Введение

Фаговый дисплей – это биологическая техника, используемая для изучения взаимодействий между белками, белками и пептидами, а также белками и ДНК, основанная на использовании бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии) для связи белков с кодирующей их генетической информацией. В этой технике ген, кодирующий интересующий белок, встраивается в ген белка оболочки фага, что приводит к тому, что фаг "экспонирует" этот белок на своей поверхности, одновременно содержа ген этого белка внутри. Это обеспечивает связь между генотипом и фенотипом. Белки, экспонируемые фагами, затем можно подвергнуть скринингу на взаимодействие с другими белками, пептидами или последовательностями ДНК, чтобы выявить взаимодействие между экспонируемым белком и другими молекулами. Таким образом, большие библиотеки белков могут быть отбракованы и амплифицированы в процессе, называемом отбором in vitro, который аналогичен естественному отбору. Наиболее часто используемыми бактериофагами в фаговом дисплее являются нитевидные фаги M13 и fd, хотя также применяются фаги T4, T7 и λ.

История

Фаговый дисплей был впервые описан Джорджем П. Смитом в 1985 году, когда он продемонстрировал представление пептидов на нитевидных фагах (длинных, тонких вирусах, инфицирующих бактерии) путем слияния капсидного белка вируса с одним пептидом из набора пептидных последовательностей. В 1990 году Джейми Скотт и Джордж Смит описали создание крупных случайных пептидных библиотек, представленных на нитевидных фагах. Технология фагового дисплея была далее развита и усовершенствована группами в Лаборатории молекулярной биологии (с Грегом Винтером и Джоном Маккафферти), в Исследовательском институте Скриппса (с Ричардом Лернером и Карлосом Барбасом) и в Немецком центре исследований рака (с Фрэнком Брейтлином и Стефаном Дюбелем) для представления белков, таких как антитела, в целях терапевтической белковой инженерии. Смит и Винтер были удостоены половины Нобелевской премии по химии 2018 года за вклад в разработку фагового дисплея. Патент Джорджа Пицценика, датированный приоритетом 1985 года, также описывает создание пептидных библиотек.

Принцип

Как и в случае двухгибридных систем, фаговый дисплей используется для высокопроизводительного скрининга белковых взаимодействий. В случае дисплея нитевидного фага M13, ДНК, кодирующая интересующий белок или пептид, лигируется в ген pIII или pVIII, кодирующий соответственно минорный или мажорный белок оболочки. Иногда используются множественные сайты клонирования, чтобы обеспечить вставку фрагментов во все три возможных рамки считывания, чтобы фрагмент кДНК транслировался в правильной рамке. Затем фаговый геном и гибрид вставной ДНК вводятся (процесс, известный как «трансдукция») в бактериальные клетки *E. coli*, такие как TG1, SS320, ER2738 или XL1 Blue *E. coli*. Если используется вектор «фагемид» (упрощенный вектор для создания дисплея), фаговые частицы не будут высвобождаться из клеток *E. coli* до тех пор, пока они не будут инфицированы вспомогательным фагом, который обеспечивает упаковку ДНК фага и сборку зрелых вирионов с соответствующим фрагментом белка в качестве части их внешней оболочки на минорном (pIII) или мажорном (pVIII) белке оболочки. Иммобилизуя соответствующую ДНК или белок-мишень(и) на поверхности лунки микротитрационной пластины, фаг, отображающий белок, который связывается с одной из этих мишеней на своей поверхности, останется, в то время как остальные удаляются промывкой. Оставшиеся могут быть элюированы, использованы для получения большего количества фагов (путем заражения бактерий вспомогательным фагом) и для создания фаговой смеси, обогащенной соответствующим (т.е. связывающим) фагом. Повторяющиеся циклы этих этапов называются «паннингом», по аналогии с обогащением образца золота путем удаления нежелательных материалов. Фаги, элюированные на последнем этапе, могут быть использованы для заражения подходящего бактериального хозяина, из которого можно собрать фагемиды, а соответствующая последовательность ДНК может быть вырезана и секвенирована для идентификации соответствующих взаимодействующих белков или фрагментов белков. Использование вспомогательного фага можно исключить с помощью технологии «бактериальной упаковочной клеточной линии». Элюирование можно проводить, комбинируя буфер для элюирования при низкой pH с соникацией, которая, помимо ослабления взаимодействия с пептидной мишенью, также способствует отсоединению молекулы-мишени от поверхности иммобилизации. Этот ультразвуковой метод позволяет проводить одностадийный отбор пептида с высокой аффинностью.

Приложения

Применение технологии фагового отображения включает определение белков-партнеров, с которыми взаимодействует данный белок (который используется в качестве иммобилизованной фаговой "приманки" с библиотекой ДНК, состоящей из всех кодирующих последовательностей клетки, ткани или организма), что позволяет определить функцию или механизм действия этого белка. Фаговое отображение также является широко используемым методом in vitro эволюции белков (также известной как белковая инженерия). Таким образом, фаговое отображение является полезным инструментом в разработке лекарственных препаратов. Оно используется для поиска новых лигандов (ингибиторов ферментов, агонистов и антагонистов рецепторов), нацеленных на белки-мишени. Данный метод также применяется для определения опухолевых антигенов (для использования в диагностике и терапевтическом таргетировании) и для поиска взаимодействий между белками и ДНК с использованием специально сконструированных библиотек ДНК с рандомизированными участками. В последнее время фаговое отображение также стало применяться в контексте лечения рака, например, при подходе переноса клеток. В этих случаях фаговое отображение используется для создания и отбора синтетических антител, нацеленных на белки поверхности опухоли. Альтернативные методы in vitro эволюции белков включают дисплей на дрожжах, бактериальный дисплей, дисплей на рибосомах и дисплей мРНК.

Созревание антитела in vitro

Изобретение фагового дисплея антител произвело революцию в разработке лекарственных препаратов на основе антител. Первоначальные работы были проведены в лабораториях Лаборатории молекулярной биологии МРК (Грег Винтер и Джон Маккафферти), Исследовательского института Скриппса (Ричард Лернер и Карлос Ф. Барбас) и Немецкого центра исследований рака (Фрэнк Брайтлинг и Стефан Дюбель). В 1991 году группа из Исследовательского института Скриппса сообщила о первом отображении и селекции человеческих антител на фагах. В этом первоначальном исследовании описывалась быстрая изоляция человеческого Fab-фрагмента антитела, связывающего тетанический токсин, а затем метод был расширен для быстрого клонирования человеческих антител против ВИЧ-1 для разработки вакцин и терапии. Фаговый дисплей библиотек антител стал мощным методом как для изучения иммунного ответа, так и для быстрого отбора и эволюции человеческих антител для терапевтических целей. Позже Карлос Ф. Барбас из Исследовательского института Скриппса использовал фаговый дисплей антител для создания синтетических библиотек человеческих антител, принцип которого впервые был запатентован в 1990 году Брайтлингом и его коллегами (патент CA 2035384), что позволило создавать человеческие антитела in vitro из элементов синтетического разнообразия. Библиотеки антител, отображающие миллионы различных антител на фагах, часто используются в фармацевтической промышленности для выделения высокоспецифичных терапевтических антител-кандидатов для разработки лекарственных препаратов, в основном для лечения рака или воспалительных заболеваний. Одним из наиболее успешных препаратов стал адалимумаб, обнаруженный компанией Cambridge Antibody Technology как D2E7 и разработанный и коммерциализированный компанией Abbott Laboratories. Адалимумаб, антитело к TNF-альфа, стал первым в мире полностью человеческим антителом, достигшим годового объема продаж, превышающего 1 миллиард долларов.

pIII

pIII – это белок, определяющий инфекционность вириона. pIII состоит из трех доменов (N1, N2 и CT), соединенных линкерами, богатыми глицином. Домен N2 связывается с F-пилом во время инфекции вирионом, освобождая домен N1, который затем взаимодействует с белком TolA на поверхности бактерии, и проявляет к нему большую толерантность, чем к pVIII. Однако использование pIII в качестве партнера для слияния может привести к снижению инфективности фага, что вызовет такие проблемы, как отбор в пользу фагов с разной скоростью роста, или, что еще хуже, неспособность фага инфицировать хозяина. Это можно исправить с помощью стратегии Direct Interaction Rescue или добавлением линкера длиной 8-10 аминокислот между кДНК и pIII на C-конце.

pVIII

pVIII является основным белком оболочки фагов Ff. Пептиды обычно присоединяются к N-концу pVIII, а также связано с исключением по размеру, вызванным pIV во время экспорта белков оболочки. Примером является инвертированный искусственный белок оболочки (ACP) Вайсса и Сидху, позволяющий отображать крупные белки на C-конце. Однако, отображение кДНК на фагах всегда ограничено неспособностью большинства прокариот производить посттрансляционные модификации, присутствующие в эукариотических клетках, или неправильным сворачиванием мультидоменных белков. В то время как pVI был полезен для анализа библиотек кДНК, pIII и pVIII остаются наиболее часто используемыми белками оболочки для фагового дисплея. Однако, фаговый дисплей этого белка был успешно осуществлен после добавления периплазматической сигнальной последовательности (pelB или ompA) к N-концу. В недавнем исследовании было показано, что AviTag, FLAG и His могут быть отображены на pVII без необходимости в сигнальной последовательности. Затем экспрессия одноцепочечных Fv (scFv) и одноцепочечных Т-клеточных рецепторов (scTCR) была осуществлена как с сигнальной последовательностью, так и без нее. PelB (аминокислотная сигнальная последовательность, направляющая белок в периплазму, где сигнальная пептидаза отщепляет PelB) повысила уровень фагового дисплея по сравнению с фьюжн-конструкциями pVII и pIX без сигнальной последовательности. Однако, это привело к включению большего количества геномов фагов-помощников, чем геномов фагемидов. Во всех случаях уровни фагового дисплея были ниже, чем при использовании фьюжн-конструкций pIII. Однако, более низкий уровень дисплея может быть более благоприятным для отбора связывающих агентов, поскольку он ближе к истинному моновалентному дисплею. В пяти из шести случаев фьюжн-конструкции pVII и pIX без pelB были более эффективными, чем фьюжн-конструкции pIII в аффинных селекционных тестах. В статье даже утверждается, что платформы pVII и pIX могут превзойти pIII в долгосрочной перспективе. Некоторые белки не могут пройти этот процесс и, следовательно, не могут быть отображены на поверхности Ff-фагов. В этих случаях вместо этого используется фаговый дисплей T7.

Ресурсы и инструменты биоинформатики

Базы данных и вычислительные инструменты для мимотопов играли важную роль в изучении дисплея фагов. Базы данных, программы и веб-серверы широко используются для исключения пептидов, не связанных с целевым объектом, характеристики взаимодействий белков с малыми молекулами и картирования белок-белковых взаимодействий. Пользователи могут использовать трехмерную структуру белка и пептиды, отобранные в эксперименте дисплея фагов, для определения конформационных эпитопов. Некоторые быстрые и эффективные вычислительные методы доступны онлайн.