдік пептидтің енуіне "қолайлы" (яғни белоктың толыққанды функционалдығын жоғалтпайтын) аймақтарын анықтады. Содан кейін олар тримерлік сыртқы мембрана порларының беткі бетінде орналасқан қолайлы орындардың (өлшем шектеулері, эпитоптың сипаты) әмбебаптығын зерттеді, мақсаты – көпвалентті тірі бактериялық вакциналарды әзірлеу (12 15). Бұл жасуша бетінде белоктарды экспрессиялау үшін бактериялық дисплей техникаларын қолданудың алғашқы дәлелі болды, бұл жасушаның функциясын өзгертпестен мүмкін болды.
Принцип
Пептидтер емдік және диагностикалық заттар ретінде өте пайдалы. Олардың қолданылуы кеңейіп келеді, ал дисплей жүйелері пептидтерді жасау және олардың байланысу қабілетін оңтайландырудың тиімді жолын ұсынады. Жасушалар беткі ақуыздарды экспрессиялайды, олар басқа жасушаларды тану, басқа жасушалармен өзара әрекеттесу және жасуша сигнализациясы сияқты көптеген жауаптарға қатыса алады. Көптеген бактерия түрлерінде жасуша бетіндегі ақуыздар болады, мысалы, энтеропатогенді E. coli intimin ақуызы, ол жасушаларға байланысуға қатысады, немесе E. coli жасушаларының OmpA ақуызы, ол сыртқы мембрана құрылымын сақтауда маңызды. Көптеген беткі ақуыздар бактериялық жасушалардың жабысуына және жасуша ішіне енуіне қатысады. Бактериялық дисплейді пайдалану арқылы жасушадағы мақсатты ақуыздарды анықтауға болады. Бұл беткі ақуыздар алдымен цитоплазмадан бактериялық жасуша мембранасына, яғни жасуша бетіне көшірілуі керек. Грам-теріс бактерияларда қосымша периплазмалық кеңістік бар, ал Грам-оң бактерияларда мұндай кеңістік жоқ, сондықтан олардың ақуыздарды тасымалдауы қиын. Бактериялық жасуша бетінде гетерологты ақуыздарды көрсету үшін әдетте ақуызды беткі ақуызбен біріктіру қажет, оны эскафолд деп атайды.
Ескі тірек
Бактериялық жасуша бетінде гетерологты ақуызды көрсету үшін эскафолдтар қолданылады. Сыртқы мембрана ақуыздары, фимбриялар/флагеллалар ақуыздары және CPX (циркулярлы пермутацияланған OmpX) сияқты әртүрлі эскафолдтар пайдаланылған. CPX эскафолды эскафолдтың екі шетінде де пептидтерді қосуға мүмкіндік береді. ОМП бактериялық дисплей үшін жиі қолданылатын эскафолдтар. Ақуыздарды автотранспортерлерді пайдалану арқылы да бактериялық жасуша бетінде көрсетуге болады. Автотранспортерлер V типті секреция жүйесінің бір бөлігін құрайды. Олар әдетте үш доменнен тұрады: N-терминалдағы басшы тізбек; орталық жолаушы домен; C-терминалдағы автотранспортер домені. Гетерологты ақуыз жолаушы доменге енгізіледі. Гетерологты ақуызды біріктірудің тағы бір әдісі – жасуша бетіндегі жіп тәрізді өскіндер болып табылатын фимбриялар/флагеллалармен біріктіру. Көптеген фимбриялар негізінен грам-теріс бактерияларда кездеседі, сондықтан фимбрияларда ақуыздарды көрсету, басқа беттік ақуыздарға қарағанда тиімді, себебі олардың саны аз. Фимбрияларды пайдаланудың кемшілігі – салыстырмалы түрде кішкентай, 10-30 аминқышқылынан тұратын енгізу шегі. Гетерологты ақуыз бактериялық жасуша бетіндегі ақуызбен біріктірілгеннен кейін, эксперименттің мақсатына байланысты ферментке, жасушаға (мақсатты ақуызды экспрессиялейтін) немесе антиденеге (әдетте флуоресценттік таңбаланған) ұсынылады. Содан кейін үлгі FACS кезінде өте тар сұйық ағыны арқылы жарық сәулесінен өтеді, сонда бір уақытта тек бір ғана жасуша өте алады, ал шығарылатын флуоресценция анықталады. Жасушаның мөлшері туралы ақпаратты жарықтың шашырауы арқылы алуға болады және егер гетерологты ақуыз мақсатты ақуызбен/жасушамен байланысса, флуоресценцияның деңгейі артады.
Қолданбалар
Бактериялық беткі дисплейді түрлі қолданулар үшін пайдалануға болады. Оларға аффиниттік негіздегі іріктеу, антидене эпитоптарын іздеу, пептидтік субстраттарды анықтау, жасушаларға байланысатын пептидтерді анықтау және вакцина жасау кіреді.
Туыстыққа негізделген скрининг
Скрининг бактериялық жасуша бетінде көрсетілген гетерологты ақуыздардың нысана ақуыздарына қатысты көрінетін байланыс туыстығын анықтау үшін қолданылады. Бұл әдіс көбінесе FACS-пен үйлестіріледі, ал флуоресцентті емес нысана ақуыз бәсекелесін қосу байланыс аффинитетін дәлірек анықтауға көмектеседі. Бәсекелес қосу нысана ақуыздардың қайта байланысу ықтималдығын төмендетеді, бұл байланыс аффинитетінің дұрыс емеуіне әкелуі мүмкін.
Циклді пептидті байланыстырушылар
Циклдік пептидтер бактериялық жасуша бетінде табысты көрсетіле алады. ДНҚ-ның кездейсоқ өзгертілуі арқылы, жасуша бетінде миллиондаған циклдік пептидтерді жоғары өнімді FACS арқылы белгілі бір белокқа қарсы скринингтен өткізуге болады.
Антидене эпитоптарының картасы
Антитело эпитоптарының картасы антидененің таңдаулылығын анықтау үшін қолданылады. Эпитоп (антигендердің антителомен байланысатын орны) антигенді кодтайтын геннің бір бөлігін экспрессиялау арқылы бактерия жасушасының бетінде көрініс береді. Эпитопқа байланысатын антидене мөлшерін анықтау үшін флуоресцентті таңбаланған антиденелермен ағын цитометриясы қолданылады.
Пептид субстраттарын анықтау
Бұл протеолиттік ферменттер үшін ең жақсы субстраттарды анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Субстрат бактериялық жасуша бетінде аффиниттік лиганд және қаңқаның арасында көрсетіледі, ал субстраттың протеолизінің кинетикасы FACS арқылы өлшенеді.
Ұяшықты байлайтын пептидтерді анықтау
Бактериялық дисплейді белгілі бір жасушаларға, мысалы, сүт безі қатерлі ісігі жасушаларына немесе дің жасушаларына байланысатын пептидтерді табу үшін пайдалануға болады. Көрсетілген ақуыздар флуоресценттік GFP белгісімен таңбаланады, сондықтан пептидтер мен мақсатты жасушалар арасындағы байланыс ағын цитометриясы арқылы көрінеді. Пептидтердің болмаған жағдайындағы флуоресценция деңгейін өлшеу үшін бақылау үлгілері қажет. Сондай-ақ, көрсетілген пептидтерсіз, бірақ сүтқоректілердің және бактериялардың (оның ішінде қаңқаның) жасушаларын қамтитын үлгілер де қажет.
Вакцинаны жеткізу
Вакцина жеткізу бактериялық беттік көрсетудің өте кең таралған қолданысы болып табылады. Тірі бактериялық вакциналардың екі түрін жасауға болады:
Әдетте патогенді бактериялар әлсіретіліп, енді патогендік қасиеттерін жоғалтады. Патогенді емес, симбиоздық немесе тағамдық бактериялар. Антигендерді бактериялық беттік көрсету арқылы пайдалану дәстүрлі вакцина құрастыруға қарағанда бірнеше себептерге байланысты тиімді балама болып табылады, соның бірі – бактериялық жасуша бетінде өндірілетін ақуыздар адъювант ретінде жақсы әрекет ете алады. Дәстүрлі вакциналарға адъюванттар қосылуы міндетті. Бактериялық көрсету жүйелерін қолдана отырып вакцина жасаудың тағы бір артықшылығы – бүкіл бактериялық жасуша тірі вакцинаға қосылуы мүмкін. Бактериофагтық көрсету жүйелері әдетте вакцина әзірлеуде белгісіз эпитоптарды табу үшін қолданылатын болса, бактериялық көрсету жүйелері белгілі эпитоптарды өндіру үшін және жасушалар вакцина жеткізу жүйесі ретінде қолданылады.
Normally pathogenic bacteria are weakened so they are no longer pathogenic. Commensal or food grade bacteria which are not pathogenic. Using bacterial surface display of antigens is a valuable alternative to conventional vaccine design for various reasons, one of them being that the proteins expressed on the bacterial cell surface can act favourably as an adjuvant. Conventional vaccines require the addition of adjuvants. Another advantage of generating vaccines using bacterial display systems is that the whole bacterial cell can be incorporated in the live vaccine Unlike bacteriophage display systems which are generally used in vaccine development to find unknown epitopes, bacterial display systems are used to express known epitopes and the cells act as a vaccine delivery system.
Фаг дисплейімен салыстыру
Ұқсас жағдайларда бактериялық дисплейленген пептидтерді таңдау, стрептавидин протеинін модельдеуде нашар нәтижелер берді.