Проблемы создания фаговых библиотек антител и пути их решения

Фаговый дисплей стал эффективной, надежной и востребованной молекулярной техникой для создания библиотек, содержащих миллионы или даже миллиарды клонов, экспонирующих различающиеся пептиды или белки. В основе этого метода лежит соответствие между генотипом и фенотипом фага, обеспечивающее презентацию на поверхности фаговых частиц рекомбинантных белков с известным аминокислотным составом. Использование процедуры аффинной селекции позволяет проводить отбор из фаговых библиотек вариантов, обладающих сродством к различным мишеням. Внедрение технологии фагового дисплея антител имело революционное значение в области клинической иммунологии, как для создания инструментов диагностики инфекционных заболеваний, так и для получения терапевтических агентов. Она стала также основой эффективных и относительно недорогих методов исследования белок-белковых взаимодействий, сайтов связывания рецепторов, идентификации эпитопов и мимотопов. Технология фагового дисплея антител включает в себя ряд этапов, от успешной реализации которых зависит финальный результат. Основа любой библиотеки – разнообразие, природное или полученное при помощи методов комбинаторной химии. Критически важным является подбор молекулярных техник, обеспечивающих сохранение этого разнообразия на этапе получения библиотек фагмид и на этапе трансформации клеток E. coli. После добавления фага-помощника к суспензии трансформированных клеток E. coli происходит формирование библиотеки бактериофагов, которая служит рабочим инструментом для проведения процедуры аффинной селекции и поиска индивидуальных молекул. Несмотря на кажущуюся простоту создания фаговых библиотек антител, существует ряд тонкостей, которые необходимо учитывать. В первую очередь это особенности подготовки фагмидного вектора. 

В настоящее время разработано большое количество фагмидных векторов, и их выбор также имеет большое значение. Ключевым этапом считается подготовка компетентных клеток E. coli и технология их трансформации. Немаловажен выбор фага-помощника и способа его подготовки. Статья посвящена основным проблемам, с которыми сталкиваются исследователи при создании фаговых библиотек антител.

1. Barbas C.F., Kang A.S., Lerner R.A., Benkovic S.J. Assembly of combinatorial antibody libraries on phage surfaces: the gene-III site. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1991;88(18):7978-7982. https://doi.org/10.1073/pnas.88.18.7978

2. Bass S., Greene R., Wells J.A. Hormone phage: an enrichment method for variant proteins with altered binding-properties. Proteins. 1990;8(4):309-314. https://doi.org/10.1002/prot.340080405

3. Brigati J.R., Petrenko V.A. Thermostability of landscape phage probes. Anal. Bioanal. Chem. 2005;382(6):1346-1350. https://doi.org/10.1007/s00216-005-3289-y

4. Chai D., Wang G., Fang L., Li H., Liu S., Zhu H., Zheng J. The optimization system for preparation of TG1 competent cells and electrotransformation. MicrobiologyOpen. 2020;9(7):e1043. https://doi.org/10.1002/mbo3.1043

5. Chasteen L., Ayriss J., Pavlik P., Bradbury A.R. Eliminating helper phage from phage display. Nucleic Acids Res. 2006;34(21):e145. https://doi.org/10.1093/nar/gkl772

6. Chung W.J., Oh J.W., Kwak K., Lee B.Y., Meyer J., Wang E., Hexemer A., Lee S.W. Biomimetic self-templating supramolec ular structures. Nature. 2011;478(7369):364-368. https://doi.org/10.1038/nature10513

7. Dotto G.F., Enea V., Zinder N.D. Functional analysis of bacteriophage f1 intergenic region. Virology. 1981;114(2):463-473. https://doi.org/10.1016/0042-6822(81)90226-9

8. Du D., Zhang R. Application and progress of helper phage in phage display. Microbiology. 2009;36(2):261-266

9. Gao C., Mao S., Lo C.H., Wirsching P., Lerner R.A., Janda K.D. Making artificial antibodies: a format for phage display of combinatorial heterodimeric arrays. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999;96(11):6025-6030. https://doi.org/10.1073/pnas.96.11.6025

10. Gao C.S., Mao S.L., Kaufmann G., Wirsching P., Lerner R.A., Janda K.D. A method for the generation of combinatorial antibody libraries using pIX phage display. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002;99(20):12612-12616. https://doi.org/10.1073/pnas.192467999

11. Hoogenboom H.R., Griffiths A.D., Johnson K.S., Chiswell D.J., Hudson P., Winter G. Multi-subunit proteins on the surface of filamentous phage: methodologies for displaying antibody (Fab) heavy and light chains. Nucleic Acids Res. 1991;19(15):41334137. https://doi.org/10.1093/nar/19.15.4133

12. Ilyichev A.A., Minenkova O.O., Tatkov S.I., Karpishev N.N., Eroshkin A.M., Petrenko V.A., Sandakchiev L.S. Creation of a viable variant of phage M13 by inserting foreign peptide in major coat protein. Doklady AN SSSR = Doklady Biological Sciences. 1989;307(2):481-483 (in Russian)

13. Ishina I.A., Filimonova I.N., Zakharova M.Y., Ovchinnikova L.A., Mamedov A.E., Lomakin Y.A., Belogurov A.A., Jr. Exhaustive search of the receptor ligands by the CyCLOPS (Cytometry Cell-Labeling Operable Phage Screening) technique. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(17):6258. https://doi.org/10.3390/ijms 21176258

14. Kay B., Winter J., McCafferty J. (Eds.). Phage Display of Peptides and Proteins: A Laboratory Manual. N.Y.: Acad. Press, 1996. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-402380-2.X5000-X

15. Krebber A., Bornhauser S., Burmester J., Honegger A., Willuda J., Bosshard H.R., Pluckthun A. Reliable cloning of functional antibody variable domains from hybridomas and spleen cell repertoires employing a reengineered phage display system. J. Immunol. Methods. 1997;201(1):35-55. https://doi.org/10.1016/s00221759(96)00208-6

16. Larocca D., Burg M.A., Jensen-Pergakes K., Ravey E.P., Gonzalez A.M., Baird A. Evolving phage vectors for cell targeted gene delivery. Curr. Pharm. Biotechnol. 2002;3(1):45-57. https://doi.org/10.2174/1389201023378490

17. Ledsgaard L., Kilstrup M., Karatt-Vellatt A., McCafferty J., Laustsen A.H. Basics of antibody phage display technology. Toxins. 2018;10(6):236. https://doi.org/10.3390/toxins10060236

18. Lund P.E., Hunt R.C., Gottesman M.M., Kimchi-Sarfaty C. Pseudovirions as vehicles for the delivery of siRNA. Pharm Res. 2010;27(3):400-420. https://doi.org/10.1007/s11095-009-0012-2

19. Maniatis T., Frisch E., Sambrook J. Molecular Cloning. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1982

20. McCafferty J., Griffiths A.D., Winter G., Chiswell D.J. Phage antibodies: filamentous phage displaying antibody variable domains. Nature. 1990;348(6301):552-554. https://doi.org/10.1038/348552a0

21. Näkelä O., Kaartinen M., Pelkonen J.L., Karjalainen K. Inheritance of antibody specificity V. Anti-2-phenyloxazolone in the mouse. J. Exp. Med. 1978;148(6):1644-1660. https://doi.org/10.1084/jem.148.6.1644

22. O’Callaghan R., Bradley R., Paranchych W. The effect of M13 phage infection upon the F pili of E. coli. Virology. 1973;54(1): 220-229. https://doi.org/10.1016/0042-6822(73)90131-1

23. Pardon E., Laeremans T., Triest S., Rasmussen S.G.F., Wohlkönig A., Ruf A., Muyldermans S., Hol W.G.J., Kobilka B.K., Steyaert J. A general protocol for the generation of Nanobodies for structural biology. Nat. Protoc. 2014;9(3):674-693. https://doi.org/10.1038/nprot.2014.039

24. Parmley S.F., Smith G.P. Antibody-selectable filamentous FD phage vectors: affinity purification of target genes. Gene. 1988; 73(2):305-318. https://doi.org/10.1016/0378-1119(88)90495-7

25. Qi H., Lu H., Qiu H.J., Petrenko V., Liu A. Phagemid vectors for phage display: properties, characteristics and construction. J. Mol. Biol. 2012;417(3):129-143. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2012.01.038

26. Rasched I., Oberer E. Ff coliphages: structural and functional relationships. Microbiol. Rev. 1986;50(4):401-427. https://doi.org/10.1128/mr.50.4.401-427.1986

27. Rondot S., Koch J., Breitling F., Dübel S. A helper phage to improve single-chain antibody presentation in phage display. Nat. Biotechnol. 2001;19(1):75-78. https://doi.org/10.1038/83567

28. Russel M., Kidd S., Kelley M.R. An improved filamentous helper phage for generating single-stranded plasmid DNA. Gene. 1986; 45(3):333-338. https://doi.org/10.1016/0378-1119(86)90032-6

29. Smith G.P. Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface. Science. 1985; 228(4705):1315-1317. https://doi.org/10.1126/science.4001944

30. Smith G.P. Preface (Surface display and peptide libraries. Cold Spring Harbor Laboratory, April 4-7, 1992. Proceedings). Gene. 1993;128(1):1-2. https://doi.org/10.1016/0378-1119(93)90145-s

31. Sokullu E., Soleymani Abyaneh H., Gauthier A.M. Plant/bacterial virus-based drug discovery, drug delivery, and therapeutics. Pharmaceutics. 2019;11(5):211. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics11050211

32. Tu Z., He G., Li K.X., Chen M.J., Chang J., Chen L., Yao Q., Dongping P., Ye H., Shi J., Wu X. An improved system for competent cell preparation and high efficiency plasmid transformation using diff erent Escherichia coli strains. Electron. J. Biotechnol. 2005;8(1):113-120. https://doi.org/10.2225/vol8-issue1-fulltext-8

33. Veronese F.D.M., Willis A.E., Boyerthompson C., Appella E., Perham R.N. Structural mimicry and enhanced immunogenicity of peptide epitopes displayed on filamentous bacteriophage. The V3 loop of HIV-1 gp120. J. Mol. Biol. 1994;243(2):167-172. https://doi.org/10.1006/jmbi.1994.1643

34. Vieira J., Messing J. Production of single-stranded plasmid DNA. Me thods Enzymol. 1987;153:3-11. https://doi.org/10.1016/00766879(87)53044-0