噬菌体抗体库技术综述

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1、噬菌体抗体库技术噬菌体抗体库技术 1.噬菌体抗体库技术概述 2.噬菌体展示系统 3.噬菌体抗体技术的操作 1.1 噬菌体抗体库技术原理 1.2 噬菌体抗体库的分类 1.3 噬菌体抗体库技术的发展关键 2.1 丝状噬菌体生物学 2.2 噬菌体展示所使用的衣壳蛋白 2.3 噬菌粒与辅助噬菌体 2.4 多价展示与单价展示 3.1 抗体可变区基因的获得 3.2 噬菌体抗体库载体的构建 3.3 噬菌体抗体库的筛选 3.4 影响抗体库筛选效率的因素 治疗性抗体的发展经历了异源抗体、人源化抗体和人源性抗体 几个阶段。目前，人源性抗体是治疗性抗体发展的主要方向，而 噬茵体抗体库技术的出现为人源性抗体的制备提供

2、了良好的技术 平台，并且逐渐成为目前获得人源性抗体的主要手段之一。 1.1 噬菌体抗体库技术原理 噬菌体抗体库技术： 聚合酶链反应(PCR)扩增抗体的 全套可变区基因,通过噬菌体表面 展示技术,把Fab段或单链抗体 (ScFv)表达在噬菌体的表面,经过“ 吸附-洗脱-扩增”过程筛选并富集 特异性抗体。 1.1 噬菌体抗体库技术原理 构建的噬菌体抗体库根据其来源可分为2大类，一类为免疫抗体库， 另一类为非免疫抗体库。 免疫抗体库的抗体基因来源于抗原免疫的个体，因此不需要很大的 库容量即可从该类抗体库中筛选到针对某一抗原的特异性抗体。但由于 免疫本身的限制性和偏向性，利用免疫抗体库制备针对弱抗原自

3、身抗原 及具有毒性抗原的抗体均无效,而且某一特定的抗体库只能产生针对特 定抗原的抗体，不能作为一个广泛应用的平台。 1.2 噬菌体抗体库的分类 非免疫抗体库包括天然抗体库、半合成抗体库和全合成抗体库 。 天然抗体库是采用不经过免疫的淋巴细胞构建的抗体库,半合成 抗体库是人工合成一部分可变区序列与另一部分天然序列组合构建 的抗体库,而全合成抗体库是指抗体可变区序列全部由人工合成。 非免疫抗体库的优点是抗体均来源于人类,是完全的人源化抗体,但 亲和力通常较低,除非生成大量的抗体片段。 构建这种抗体库的原始材料是种系的VH和/或VL基因片段或者是重 排的可变区片段,在这里,一个或多个CDR要进行随机

4、重排。在人类的重 链片段中,第一和第二个CDR是由种系编码的,基本上是具有规范结构的 。而CDR3是通过D区和J区组合而成的,具有高度的多样性,长度可以从2 个氨基酸到26个氨基酸不等,是抗体多样性和特异性的决定因素。因而 ,半合成抗体库是指用人工合成长度为58或6一巧个氨基酸的CDR3随机 序列与人胚系可变区基因(含CDRI和CDRZ)重组而成,在体外模拟V(D)J 重排所构建的抗体库。 半合成抗体库 （1）PCR技术的发展 为了大量扩增抗体基因片段，可设计一系列相应引物，根据抗 体中某些序列的相对保守性，利用不同的PCR技术简单有效地扩增 出全套抗体可变区基因。一旦多样的IgV区基因组能够

5、扩增，从噬 菌体抗体库中即能得到针对不同抗原的高亲和力抗体。 1.3 噬菌体抗体库技术的发展关键 （2）利用大肠埃希菌成功分泌有功能的抗体片段 在抗体片段如ScFv和Fab的可变区基因序列的5端加入细菌的信号肽 序列，抗体片段即可分泌到周质腔，并在那里完成折叠，成为有功能的 蛋白质分子。 （3）有效筛选系统的建立 传统的筛选方法使用固相化的纯化抗原，依赖噬菌体颗粒对目的抗原 的亲和力差异来获得较高亲和力的抗体。而目前，可以在体外用完整的 固化哺乳动物细胞原核细胞和组织中的天然抗原筛选噬菌体抗体片段。 1.3 噬菌体抗体库技术的发展关键 2. 噬菌体展示系统 2.1 丝状噬菌体生物学 丝状噬菌体

6、：M13、f1和fd。 单链DNA病毒,6407bp。 基因组编码11种蛋白质，其中5种为结构蛋白质。与展示密切相关的有两种 结构蛋白质。 DNA在细菌内滚环复制，细菌不被裂解，但生长速度减慢，并且分泌大量噬 菌体颗粒 2.1 丝状噬菌体生物学 pIII蛋白结合于E.Coli的F 纤毛; 病毒ssDNA进入细菌的胞浆 合成dsDNA； 以dsDNA为模版合成所有的 病毒蛋白，且通过滚环复制 合成组装病毒所需的ssDNA 。 第一代噬菌体在感染10分钟 后出现在培养液中（37 ）。 感染后1小时内平均每个细 胞分泌1000个噬菌体。 LifeCycleofM13 由于M13噬菌体在增殖期间不裂解

7、宿主菌。简化了噬菌体纯化步骤，只 用简单的PEG沉淀方法就足以将噬菌体与其他所有污染的细胞蛋白分 开。 2.2 噬菌体展示所使用的衣壳蛋白 次要衣壳蛋白pIII 406aa组成，5个拷贝，位于噬菌体的尾部。 由三个功能区组成： N1穿膜区：作用于E.coli细胞膜上的TolA 蛋白；与噬菌体的入侵有关。 N2受体结合区：负责结合F菌毛。 CT疏水区：组装前黏附在细菌内膜上； 与噬菌体组装终止有关。 G1、G2:甘氨酸片段，在感染过程中，增 加各个功能域之间的灵活性。 主要衣壳蛋白pVIII 每个病毒子含约2700个拷贝 ，约10%能有效地融合外源多肽或 蛋白。 以pIII融合子方式表达的多肽是

8、 低价的，而以pVIII融合子方式表 达的多肽则是高价的（每个病毒 子200个拷贝）。 这种高价pVIII展示所增加的 亲和力有利于筛选到亲和力非常 低的配体，而低价pIII展示则将 筛选限制在具有较高亲和力的配 体上。 所有Ph.D.文库都是pIII融合 方式（每个病毒子展示5个拷贝的 外源多肽）。 pIII蛋白展示和pVIII蛋白展示有什么不同? pVIII展示的多肽比较小，如果太大会影响噬菌体壳蛋白的组装。 pIII只要不影响感染，可以展示300aa的多肽。 噬菌质粒能展示的蛋白已经达到86kDa。 丝状噬菌体展示系统一般是在包膜蛋白pIII或pVIII的N端融合外源多肽。 每个 病毒子

9、含个拷贝的pIII蛋白，这五个蛋白都可以融合短肽而不影响 噬菌体的感染力。 拷贝数不同。 2.3 噬菌粒与辅助噬菌体 通常用于噬菌体展 示的载体有两类：即噬 菌体载体和噬菌粒载 体。 由于噬菌粒载体 具有基因组较小、易 于操作、可插入的片 段较大、转化效率 高、产生的重组体更 加稳定等优点，目前 最常用的就是噬菌粒 载体。 正常情况下大肠杆 菌表达的蛋白并不排出 体外，需要前导肽,引导 蛋白穿膜，并且在后来 被剪切掉。 IPTG可以诱导lac 操纵子启动转录 SacI:GAGCTC XbaI:TCTAGA XhoI:CTCGAG SpeI:ACTAGT Helperphage：提供噬菌体质 粒

10、复制、合成ssDNA和病毒包 装所需要的所有蛋白和酶。如 果没有Helperphage，噬菌粒 就像质粒一样进行扩增。 包装后的噬菌体含有两种不同 来源的成分：噬菌体质粒和 Helperphage。 使用野生型辅助噬菌体会导致 噬菌体污染,使得仅有很少部分 子代噬菌体带有抗体片段。 当有噬菌质粒时，由于噬菌质 粒含有野生型M13或者f1复制 起始点，因此，单链噬菌质粒 的DNA会被优先包装并分泌。 Helperphage 2.4 多价展示与单价展示 使用多价展示还是单价展 示的选择与载体类型的选 择有关。带有噬菌体正常 启动子的普通噬菌体载体 一般会形成多价展示。 用噬菌体质粒时，以pIII展

11、 示为例：10%病毒展示为 单价，非常少量的展示为两 个拷贝，绝大多数只展示 野生型pIII。 多价展示会无法鉴定出筛选中亲和性最高的克隆，因为多价位会使弱结合性 克隆具有高表观亲和性。单价展示可以保证基于单纯亲和性的筛选。反过来，在 一些初始候选者的结合性非常低的应用中（如与一个给定靶标结合的多肽的从头 筛选），多价位增加了分离出稀少的及弱结合性的克隆的机会。在这样的项目中 ，一个常用的实验策略就是以多价展示开始，然后当被展示多肽的亲和性成熟时 ，转为单价展示。 3. 噬菌体抗体技术的操作 3.1抗体可变区基因的获得 构建一个噬菌体抗体库,首先必须克隆出B细胞内抗体的全套可变区基因。 考虑到

12、高亲和力抗体筛选所需要的步骤和抗体的多样性,选用淋巴结细胞建库是 比较好的。 目前,获得可变区基因的途径主要有2个: 一是从基因文库中获取可变区基因，但这一过程相当费时,而且由于Ig基因 结构的复杂以及大量非功能性假基因的存在,使得从基因文库中筛选出的阳性基 因并不一定是可变区基因,还需要将功能性和非功能性重排片段区别开来;二是 用PCR法扩增Ig的vH和vL基因,这得益于通用引物的合成并极大地推动了基因 工程抗体的研究。 但用PCR法扩增某些特定位点Ig的v区基因时,必须严格控制PCR反应条件, 以减少非特异性“模板的完整性及浓度高低,引物的设计,退火温度和时间的选 择,循环次数的多少等,均

13、可能影响PCR的结果。 首先提取细胞的总首先提取细胞的总RNA,RNA,经过经过RTRT- - PCRPCR扩增可变区基因扩增可变区基因 酶切酶切轻链轻链PCRPCR产产物和表达载体物和表达载体 二者连接，转入感受态细胞中扩增二者连接，转入感受态细胞中扩增 成为轻链库成为轻链库 重链的重链的PCRPCR产物产物 酶切酶切 酶切酶切 二者按照一定比例连接二者按照一定比例连接 转化入感受态细胞转化入感受态细胞 加入噬菌体加入噬菌体 收集噬菌体颗粒收集噬菌体颗粒噬菌体总抗体库噬菌体总抗体库 3.2 噬菌体抗体库载体的构建 单链抗体(ScFv)表达在噬菌体的表面 3.3噬菌体抗体库的筛选 （1）亲和筛

14、选 亲和筛选分为直接法和间接法。直接法是将蛋白质分子偶联到 固相支持物上,文库噬菌体与固相支持物温育,洗去未结合的噬菌体, 即获得亲和噬菌体。 间接法是将生物素标记的蛋白质分子与文库噬菌体温育后铺在 结合有链亲和素的平皿上,洗去未结合的噬菌体,保留得到的结合状态 的噬菌体。改变洗脱条件洗脱结合的噬菌体,用这部分噬菌体感染细 菌,扩增后进行下一轮的筛选,通过反复几次筛选即可得到高亲和力的 抗体。 （2）细胞筛选 亲和筛选技术的前提条件是所针对抗原的性质明确,且可获得纯品。 对于无法提纯或性质不确定的抗原(如癌细胞表面受体或某种组织、细 胞表面,以及在特殊分化或疾病诱导状态下细胞表面的新型标志物)

15、,亲和 筛选方法就不再适用。 将阳性抗原细胞用荧光素或生物素标记后与阴性抗原细胞混合,再加 入抗体库温育,最后通过流式细胞术或磁珠分离。 用细胞系从单链抗体库中筛选出了与细胞表面受体结合的噬菌体抗 体。但细胞筛选在应用中仍存在一定难度,表现为非特异性大、背景值 高、洗涤过程中特异性配体损失等。这主要由于细胞膜表面成分极其复 杂,有许多蛋白、糖类、脂类结构,非特异性噬菌体抗体结合到细胞表面 的几率更大,且膜表面抗原密度很低,很难获得针对某一抗原的单链抗 体。 （3）体内筛选 体内筛选适用于无法分离培养用于筛选的细胞,或抗体与体 内细胞间的相互作用过于复杂无法在体外实现的情况。使用体内 筛选时将噬

16、菌体抗体库注射入动物机体,回收动物器官分离抗体, 再经过多轮的筛选,扩增,纯化得到目的抗体。但由于该方法涉及 体内的多种生物学过程,影响因素多且无法预测,成功率低,还有待 于进一步的发展。 3.4影响抗体库筛选效率的因素 （1）库容量 通常筛选库容量较小的抗体库(E7E8)时,在前几轮采用中等的严谨度有利于避免高亲 和性低表达的克隆的丢失,而对较大的抗体库的筛选,则可采用较高的严谨度以便较快地富 集亲和性克隆。 （2）去污剂 在结合或清洗Buffer中添加去污剂（通常是Tween-20）能降低噬菌体与靶分子和/ 或封阻试剂BSA之间的非特异性相互作用。最初几轮淘选中用较低浓度的Tween会增加洗 脱物滴度，然后每轮逐渐增加Tween浓度（最大可到0.5%）来逐步提高选择的严格性。 用0.5%恒定Tween浓度和逐步增加的Tween浓度（0.1,0.3,0.5%）分别进行三轮淘选，获 得了相同的共有序列。当所研究的相互作用特异性比较强，以至于最初几轮淘选洗脱物的 滴度（即：可结合序列的数目）可能会非常低时，建