本文介绍了一种用于检测抗原展示型病毒样颗粒(VLPs)上中和表位的实验方案。利用与蛋白G偶联磁珠结合的包膜糖蛋白特异性单克隆抗体,对来源于人类免疫缺陷病毒(HIV)的VLPs进行免疫沉淀。捕获的VLPs随后通过SDS-PAGE分离,并使用针对病毒核心蛋白Gag的特异性抗体进行Western印迹分析。
方法文章
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本文介绍了一种用于检测抗原展示型病毒样颗粒(VLPs)上中和表位的实验方案。利用与蛋白G偶联磁珠结合的包膜糖蛋白特异性单克隆抗体,对来源于人类免疫缺陷病毒(HIV)的VLPs进行免疫沉淀。捕获的VLPs随后通过SDS-PAGE分离,并使用针对病毒核心蛋白Gag的特异性抗体进行Western印迹分析。
病毒样颗粒(VLP)捕获实验是一种免疫沉淀方法,通常称为“下拉实验”,用于纯化和分离展示抗原的VLP。特异性针对表面抗原的抗体被偶联并因此固定在固体不溶性基质(如微珠)上。由于这些抗体对靶抗原具有高亲和力,它们能够捕获膜包膜上锚定有相应抗原的VLP。本方案描述了抗原特异性抗体与蛋白A或蛋白G偶联的磁珠的结合过程。在我们的研究中,检测了由人免疫缺陷病毒(HIV)的群特异性抗原(Gag)病毒核心前体蛋白p55 Gag形成的、并展示HIV包膜糖蛋白(Env)的VLP。利用靶向Env中中和敏感表位的广谱中和抗体(bNAbs)来捕获这些VLP。此处所述的VLP捕获实验是一种灵敏且易于操作的方法,可用于证明:(i)VLP表面确实展示了相应的靶抗原;(ii)表面抗原保持了其结构完整性,这通过实验中使用的bNAbs对表位的特异性结合得以证实;以及(iii)VLP的结构完整性,这通过后续Western印迹分析中检测到Gag蛋白而得以揭示。因此,使用bNAbs进行免疫沉淀有助于预测VLP疫苗是否能够在接种疫苗的人群中诱导产生中和性B细胞应答。我们预期该方案将为其他研究人员提供一种有价值且简便的实验方法,用于评估潜在的基于VLP的疫苗。
病毒样颗粒(VLPs)在结构上类似于天然病毒颗粒,但缺乏病毒基因组,因此具有较高的安全性1,2。VLPs 是一类独特的疫苗,因其具有高免疫原性而被日益广泛开发3,4,5,6,7。对于包膜型 VLPs 尤为如此,它们不仅能够展示同源病毒表面抗原,还能展示异源抗原(如肿瘤抗原)8,9,10。图1 展示了包膜型抗原修饰 VLP 的结构示例。在基于 VLP 的疫苗研发过程中,必须依赖检测方法来分析 VLP 表面所展示的特定靶抗原。这些检测方法应有助于阐明颗粒疫苗的组成:(i)VLP 是否成功修饰了相应的表面抗原?(ii)表面抗原是否保持了其天然结构,可通过中和抗体(bNAbs)对表位的识别来验证;(iii)能否通过检测介导 VLP 形成的病毒蛋白来确认 VLP 的结构完整性?

图 1:包膜病毒样颗粒(VLP)的示意图。 VLP 由未成熟的前体 Gag 核心蛋白组装而成,并被来源于宿主细胞的脂质膜所包裹。抗原(例如包膜糖蛋白)被整合到脂质膜中,并呈现在 VLP 表面(右侧)。抗原特异性抗体可识别该抗原。左侧显示的是无抗原修饰的“裸”VLP。 请点击此处查看该图的放大版本。
尤其由人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)的病毒群特异性抗原(Gag)核心前体蛋白p55形成的病毒样颗粒(VLPs),是疫苗开发中用于抗原展示的优选支架,因为已有大量可用的抗体和ELISA试剂盒,能够对这些VLPs进行定量分析11,12。HIV-1包膜糖蛋白(Env),即跨膜蛋白gp41(gp41-TM)和可溶性表面亚基gp120(gp120-SU),二者形成异源二聚体,被整合到颗粒的膜包膜中,是开发抗HIV感染疫苗的关键靶抗原13,14,15。在这些靶抗原中展示对中和作用敏感的表位,是诱导疫苗接种者产生广谱中和抗体反应的前提条件。除针对Gag蛋白的T细胞免疫反应外,这一点被认为是抵抗HIV感染的重要保护相关因素16。因此,在设计和制备携带靶抗原候选物的VLPs后,对其所展示抗原质量的后续分析是疫苗研发过程中的关键步骤。
免疫沉淀(IP)是一种广泛使用的技术,用于检测蛋白质-蛋白质相互作用以及小规模纯化蛋白质复合物17。Barret et al. 于1960年首次报道了IP技术的开发,此后该方法不断得到进一步改进。IP技术通过使用与微珠偶联的抗原特异性抗体(诱饵)固定化,从而从溶液中捕获并分离目标抗原(猎物)18,19。在本实验方案中,我们展示了一种经典的IP应用的变体,其中以膜包被的p55 Gag形成的病毒样颗粒(VLPs)作为猎物,以识别VLP表面包膜蛋白上中和敏感表位的广谱中和抗体(bNAbs)作为诱饵蛋白。该VLP捕获实验的成功应用有助于预测被检测的抗原阳性VLP是否能够在接种疫苗的人群中诱导产生中和性B细胞应答。这类基于VLP的候选疫苗的免疫原性特征通常在小型动物模型中得到验证20,21,22。
为了评估新开发的病毒样颗粒(VLP)候选疫苗的质量,VLP捕获检测已被成功应用5,23,24。然而,已发表的方法数量有限。本文所介绍的VLP捕获检测首先将Env特异性的广谱中和抗体(bNAb)固定在与蛋白G偶联的微珠上,这些微珠可结合来源于哺乳动物抗体的Fc区。常用的抗体固定基质包括琼脂糖微珠或磁珠。然而,磁珠更适用于高通量应用25。下一步,由bNAb包被的微珠捕获表达目标抗原的VLP。由Env阳性VLP与固定化bNAb形成的免疫复合物可通过磁力轻松富集。最后一步中,洗脱分离得到的免疫复合物。随后可对VLP进行生化表征。本研究中,我们采用针对p55 Gag病毒核心蛋白的特异性抗体进行Western blot分析,以证明所沉淀的目标Env抗原不仅含有对中和作用敏感的表位,而且确实展示在由Gag形成的VLP表面。此外,由于Gag蛋白在VLP中的丰度远高于Env,检测病毒核心Gag蛋白可提高捕获检测的灵敏度。在HIV-1中,Env蛋白的数量仅为个位数或两位数26,,而每个病毒颗粒的核心则由超过3,500个Gag分子构成27。
与其他蛋白质-蛋白质相互作用检测技术相比28,29,病毒样颗粒(VLP)捕获实验为无法获得昂贵分析仪器的研究实验室提供了一种替代方法。例如,透射电子显微镜分析(TEM)、表面等离子共振光谱法(SPR)和纳米颗粒追踪分析(NTA)可能成本较高。本文所述的捕获实验还允许将捕获到的抗原阳性VLP样本进一步用于蛋白质表征,例如分别采用凝胶电泳、免疫印迹、电子显微镜和质谱(MS)分析。考虑到目标抗原在VLP捕获实验过程中其天然结构得以保持,因此也可应用非变性PAGE及后续的免疫印迹技术。
病毒样颗粒(VLP)捕获检测是一种易于使用且灵敏的方法,可用于检测病毒样颗粒表面是否装饰有暴露中和敏感表位的目标抗原,从而评估其作为未来候选疫苗的效用。
1. 样品制备
2. VLP 捕获实验
注意:工作流程概览见图2。
3. 捕获的病毒样颗粒样本的分析
注意:对于捕获的病毒样颗粒(VLPs)的分析,需进行SDS-PAGE,随后进行Western印迹分析31,32。

图 2:利用无细胞上清液进行病毒样颗粒(VLP)捕获实验的关键步骤示意图。(1)VLP 捕获实验首先将 HIV-1 广谱中和抗体(bNAbs)与蛋白 G 偶联的磁珠结合。同时,制备含有已知 p55 浓度的 VLP 溶液。无细胞培养上清液包含 p55 Gag VLP、宿主细胞蛋白和核酸的混合物。(2)将偶联了 bNAbs 的磁珠和 VLP 溶液转移至 1.5 mL 反应管中,并在旋转条件下孵育。(3)展示抗原的 VLP 被包被 bNAbs 的磁珠捕获。在磁场中将这些免疫复合物与来源于宿主细胞的污染物分离。(4)通过移液去除上清液,并对磁珠进行三次洗涤,以去除未结合的 VLP。(5)下一步,向包含包被 bNAbs 的磁珠及捕获 VLP 的免疫复合物中加入还原性蛋白上样缓冲液。(6)加热样本使 bNAbs 和靶抗原从磁珠上解离,并裂解 VLP。(7)在磁场中将磁珠从溶液中分离。(8)蛋白样本进行 SDS-PAGE 分析。(9)通过 Western blot 分析检测病毒 p55 Gag 核心蛋白。请点击此处查看该图的放大版本。
图3展示了分别从CFSN和VLP沉淀中捕获病毒样颗粒(VLPs)的代表性结果,首先使用广谱中和抗体(bNAbs)进行捕获,随后通过Western blot分析检测病毒核心蛋白。用于捕获实验的磁珠分别包被了三种针对Env糖蛋白中中和敏感表位的广谱中和抗体(bNAbs),以及作为阴性对照的同型抗体。使用包被同型抗体的磁珠时,在含有Env阴性(无包膜VLPs,即“bald VLPs”)或表达Env的VLPs样本中均未检测到Gag蛋白,Western blot分析结果为阴性。这表明VLPs与包被人源抗体的磁珠之间不存在非特异性结合,因而不会导致VLPs的非特异性捕获。无包膜VLPs也无法被包被bNAbs的磁珠结合,因此同样未检测到Gag蛋白。相反,所有三种bNAbs均能有效捕获表达Env蛋白的VLPs(Env VLPs),因而后续可清晰检测到Gag蛋白。如图3所示,该捕获实验可用于分别分析CFSN及沉淀VLP样品中表达目标抗原的VLPs。

图 3:利用广谱中和抗体检测由 p55 Gag 形成的病毒样颗粒(VLPs)表面展示的 HIV-1 包膜糖蛋白中可被中和的表位。在采用三种不同的靶向 HIV-1 包膜糖蛋白(Env)内表位的广谱中和抗体(bNAb 1、bNAb 2 和 bnAb 3)进行 VLP 捕获实验后,使用病毒 Gag 核心蛋白特异性抗体进行蛋白质印迹分析的代表性结果。来自人血清的混合同型人源抗体作为阴性对照。分别从悬浮培养细胞的上清液中收集表达 Env 蛋白的病毒样颗粒(Env VLPs)和不表达 Env 的“裸”VLPs(Env 阴性),以及未表达任何病毒蛋白的空白对照细胞(mock)。来自“裸”VLP 生产细胞培养上清和空白对照细胞培养上清均作为阴性对照。通过低速离心去除污染细胞,并进一步过滤获得无细胞上清液(CFSN)用于分析。在免疫沉淀后,使用多克隆兔抗 Gag 抗体及相应的抗兔 IgG-HRP 二抗进行蛋白质印迹分析。左侧所示为分子量标记物(MW)指示的可见相对分子质量(千道尔顿,kDa)。箭头指示检测到的前体蛋白 p55 Gag。(A)每个样品中,含有 100 ng Gag 蛋白的 CFSN 被用于捕获实验,以标准化 VLPs 的输入量。CFSN 直接与抗体包被的磁珠孵育。(B)通过超速离心从 CFSN 中获得 VLP 沉淀物。含有 100 ng Gag 蛋白的沉淀物使用同型抗体和 bNAb 3 进行捕获实验。bNAb 1 和 bNAb 2 的样品中仅含 25 ng Gag 蛋白。请点击此处查看该图的放大版本。
在进行VLP捕获实验之前,应评估VLP的形成情况以及VLP生产细胞系中目标抗原的表达水平。可采用的检测方法包括通过流式细胞术分析抗原在细胞表面的表达,以及针对抗原和病毒核心蛋白的特异性ELISA,检测无细胞上清液(CFSN)和沉淀的VLP样本。
VLP 捕获实验的关键步骤是使用捕获抗体(此处为广谱中和抗体,bNAbs)包被磁珠,以及随后由抗体包被的磁珠捕获抗原阳性的 VLP。磁珠成功包被抗体依赖于所选的偶联免疫球蛋白(Ig)结合蛋白。抗体的供体物种及其 Ig 类型决定了应优先选择蛋白 G 还是蛋白 A 偶联的磁珠。对于大多数物种和 Ig 类型,蛋白 G 是首选配体33。除了蛋白 A/G 偶联磁珠外,也可使用链霉亲和素磁珠来包被生物素标记的抗体。此外,磁珠还可通过共价偶联方式与抗体结合。
病毒样颗粒(VLPs)被抗体包被的磁珠捕获的效率取决于充分混匀、足够的孵育时间、抗原丰度以及捕获抗体的亲和力。根据我们的经验,抗体包被磁珠与VLP样本的充分混合最理想地通过使用特定体积来实现 >500 µL置于1.5 mL离心管中,在室温或4 °C下旋转孵育至少2小时。另一个可能的障碍是样品中病毒样颗粒(VLP)的量过低。对于能强效结合靶抗原的抗体,通常仅需15 ng的Gag蛋白输入量,即可通过Western印迹分析检测到明显量的病毒核心蛋白。然而,低亲和力抗体则需要更高的输入量,例如.,100 ng Gag蛋白,以获得明确的结果(图3,广谱中和抗体 3)
某些表面抗原易受蛋白酶降解。因此,我们建议在VLP样品中添加蛋白酶抑制剂,并在4 °C下孵育。宿主细胞蛋白和VLP与磁珠结合抗体之间的非特异性吸附很少出现,应通过使用适当的阴性对照予以排除,正如本研究中采用模拟样品、无包膜VLP样品以及同型对照抗体所展示的那样。减少非特异性结合的策略包括延长洗涤步骤,以及在洗涤缓冲液中添加酪蛋白34。此外,通过确定抗体与表达抗原的VLP之间的最佳比例,也可进一步优化捕获检测的效果。
在VLP捕获实验的最后一步中,我们描述了通过在还原性Laemmli缓冲液中煮沸,将免疫复合物从磁珠上洗脱下来的过程。在此步骤中,VLPs被解离,捕获抗体和目标抗原从磁珠上分离。值得注意的是,在后续Western blot分析中所使用的初级抗体的免疫宿主必须与捕获抗体的免疫宿主不同,以避免二抗(HRP标记的抗宿主IgG抗体)非特异性地识别捕获抗体。
本文介绍的VLP捕获检测法提供了一种简便且灵敏的方法,用于检测VLP表面展示的结构完整靶抗原上的中和敏感性表位。然而,该捕获检测法无法实现表位的直接定量。为此目的,使用广谱中和抗体(bNAbs)进行的ELISA检测具有重要作用,应平行开展,特别是当所研究的VLP拟用于基于动物模型的临床前研究时35。这一点至关重要,因为抗原的含量可直接与免疫动物体内中和抗体反应的诱导相关,这一点已在猪圆环病毒2型(PCV2)疫苗研究中得到证实36。
理想的疫苗应能够诱导产生靶向病毒颗粒表面中对中和作用敏感的 表位的广谱中和抗体(bNAbs)。分析这些表位,特别是其在颗粒疫苗表面保持完整结构构象的情况,对于鉴定潜在疫苗候选物至关重要。这一点不仅适用于源自HIV的病毒样颗粒(VLP),也适用于当前正在研发的许多其他VLP疫苗37。目前较为突出的基于VLP的疫苗,例如来源于非包膜病毒或衣壳亲本病毒的人乳头瘤病毒(HPV)疫苗。与仅由一种结构核心蛋白(即p55 Gag)构成并包裹来源于VLP生产细胞膜的HIV-1颗粒不同,HPV颗粒仅包含一种或两种结构核心蛋白38,39。同样,正如本文针对包膜VLP所展示的,VLP捕获检测法也可用于检测非包膜VLP上对中和作用敏感的表位。
作为捕获实验的替代方法,病毒样颗粒(VLP)样品可直接进行天然聚丙烯酰胺凝胶电泳(native PAGE),随后使用广谱中和抗体(bNAbs)及相应的HRP偶联二抗进行Western blot分析40。然而,在分析携带HIV Env蛋白的VLP时,该方法的灵敏度较低,因为每个VLP所含的抗原蛋白数量较少。相比之下,捕获实验能够检测每个VLP中大量存在的核心蛋白;以HIV来源的VLP为例,每个颗粒由超过3,500个Gag蛋白组成27。因此,即使Env蛋白在VLP表面呈低密度展示,其表位也可通过该方法实现高灵敏度的间接检测。
目前,用于检测病毒样颗粒(VLPs)表面抗原上对中和作用敏感的 表位的方法数量有限。可通过表位特异性抗体-荧光染料偶联物对VLPs表面展示的抗原进行标记,并结合纳米颗粒追踪分析法(NTA)实现VLPs的检测与定量。该方法也已成功开发并优化,用于表达细胞表面标志物的外泌体检测41。此外,表面等离子共振(SPR)光谱技术可用于分析未标记的中和抗体与VLPs上相应表位之间的相互作用。尽管该方法不适用于高通量分析,但也可将VLPs与偶联金颗粒的广谱中和抗体(bNAbs)进行标记,随后通过透射电子显微镜(TEM)进行观察42。
总之,VLP 捕获检测具有若干显著优势:(i)可评估 VLP 表面中和敏感型 表位的结构完整性;(ii)即使抗原在 VLP 上呈低密度展示,也能实现敏感且间接的检测;(iii)该方法无需昂贵的分析设备。
作者声明不存在利益冲突。
本工作由德国联邦教育与研究部资助项目“应用科技大学研究”(Forschung an Fachhochschulen)提供支持,合同编号分别为13FH767IA6和13FH242PX6(授予JS)。图1和图2使用BioRender.com制作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 反应管 | Eppendorf | ||
| 10x PBS | gibco | 70011044 | |
| 4%–15% Mini-PROTEAN TGX 免染蛋白凝胶 | BioRad | 4568085 | |
| 抗体(bnAbs) | Polymun Scientic | ||
| 同型对照抗体 | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 02-7102 | |
| Chemidoc XRS+ 成像系统 | BioRad | 1708265 | |
| 鸡抗兔 IgG HRP 偶联抗体 | Life technologies | A15987 | 在含 2% (w/v) 脱脂奶粉的 TBS-T 中按 1:5000 稀释 |
| Dynabeads Protein G 免疫沉淀试剂盒 | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 10007D | 包含缓冲液和洗涤液 |
| FreeStyle 293-F 细胞 | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | R790-07 | |
| FreeStyle 293 表达培养基 | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 12338026 | |
| 凝胶转印滤纸 | Whatman | GB005 | |
| 甘氨酸 | Carl Roth | 0079 | 转膜缓冲液 |
| 磁力分离架 | New England Biolabs | S1509S | 适用于 12 × 1.5 mL 或 6 × 1.5 mL 管 |
| 甲醇 | Carl Roth | 4627 | 转膜缓冲液 |
| Mini-PROTEAN Tetra Cell 电泳系统 | BioRad | ||
| Optima XE-90 超速离心机 | Beckman Coulter | ||
| PageRuler 预染蛋白 Marker | Thermo Scientific | 26616 | |
| 聚偏二氟乙烯 (PVDF) 注射式滤器,0.45 µm | Carl Roth | KC89.1 | |
| 脱脂奶粉 | Carl Roth | T145 | 封闭缓冲液 |
| PVDF 转印膜,0.45 µm | Carl Roth | T830.1 | |
| QuickTiter HIV p24 ELISA 试剂盒 | Cell Biolabs | VPK-108-H | |
| 兔多克隆抗 HIV1 p55 + p24 + p17 抗体 | abcam | ab63917 | 在含 2% (w/v) 脱脂奶粉的 TBS-T 中按 1:2000 稀释 |
| 旋转混合仪 | Heidolph | REAX2 | |
| ROTI Load 1(Laemmli 缓冲液) | Carl Roth | K929.1 | 4x 浓缩还原性蛋白上样缓冲液 |
| ROTIPHORESE 10x SDS-PAGE 缓冲液 | Carl Roth | 3060 | |
| 氯化钠 | Carl Roth | 3957 | TBS-T 缓冲液 |
| SuperSignal West Pico PLUS 化学发光底物 | Thermo Scientific | 34579 | |
| SW28 转子 | Beckman Coulter | ||
| 恒温混匀仪 | Cel Media | basic | |
| Trans-Blot Turbo 转膜系统 | BioRad | ||
| 海藻糖二水合物 | Carl Roth | 8897.2 | |
| TRIS | Carl Roth | 5429 | 转膜缓冲液 |
| TRIS 盐酸盐 | Carl Roth | 9090 | TBS-T 缓冲液 |
| Tween-20 | Carl Roth | 9127 | TBS-T 缓冲液 |
| Ultra Clear 离心管 | Beckman Coulter | 344058 |