遗传密码扩展技术被用于在载体蛋白的特定位置引入带有生物正交功能基团的非天然氨基酸。该生物正交功能基团可进一步用于碳水化合物抗原的位点选择性偶联,从而制备均一的糖缀合疫苗。
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遗传密码扩展技术被用于在载体蛋白的特定位置引入带有生物正交功能基团的非天然氨基酸。该生物正交功能基团可进一步用于碳水化合物抗原的位点选择性偶联,从而制备均一的糖缀合疫苗。
遗传密码扩展是一种强大的工具,可用于将非天然氨基酸(UAAs)引入蛋白质,以修饰其特性、研究或创造新的蛋白质功能,或获得蛋白质偶联物。终止密码子抑制技术,特别是琥珀密码子抑制,已成为在特定位点基因编码非天然氨基酸的最常用方法。本文将该方法应用于制备一种携带含有生物正交功能基团的非天然氨基酸的载体蛋白。该反应性基团随后可用于特异性且高效地接枝合成寡糖半抗原,从而制备均一的糖偶联疫苗。本方案限于制备碳水化合物半抗原与载体蛋白比例为1:1的糖偶联物,但可适用于多种生物正交功能基团组合。糖偶联疫苗的均一性是确保其完整理化表征的重要标准,从而满足药品监管机构日益严格的要求,而传统偶联策略难以达到这一标准。此外,本方案可精确调控实际偶联疫苗的结构,为研究结构与免疫原性之间的关系提供有力工具。
糖结合疫苗是可用于传染病预防治疗的疫苗武器库中的重要组成部分。它们安全性高、耐受性良好,适用于包括婴幼儿在内的广泛年龄群体。糖结合疫苗可为由荚膜细菌(如脑膜炎球菌、肺炎球菌或b型流感嗜血杆菌)引起的感染提供最佳防护1。糖结合疫苗由纯化的细菌多糖组成,这些多糖构成细菌的荚膜,或由模拟这些表面表达多糖的合成寡糖组成2,并通过共价键连接至载体蛋白。载体蛋白的存在对于促进针对碳水化合物抗原所表达抗原决定簇的保护性体液免疫应答至关重要3。除了对抗原性碳水化合物抗原的精心筛选与制备外,已知影响糖结合疫苗效力的因素还包括:载体蛋白的性质、偶联化学方法(包括所用连接臂的性质与长度)、以及多糖/蛋白比例3。显然,多糖与蛋白偶联的位置及其连接位点的数量也与免疫原性密切相关。迄今为止,这两个参数的研究仍十分有限,因为糖结合物的制备在很大程度上仍依赖经验性方法。其合成通常依赖于载体蛋白序列中赖氨酸残基的氨基或天冬氨酸/谷氨酸残基的羧基官能团,因此得到的并非单一产物,而是一类结构异质的糖结合物混合物。
利用蛋白质中氨基酸残基的反应性、可及性或分布特性,可获得结构更明确的糖缀合物,从而更可靠地记录糖链/蛋白质连接方式的影响4。实现这一目标的一个进步是应用蛋白质糖链偶联技术,这是一种重组工艺,可在细胞工厂中生产结构可控的糖缀合疫苗5,6。然而,该糖基化仅发生在D/EXNYS/T序列基序内的天冬酰胺残基上(其中X为20种天然氨基酸中的任意一种),而该基序在载体蛋白中并不存在。
位点选择性突变,特别是引入半胱氨酸以利用其高度特异性的反应活性,是一种可行的替代策略7,8在载体蛋白序列中引入非天然氨基酸(UAAs)可为均一性糖缀合疫苗的制备提供更大的灵活性。目前已开发出100多种非天然氨基酸,并已成功整合至多种蛋白质中。9,10许多此类分子含有通常用于进行翻译后修饰的生物正交功能基团。11 或连接生物物理探针12 或药物13 但却是与碳水化合物抗原进一步偶联的理想手柄。Biotech 公司已宣称获得成功案例14 使用无细胞蛋白合成15 但根据这一策略制备糖缀合疫苗仍待普及。
体内策略应用于突变载体蛋白的生产时,需要一种经过改造的翻译机制,该机制包括一个特定密码子、一种识别该密码子的tRNA,以及一种能够特异性催化非天然氨基酸(UAA)连接到tRNA上的氨酰-tRNA合成酶(aaRS)(图1)16。吡咯赖氨酸琥珀终止密码子抑制技术是目前最广泛使用的非天然氨基酸插入方法之一,尤其适用于插入丙炔基赖氨酸(PrK)17。后者可进一步与叠氮功能化的碳水化合物半抗原发生反应,从而生成结构明确且均一的糖缀合物。在本研究中,我们描述了如何合成携带炔基官能团的丙炔基-L-赖氨酸这一非天然氨基酸,如何在细菌翻译过程中将其引入目标蛋白,以及最终如何利用点击化学方法实现修饰蛋白与含叠氮基团的半抗原之间的偶联反应。
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1. 非天然氨基酸(UAA)丙炔基赖氨酸(PrK)的合成
2. 由PrK修饰的重组蛋白的制备
3. 通过TEV蛋白酶消化去除组氨酸标签
4. 评估非天然氨基酸丙炔基赖氨酸在点击化学中的可及性与功能性
注意:使用 Presolski 等人20描述的点击化学方法,将 mPsaA 与 6-己氯荧光素叠氮化物进行偶联。
5. 通过点击化学将 mPsaA 与叠氮功能化碳水化合物抗原(Pn14TS-N3)偶联
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在本项目中,采用琥珀终止密码子抑制策略制备了一种均一的糖偶联疫苗,以在特定位点引入一个非天然氨基酸(UAA)图1)。选择肺炎球菌表面黏附素A作为载体蛋白组分。该蛋白在所有肺炎球菌菌株中高度保守且均有表达。 肺炎链球菌22它具有强免疫原性,既往曾用作肺炎球菌疫苗制剂中的载体。21,23作为概念验证,野生型产吡咯赖氨酰-tRNA合成酶(PylRS)/tRNA配对能够高效地将非天然氨基酸丙炔基赖氨酸(propargyl-lysine)加载到tRNA上 Methanosarcina mazei 进行了研究。丙炔基赖氨酸可商业获得,但也可由Boc-L-赖氨酸通过仅两步合成反应优势性地制备(图2)。在含有目标基因的 pET24d 质粒中,于特定位点引入了一个琥珀密码子...
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定点突变是一种简单直接的策略,可将特定氨基酸引入蛋白质的指定位置,但该方法在制备糖缀合疫苗方面的应用仍十分有限7,8,14经典诱变基于20种天然氨基酸的方法效率很高,因为无需对翻译机制进行改造。通常选择半胱氨酸突变,以进一步探索其独特的巯基反应性,可直接进行或分两步进行例如,经过其修饰形成脱氢丙氨酸中间体后,该策略被称为翻译后诱变27,28遗传密码扩展可能更具吸引力和灵活性,因为它能够直接引入多种具有不同功能的非天然氨基酸9,10虽然多种非天然氨基酸可同时整合到一个蛋白质中29,突变的数量通常较为有限。本文中,我们采用相关的琥珀终止密码子策略,在载体蛋白中...
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作者无任何利益冲突需要披露。
E.C. 感谢法国卢瓦尔河地区大区政府(Pari Scientifique 计划"BioSynProt")提供的财政支持,特别是为 T.V. 提供的博士奖学金。我们还感谢法国图卢兹国立农业研究院(INRA UMR0792,CNRS UMR5504,LISBP)的 Robert B. Quast 博士提供的宝贵技术指导。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 自诱导培养基(autoinductif medium, AIM) | 福麦迪姆 | AIMLB0210 | 固体粉末 |
| Boc-Lys-OH | Alfa-Aesar | H63859 | 固体粉末 |
| BL21(DE3) | 默克诺瓦根 | 69450 | E. coli B 株,F 株- ompT gal dcm lon hsdSB(rB-mB-) λ(DE3 [lacI lacUV5-T7p07 ind1 sam7 nin5]) [malB+]中小学(λS) |
| 透析膜 | |||
| DNAseI | |||
| 过滤 0.45 µm | |||
| L-阿拉伯糖 | |||
| 溶菌酶 | |||
| Ni-NTA树脂 | Machery Nagel | Protino | 悬浮于20%乙醇中的Ni-NTA磁珠 |
| Pall 离心装置 | |||
| pET24d-mPsaAK32TAG-ENLYFQ-HHHHHH | 本研究 | 与 pET24d-mPsaA-WT 相同,但在 mPsaA 基因中带有 K32TAG 突变 | |
| pET24d-mPsaA-WT | 本研究 | pET24d 质粒,其中野生型 mPsaA 基因克隆于 BamHI 和 XhoI 限制性酶切位点,后接TEV蛋白酶识别序列和一个His标签6 mPsaA 基因 C 末端的标签并携带卡那霉素抗性基因 | |
| pEVOL 质粒 | Edward Lemke EMBL 惠赠(参考文献19) | 带有p15A复制起点的质粒,包含两份MmPylRS基因(一份受GlnS启动子驱动,另一份受pAra启动子驱动)以及一份tRNA基因CUA 在 ProK 启动子控制下,氯霉素抗性基因 | |
| 丙炔基氯甲酸酯 | Sigma-Aldrich | 460923 | 液体 |
| 超声波破碎仪 | Thermo Fisher | FB120-220 |
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