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Research Article
Sean F. Gilmore*1, Wei He*1, Angela C. Evans1, Delia F. Tifrea2, Sukumar Pal2, Brent Segelke1, Sandra K. G. Peters1, B. Dillon Vannest1, Nicholas O. Fischer1, Amy Rasley1, Luis M. de la Maza2, Matthew A. Coleman1,3
1Physical and Life Sciences Directorate,Lawrence Livermore National Laboratory, 2Department of Pathology and Laboratory Medicine,University of California, 3School of Medicine, Radiation Oncology,University of California Davis
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
该协议描述了使用商业的,无细胞的蛋白质表达试剂盒来产生纳米盘中支持的膜蛋白,该膜蛋白可用作亚单位疫苗中的抗原。
亚单位疫苗在安全性、稳定性和标准生产方面比更传统的灭活或减毒全细胞衍生疫苗具有优势。为了获得有效的基于蛋白质的亚单位疫苗,蛋白质抗原通常需要采用天然样构象。这对于膜结合蛋白的病原体表面抗原尤其重要。无细胞方法已成功用于通过纳米脂蛋白颗粒(NLP)的共翻译(通常称为纳米盘)来生产正确折叠的功能膜蛋白。
该策略可用于在脂质结合环境中生产由膜蛋白组成的亚单位疫苗。然而,无细胞蛋白质的生产通常仅限于小规模(<1 mL)。小规模生产中产生的蛋白质量通常足以进行生化和生物物理研究。然而,无细胞过程需要扩大、优化和仔细测试,以获得足够的蛋白质用于动物模型中的疫苗研究。疫苗生产中涉及的其他过程,如纯化、佐剂添加和冻干,需要并行优化。本文报告了表达、纯化和配制膜结合蛋白亚单位疫苗的放大方案的发展。
放大无细胞反应需要使用多种质粒表达载体、脂质选择和佐剂添加来优化质粒浓度和比例,以高水平生产配方纳米脂蛋白颗粒。本文通过表达衣原体主要外膜蛋白(MOMP)来演示该方法,但可以广泛用于其他膜蛋白抗原。抗原有效性可以通过免疫研究在 体内评估 ,以测量抗体的产生,如此处所示。
用于蛋白质无细胞表达的原核或真核裂解物可作为商业产品随时获得,用于合成感兴趣的蛋白质(有关完整综述,请参阅 1)。这些表达系统具有各种规模,并利用来自各种生物体的裂解物,包括 大肠杆菌、烟草植物和哺乳动物培养物。与传统的重组蛋白生产方法相比,无细胞裂解物具有多种优势,包括易于使用和稳定、快速的蛋白质生产。虽然这些方法主要用于生产可溶性蛋白质,但该小组开创了一种用于表达膜蛋白的方法。
这种新方法通过包括编码两种表达蛋白质产物(载脂蛋白和感兴趣的膜蛋白)的DNA对现有的无细胞表达系统进行了微小的修改。表达的载脂蛋白(ApoA1或ApoE4的衍生物)与添加到无细胞裂解物中的脂质相互作用,自发组装(~20nm)NLP。当与感兴趣的膜蛋白共翻译时,NLP和膜蛋白形成可溶性纳米颗粒复合物,其中膜蛋白嵌入NLP脂质双层内。因此,膜蛋白更容易用于下游应用,因为它包含在可溶的离散颗粒中。该方法可以在NLP双层2 内产生功能性寡聚蛋白复合物,并且可以产生亚单位疫苗的抗原成分,随后将其与亲脂性佐剂混合以形成具有共定位抗原和适合 体内 评估的佐剂的纳米颗粒疫苗。
当前的方法是从先前发布的协议3修改而来的。关键修饰集中在无细胞反应的放大和随后蛋白质-NLP 复合物的纯化上。进一步的修饰包括加入称为端粒体的两亲性聚合物,其首先与脂质混合,然后再加入到无细胞反应中。质粒在端胶质和脂质存在下的共同翻译产生端胶质素NLP(tNLP)。端胶质的添加还有助于调节所得tNLP纳米颗粒的大小和单分散性4。该方案专门针对大规模疫苗研究进行了优化,以产生膜结合的亚单位抗原蛋白,衣原体MOMP 5,6。该方法产生与tNLP相关的重组MOMP,以形成高度可溶的MOMP-tNLP复合物,保留MONP寡聚化。典型的 3 mL 放大生产可产生 >1.5 mg 纯化的 MOMP。无细胞产生的MOMP-tNLP适合快速添加佐剂进行体内免疫原性测试。
所有动物研究均在加州大学欧文分校根据机构动物护理和使用委员会制定的指导方针在公共卫生服务(PHS)保证的设施中进行。
1. 玻璃器皿制备
注意:用于生产动物疫苗级配方的所有材料均不含内毒素。
2. 缓冲液制备
3. 反应制备
4. 用于亚单位疫苗制剂的 MOMP-tNLP 的无细胞生产
5. 单核糖核素纯化
第6章 SDS-PAGE的分析
注意:所有洗脱级分都应通过SDS-PAGE进行分析,以筛选目标蛋白质的数量和纯度。
7. 蛋白质和点印迹和储存
8. 内毒素评估
9. 冻干
10. 佐剂添加
注意:这些和其他类似的基于NLP的亚单位疫苗制剂可以很容易地加入亲脂性佐剂,如CpG-ODN1826和FSL-1。CpG-ODN1826是一种修饰的B类CpG寡核苷酸(5'-tccatgacgttcctgacgtt-3'),具有完整的硫代磷酸骨架,具有5'胆固醇部分(5'-chol-C6)。CpG-ODN1826与tNLP的偶联是由tNLP的胆固醇部分和磷脂双层之间的疏水相互作用介导的,并且已经得到证明和很好的表征,如先前报道的9,10。
11. 血清检测
从1 mL无细胞反应中纯化MOMP-tNLP的Ni亲和纯化的SDS-PAGE图如图 1B所示。该反应导致MOMP和Δ49ApoA1蛋白的高表达水平。先前的结果表明,在DMPC和端胶质存在下,Δ49ApoA1的无细胞表达导致端胶质纳米脂蛋白颗粒(tNLP)的形成4。MOMP与Δ49ApoA1的共洗脱表明MONP与tNLP相关,因为His标签仅存在于tNLP支架Δ49ApoA1上,而不存在于MOMP上。MONP是一种高度不溶性的蛋白质,只能通过与tNLPs络合来洗脱,tNLP已被证明可以促进膜蛋白的溶解。
按照制造商的蛋白质定量说明,合并含有MOMP-tNLP的洗脱级分,并使用基于荧光的定量设备或通过280nm吸光度测量浓度的装置测定总蛋白质浓度。为了允许MOMP疫苗的精确剂量,确定纯化复合物中MONP的浓度也很重要。我们开发了一种基于凝胶密度测定法的MONP定量方法(图2),其中使用已知浓度的纯化重组MONP作为标准品。通过建立标准曲线并将其与MOMP-tNLP样品进行比较,可以准确定量MONP浓度。纯化样品中MONP浓度的测定能够估计各种规模的无细胞反应中MONP的产率,这对于规划适合下游研究的反应设置非常重要(表3)。
MOMP需要形成低聚物以引发强大的免疫反应11。为了测试MOMP的低聚状态,在存在和不存在热量和还原剂二硫苏糖醇(DTT,50mM, 图3A)的情况下分析MOMP-tNLP。当样品未经过热处理和DTT处理时,通过SDS-PAGE鉴定了MONP的高阶低聚物。相比之下,在DTT存在下用热处理的样品在凝胶上主要显示两个不同的条带,对应于MOMP和Δ49ApoA1(分别约为40 kDa和22 kDa)。这些结果与MOMP低聚物形成的凝胶条带模式非常相似,这对其有效性至关重要。
使用MAb40(一种针对MONP蛋白可变结构域上的线性表位的抗体)进行的进一步蛋白质印迹分析显示出类似的条带模式,证实了MOMP蛋白在其非变性状态下形成的低聚物(图3B)。影响MOMP低聚物形成的一个重要因素是无细胞反应设置过程中MOMP质粒和Δ49ApoA1质粒之间的比率。 表4 列出了质粒的比例和由此产生的MOMP插入tNLP的速率。先前的研究表明,衣原体MOMP和其他外膜蛋白可能主要以三聚体形式存在12。为了在无细胞反应中最大化三聚体的形成,希望每个NLP的插入速率接近三个MOMP蛋白,这对应于~25:1的MOMP与Δ49ApoA1质粒比。
斑点印迹测定被用作检测MOMP和tNLP存在的更简化的方法。MAb40抗体用于检测总MOMP。靶向tNLP的Δ49ApoA1支架上的His标签的MAbHIS抗体用于评估tNLP的存在。MAb40和MAbHIS抗体的共信号传导表明MOMP-tNLP形成。对照反应产生空的tNLP,仅显示来自MAbHIS的阳性信号(图3C)。为了测试在无细胞反应中产生的MOMP-tNLP的免疫原性,我们用CpG + FSL-1佐剂MOMP-tNLP,并在如上所述的初免增强方案中肌内注射(i.m.)到小鼠中。从免疫小鼠收集血清,并使用蛋白质印迹测定法测量MOMP特异性IgG抗体(图4)。注射佐剂MOMP-tNLP小鼠血清显示强MOMP结合,表明MOMP-tNLP可以在 体内引发免疫反应。

图1:MOMP-tNLP的表达和纯化。 (A)含有成功表达GFP的无细胞反应的小等分试样的管的图像,与没有GFP质粒的裂解物(左)相比,控制了在紫外光源下的发光(右)。(B)在SDS-PAGE之后用SYPRO Ruby染色的蛋白质凝胶显示了MOMP-tNLP的纯化曲线。MONP以40 kDa的速度迁移,49ApoA1以22 kDa的速度迁移。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;tNLP = 端胶质纳米脂蛋白颗粒;MOMP-tNLP = MOMP-tNLP 复合体;GFP = 绿色荧光蛋白编码质粒;MW = 分子量标记;T = 总游离裂解物;FT = 流通;R1-R3 = 无细胞反应等分试样;W1, W6 = 洗涤 1 和 6;E1-E7 = 洗脱 1 到 7;Δ49ApoA1 = His标记的小鼠ApoA1衍生物。 请点击此处查看此图的大图。

图2:MOMP-tNLP样品中MONP 的定量。 (A)用SYPRO Ruby染色的SDS-PAGE凝胶用于MONP的定量。将已知浓度的重组MOMP上样到凝胶上以获得标准曲线。每个泳道含有 0.1 μg、0.5 μg、1.0 μg、2.0 μg 和 4.0 μg MOMP。正在定量的MOMP-tNLP样品上样在同一块凝胶上。(B)使用密度测定法生成MONP浓度标准曲线。建立了归一化带密度与MONP量相关的方程。该方程用于计算未知样品中的MONP含量。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;tNLP = 端胶质纳米脂蛋白颗粒;MOMP-tNLP = MOMP-tNLP 复合体;SDS-PAGE = 十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳。 请点击此处查看此图的大图。

图3:无细胞产生的MOMP-tNLP允许MONP形成高阶结构。 (A)MOMP-tNLP的SDS-PAGE凝胶,有和没有经过热处理和还原剂DTT,用SYPRO Ruby染色。随着热量和DTT的出现, MONP主要表现为~40 kDa的单体带, 因为热量和还原剂分解了大部分高阶MOMP结构.在没有热量和DTT的情况下,存在高阶带,表明MOMP低聚物构象。(B)单独使用MOMP-tNLP和MONP的蛋白质印迹,未经处理并用热和DTT处理。转移后,用MAb40(1:1,000稀释度)探测膜。观察到类似于SYPRO Ruby染色凝胶的条带图案,证实较高分子量的条带确实是MOMP低聚物。(C)用MAb40和MAbHIS探测的MOMP-tNLP和空tNLP样品(一式两份)的点印迹。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;tNLP = 端胶质纳米脂蛋白颗粒;MOMP-tNLP = MOMP-tNLP 复合体;SDS-PAGE = 十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳;DTT = 二硫苏糖醇。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:无细胞产生的 MOMP-tNLP 具有高度免疫原性。 来自免疫小鼠的血清显示出强烈的抗MOMP IgG信号。用CpG + FSL-1佐剂的MOMP-tNLP用于小鼠免疫。收集来自六只免疫小鼠的血清,汇集并用于探测MOMP-tNLP。血清能够在蛋白质印迹测定中与MOMP结合,并显示出强烈的IgG信号(左)。使用MAb40作为一抗的蛋白质印迹(右)显示相似的条带,表明血清含有MOMP特异性IgG。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;tNLP = 端胶质纳米脂蛋白颗粒;MOMP-tNLP = MOMP-tNLP 复合体;CpG = 胆固醇修饰的 CpG 佐剂;FSL-1 =亲脂性佐剂。 请点击此处查看此图的大图。
| 缓冲区名称 | NaH2PO4 | 氯化钠 | 咪唑 | 酸碱度 |
| 结合缓冲液 | 50 毫米 | 300 毫米 | 10 毫米 | 8.0 |
| 洗涤缓冲液 | 50 毫米 | 300 毫米 | 20 毫米 | 8.0 |
| 洗脱缓冲液 1 | 50 毫米 | 300 毫米 | 250 毫米 | 8.0 |
| 洗脱缓冲液 2 | 50 毫米 | 300 毫米 | 500 毫米 | 8.0 |
表 1: 镍亲和纯化所需的缓冲液列表,详细说明每种组分的浓度和pH值。
| 运行 | 50 分钟 |
| 流量 | 6.0 毫升/分钟 |
| 渐变类型 | 二元的 |
| 缓冲液 A | 10 mM 茶在 H20 |
| 缓冲液 B | 中新网 |
| 梯度 | % 缓冲液 B |
| 0 分钟 | 25% |
| 30 分 | 60% |
| 30.5 分钟 | 100% |
| 40 分 | 100% |
| 40.5 分钟 | 25% |
| 50 分钟 | 25% |
表 2: 反相HPLC纯化胆固醇修饰的CpG的条件缩写:TEAA=三乙基乙酸铵;MeCN = 乙腈。
| 游离裂解物 (mL) | DMPC 脂质(毫克) | 特洛登德里默(毫克) | MOMP 质粒(微克) | 纯化的 MOMP 产率(毫克) |
| 1 | 4 | 0.4 | 15 | 0.5 |
| 2 | 8 | 0.8 | 30 | 1.1 |
| 3 | 12 | 1.2 | 45 | 1.6 |
| 5 | 20 | 2 | 75 | 2.7 |
表 3: 用于不同规模的无细胞反应的脂质、端粒和质粒的数量以及相应的产量。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;DMPC = 1,2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱。
| 质粒起始比率,MOMP : Δ49ApoA1 | 1:1 | 5:1 | 10:1 | 25:1 | 50:1 | 100:1 |
| 蛋白质产生量的比例,MOMP : Δ49ApoA1 | 0.02 | 0.32 | 0.64 | 3.46 | 6.55 | 20.04 |
| 每个 tNLP 的 MOMP 插入估计数量 | 0.03 | 0.37 | 0.75 | 4.04 | 7.65 | 23.39 |
表 4: 无细胞反应中的质粒比率和由此产生的MONP插入速率。缩写:MOMP = 衣原体主要外膜蛋白;tNLP = 端胶质纳米脂蛋白颗粒;Δ49ApoA1 = His标记的小鼠ApoA1衍生物。
作者声明,他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系,这些利益或个人关系似乎会影响本文中报告的工作。
该协议描述了使用商业的,无细胞的蛋白质表达试剂盒来产生纳米盘中支持的膜蛋白,该膜蛋白可用作亚单位疫苗中的抗原。
这项工作得到了国家过敏和传染病研究所的公共卫生服务拨款R21 AI20925和U19 AI144184的支持。这项工作由劳伦斯利弗莫尔国家实验室在美国能源部的主持下根据合同DE-AC52-07NA27344[LLNL-JRNL-822525,LLNL-VIDEO-832788]进行。
| 1,2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DMPC) 粉末 | Avanti 极性脂质 | 850345 | |
| 1.5 mL 无内毒素离心管 | Eppendorf | 2600028 | |
| 1 M Trizma 盐酸盐溶液 | Millipore Sigma | T2194 | |
| 乙酸、冰、ACS 试剂和 ge;99.7% | Millipore Sigma | 695092 | |
| Bio-Dot 仪 | 用于 XCell SureLock Life Technologies EI0012 | C24 培养箱摇床的 Bio-Rad 1706545 | |
| 缓冲坝 | New Brunswick Scientific 无细胞表达系统:RTS 500 ProteoMaster E. coli HY 试剂盒 BiotechRabbit BR1400201 | ||
| cOmplete His-Tag 纯化树脂 | Roche Molecular Diagnostics | 5893682001 | |
| cOmplete,不含EDTA的蛋白酶抑制剂混合物 | Roche Molecular Diagnostics | 4693132001 | |
| CpG-ODN1826 | Biosearch Technologies | T9449 | |
| D-(+)-海藻糖二水合 | 物Millipore Sigma | 71509 | |
| 透析管 D-管透析器Maxi | Millipore Sigma | 71508-3 | |
| 一次性聚丙烯烧结柱,10 mL 容量 | Bio-Rad | 7311550EDU | |
| Dulbecco's 磷酸盐缓冲盐水 (PBS) | Millipore Sigma | D8537 | |
| 电泳电源 | |||
| Endosafe PTS 小柱 | Thermo Fisher Scientific | NC9594798 | |
| Endosafe-PTS 检测系统 | Charles River | ||
| 凝胶洗涤液:10% 甲醇、7% 乙酸 | |||
| HCl 和 NaOH 溶液,用于pH 值调节 | |||
| HPLC,带紫外-可见二极管阵列检测器 | 岛津 | ||
| HyClone HyPure 培养级水 | VWR | 82007-328 | |
| iBlot 2 干转系统 | Life Technologies | ||
| iBlot 2 转印膜组,PVDF | Life Technologies | IB24001 | |
| Image Studio V2.0 软件 | Li-CORBiiosciences | ||
| 咪唑 | Millipore Sigma | I5513 | |
| 免疫印迹 PVDF 膜 | Bio-Rad | 1620177 | |
| LI-COR Odyssey Fc 成像仪 | Li-COR Biiosciences | ||
| 冻干剂 | Labconco | ||
| 甲醇 (≥99.9%) | Millipore Sigma | 34860 | |
| 微量离心 | |||
| 微波炉 | |||
| NanoDrop One/OneC 微量紫外-可见分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | ND-ONE-W | |
| NuPAGE 4 至 12%,Bis-Tris,1.0 | mmLife Technologies | NP0321 | |
| NuPAGE LDS 样品缓冲液 (4x) | Life Technologies | NP0007 | |
| NuPAGE MES SDS 电泳缓冲液 (20x) | Life Technologies | NP000202 | |
| NuPAGE 样品还原剂 (10x) | Life Technologies | NP0009 | |
| Odyssey 封闭缓冲液,溶于 TBS 中含有 0.2% 吐温 20 | Li-COR Biosciences | 927-50000 | |
| 轨道摇床 | |||
| PBS-T(1x PBS,0.2% 吐温 20,pH 7.4) | |||
| PEG5K-CA8 特洛登氏聚体(定制合成产物) | |||
| pIVEX2.4d 载体 | 罗氏分子诊断 | ||
| 质粒 Maxi 试剂盒 | Qiagen | 12162 | |
| 一抗:MAb40(针对 C. muridaurum 的可变域 1 (VD1) 的单克隆抗体 MOMP,de la Maza 实验室)4 | |||
| 一抗:MAbHIS,Penta-His 抗体 | Qiagen | 34660 | |
| 探针超声仪 | |||
| Qubit 3.0 荧光计 | Life Technologies | Q33216 | |
| Qubit 蛋白检测Kit | Life Technologies | Q33212 | |
| Rainin 移液器吸头:LTS 1000 和微量;L | Rainin | 17002428 | |
| Rainin 移液器吸头:LTS 20 和微量吸头;L | Rainin | 17002429 | |
| Rainin 移液器吸头:LTS 200 和微量吸头;L | Rainin | 17002426 | |
| Rainin 移液器 | Rainin | ||
| 二抗: IRDye 800CW 山羊(多克隆)抗小鼠 IgG(重和轻) | Li-COR Biosciences | 926-32210 | |
| SeeBlue Plus2 预染蛋白 Standard | Life Technologies | LC5925 | |
| 氯化钠 NaCl | Millipore Sigma | S7653 | |
| 磷酸二氢钠 NaH2PO4 | Millipore Sigma | S0751 | |
| Superdex 200, 5/150 GL 色谱柱 | Cytiva | GE28-9909-45 | |
| 合成二酰化脂蛋白-TLR2/6 FSL-1 | Invivogen | TLRL-FSL | |
| SYPRO Ruby 蛋白质凝胶染料 | Life Technologies | S12001 | |
| 吐温 20 | Millipore Sigma | P1379 | |
| 紫外光源 | |||
| 真空台式离心机 | Eppendorf | ||
| Vortexer | |||
| VWR 15 mL 锥形 (89039-666) | VWR | ||
| VWR 50 mL 锥形瓶 (89039-656) | VWR | ||
| XCell SureLock Mini-Cell (Life Technologies) | Life Technologies | EI0001 |