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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Das vorliegende Protokoll beschreibt neue Werkzeuge für SPR-Bindungsassays zur Untersuchung der CV-N-Bindung an HA, S-Glykoprotein, verwandte Hybrid-Glykane und High-Mannose-Oligosaccharide. SPR wird verwendet, um das KD für die Bindung von entweder dimerem oder monomerem CV-N an diese Glykane zu bestimmen.
Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) wird verwendet, um die Bindung von Hämagglutinin (HA) an das domänenvertauschte Cyanovirin-N (CV-N)-Dimer zu messen und die Wechselwirkungen zwischen mannosylierten Peptiden und der hochaffinen Bindungsstelle von CV-N zu überwachen. Es wurde berichtet, dass die Virushüllenspitzen gp120, HA und Ebola-Glykoprotein (GP) 1,2 sowohl hoch- als auch niedrigaffine Bindungsstellen an dimeres CVN2 binden. Dimannosyliertes HA-Peptid ist auch an den beiden niedrigaffinen Bindungsstellen an ein konstruiertes Molekül von CVN2 gebunden, das eine hochaffine Stelle für den jeweiligen Liganden trägt und mutiert, um eine stabilisierende Disulfidbindung in der kohlenhydratbindenden Tasche zu ersetzen, wodurch eine multivalente Bindung bestätigt wird. Es wird eine HA-Bindung an eine hochaffine Bindungsstelle des Pseudo-Antikörpers CVN2 bei einer Dissoziationskonstante (KD) von 275 nM gezeigt, die das humane Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) durch Oligomerisierung weiter neutralisiert. Die Korrelation der Anzahl der Disulfidbrücken in domänenvertauschtem CVN2, die durch Substitution von Cystinen in polare Restpaare aus Glutaminsäure und Arginin von 4 auf 2 verringert werden, führt zu einer reduzierten Bindungsaffinität zu HA. Unter den stärksten Wechselwirkungen wird Ebola GP1,2 von CVN2 mit zwei hochaffinen Bindungsstellen im unteren nanomolaren Bereich unter Verwendung des Hüllglykans ohne Transmembrandomäne gebunden. In der vorliegenden Studie wird die Bindung des multispezifischen monomeren CV-N an das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Spike (S) Glykoprotein bei K D = 18,6 μM im Vergleich zu nanomolaren KD an diese anderen Virusspitzen und über seine rezeptorbindende Domäne im mittleren μ-molaren Bereich gemessen.
Tetherin-assoziierte antivirale Aktivität wird durch Interferon-α induziert und umfasst proteinbasierte Tether, die zur Retention von vollständig ausgebildeten Virionen auf infizierten Zelloberflächen führen1. Die Notwendigkeit einer Tetheringlykosylierung bei der Hemmung der Virusfreisetzung bleibt ungewiss, was die Bedeutung von Glykosylierungsmustern auf rekombinant exprimierten Glykanen für In-vitro-Studien 1,2 impliziert, die von der Konformation von (im Falle des Influenzavirus) oberflächenexprimiertem Influenzahämagglutinin HA 3,4 abhängt. . Es wurde festgestellt, dass die Modifikation von Oligosaccharid, das an die N-verknüpfte Glykosylierung gebunden ist, für eine Tetherin-vermittelte Restriktion der HIV-Typ-1-Freisetzung2 ausreicht, während die Dimerisierung eine wesentliche Rolle bei der Verhinderung der Virusfreisetzung spielt, wodurch die Transmembrandomäne oder der Glykosyl-Phosphatidyl-Inositol (GPI)-Anker zum Anbinden der knospenden Virionen beteiligt ist5 . Es werden einzigartige Funktionen für menschliches und murines Tetherin beschrieben, um mehrere behüllte Viren, Retroviren und Filoviren zu blockieren. BST-2/Tetherin ist ein Interferon-induzierbares antivirales Protein der angeborenen Immunität1,6, das mit antiviraler Breitbandaktivität wirkt und durch Hüllglykoproteine5 antagonisiert wird, um entweder Tetherin zu translozieren oder die Struktur von Tetherin 6 zu stören. Zum Beispiel sind oberflächenexprimierte Hüllglykoprotein HA und Neuraminidase auf Influenza-A-Virus für Tetherin-Antagonismus in einer stammspezifischen Weise bekannt7, was die Erkennung von Wirtsrezeptorbindungsstellen erleichtert8. Glykan-Targeting-Antikörper werden in der Stöchiometrie ihrer Wechselwirkungen mit den schnell anpassenden Glykanschilden auf HA untersucht, was zu einer Bindungsaffinität zu Influenza A H3N2 und H1N1 Subtypen4 führt.
Um die Bindungsmechanismen zwischen antiviralen Wirkstoffen und Virushüllenspitzen, d.h. Kohlenhydratliganden, und komplementären immunologischen und spektroskopischen Methoden aufzuklären, werden Mono-, Di- und Tri-Mannose-Einheiten chemisch synthetisiert. Die mannosylierten Peptide werden durch Azido-Glykosylierung von Glykosyl {beta}-Peracetaten zu 1,2-trans-Glykosylaziden-Transformation9 erzeugt, die das typischerweise vorkommende N-Acetylglucosamin und die Oligosaccharide mit hohem Mannosegehalt auf der Oberfläche lebensbedrohlicher Viren nachahmen. Triazol-Bioisoster werden verwendet, um Verknüpfungen nachzuahmen, die den mannosylierten Rest des HA-Peptids10 bilden, und erleichtern ortsspezifische Wechselwirkungen mit antiviralen CV-N-Derivaten um den zweiten N-verknüpften Glykosylierungspunkt auf der HA-Kopfdomäne (HA-Spitze mit 4 N-verknüpften Glykanen N54, N97, N181, N301)8,11,12 . Wechselwirkungen zwischen Glutaminsäure (Glu) und Arginin (Arg) und der resultierende Helix-Dipol zeigten eine gute Stabilität sowohl von Modellpeptiden als auch von Proteinen, werden aber mit SPR visualisiert. Im Vergleich zur Erkennung einer einzelnen chemisch synthetisierten Glykosylierungsstelle auf HA10 durch direkte Hemmung der Rezeptorbindung an die Glykaneinheiten wird gezeigt, dass eine höhere Affinität einer vierfach mutierten Fc-Struktur zu ihrem Rezeptor Effektorfunktionen in vivo hervorruft, was zeigt, dass die nicht verwandte Zusammensetzung von N-verknüpften Glykanen, die an die Fc-Mutante gebunden sind, mechanistisch bestimmt werdensoll 13.
CV-N zeigt antivirale Aktivität gegen HIV 14,15, Influenza 16 und das Ebola-Virus, die durch nanomolare Bindung an hochmannose Oligosaccharidmodifikationen auf Hüllspitzenproteinenvermittelt wird 12,17,18,19. Die Bindung von Influenza HA an eine hochaffine Kohlenhydratbindungsstelle (H) in CV-N oder an zwei Hs in kovalent verknüpftem dimerem CVN2 hat Gleichgewichtsdissoziationskonstanten (K D) = 5,7 nM (Abbildung 1A) bzw. KD = 2,7 nM. Sowohl CV-N als auch CVN2 beherbergen weitere ein oder zwei kohlenhydratbindende Stellen mit niedriger Affinität (L)s 12,17,20,21. Ebola GP1,2 bindet an 2H CVN2 mit Affinitäten im unteren nanomolaren Bereich (KD = 26 nM). CV-N WT-Bindung an Ebola GP1,2 und HA weist Affinitäten von K D = 34 nM bis KD = 5,7 nM auf (A/New York/55/04)12. Lektine wie CV-N, die spezifisch auf hochmannose Glykane auf den Virushüllen abzielen, hemmen die Replikation von Hepatitis-C-Virus, SARS-CoV, Herpesvirus, Marburg-Virus und Masernvirus22.
Das kleine CV-N-Molekül wird seit mehr als 20 Jahren gründlich untersucht, da es funktionalisiert, um eine Vielzahl von Viren zu binden, um den viralen Eintritt zu hemmen16,18. Strukturanalysen und Bindungsaffinitätstests deuten auf eine Vernetzung von zwei Ls in einem domänenvertauschten CVN2-Dimer durch bivalente Bindung im mikromolaren Bereich hin, um die Avidität zu viralen Hüllglykoproteinen zu erhöhen10,19. Die selektive Bindung von Manα1-2Manα an Man(8)-D1D3-Armen und Man(9) umfasst zwei Bindungsstellen unterschiedlicher Affinitäten, die sich auf gegenüberliegenden Proteinprotomern20 befinden und dadurch nanomolare Bindungsaffinitäten erreichen (Abbildung 1B). Daher gilt CVN2 als Pseudo-Antikörper hinsichtlich seiner Anwendung zur Bindung von Epitopen an HIV gp120, ähnlich wie virusneutralisierende Antikörper17. Hier ist der Autor daran interessiert, die mögliche Bindung von CVN2 an den SARS-CoV-2-Spike über seine Rezeptorbindungsdomäne (RBD) zu untersuchen. Bindungskurven des immobilisierten humanen Angiotensin-Converting-Enzyms (ACE)-2 mit dem SARS-CoV-2 RBD ergeben KD = 4,7 nM für diese biologisch relevante Bindungsinteraktion23.
Im Gegensatz dazu erkennen ausgewählte Immunglobulinklassen spezifische und konsistente strukturelle Proteinmuster, die ein Substrat für die Affinitätsreifung in den membranverankerten HA-Regionen vermitteln24. CV-N zeigt eine hochwirksame Aktivität in fast allen Influenza-A- und B-Viren16 und ist ein weitgehend neutralisierendes antivirales Mittel. Unser Wissen ist unvollständig über die Lage von Zielepitopen am Stamm von HA1 und HA2, die möglicherweise epitopische Strukturen für das Glykan-Targeting durch stark neutralisierende Antikörper und im Vergleich zur Lektinbindungbeinhalten 25.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des SPR-Bindungsassays für CV-N-zu-Virus-Hüllkurvenspitzen. (A) SPR-Assay für CV-N-Bindung an Liganden: HA-Protein voller Länge (90 kDa). Kinetischer Datensatz (5120, 2560, 1280, 640, 320, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 2,5, 0 nM) mit doppelter Bindung an Influenza HA A/New-York/55/04 (H3N2). (B) CVN2L0-Variante V2 bindet an immobilisierten Liganden DM in einem Konzentrationsbereich von 500 nM bis 16 μM. Sequenz: L-Reste sind gelb markiert. H-Rückstände werden grau hervorgehoben. E58 und R73 sind ein Ersatz für Cystein im Wildtyp-Protein und machen V2 zu einer stabilen Proteinfaltung mit drei statt vier Disulfidbindungen Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Während die Glykanabschirmung auf dem membrandistalen HA-Oberteil eine hochaffine Bindung anCV-N12 induziert, wurde eine CVN2-Bindung an HA neben einer Disulfidbrücke des HA-Oberteils weiter an seinen niederaffinen Stellen10,12 beobachtet. Verschiedene polare Wechselwirkungen und Interaktionsstellen werden in der Kohlenhydratbindung durch CV-N identifiziert. Diese Wechselwirkungen werden verifiziert, indem Knock-out-Varianten in der Bindungsstelle erzeugt werden, um Bindungsaffinitäten mit in silico vorhergesagter Glykosylierung zu korrelieren12. Daher zielt das Projekt darauf ab, zuvor getestete chemisch mannosylierte HA-Peptide in Bindungsaffinität und Spezifität mit kurzen Peptidsequenzen aus SARS-bezogenen 2019-nCoV-Spikes und SARS-CoV-2 zu vergleichen, die natürlich durch eine kleine Anzahl verschiedener N-verknüpfter Glykosylierungsstellen und O-verknüpfter Glykosylierung modifiziert vorkommen. Unter Verwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie und Bindungsassays berichten Pinto und Mitarbeiter über einen monoklonalen Antikörper, S309, der möglicherweise ein Epitop auf SARS-CoV-2-Spike-Protein erkennt, das ein konserviertes Glykan innerhalb der Sarbecovirus-Untergattung enthält, ohne mit der Rezeptorbindungzu konkurrieren 26. Das Protokoll dieser Studie beschreibt, wie wichtig das Design, die Expression und die Charakterisierung von CV-N-Varianten sind, um zu untersuchen, wie CV-N und CVN2 an glykosylierte Proteine und synthetische mannosylierte Peptide unter Verwendung der SPR-Technologie10,12 binden.
Tandem-gebundenes Dimer CVN2L027 und Bindungsstellenvarianten (V2-V5) werden rekombinant exprimiert, Varianten mit Disulfidbindungsersatz (C58E und C73R) (Abbildung 2A). Auch eine Mutante mit einer Einzelpunktmutation E41A wird hergestellt, da diese Position als intermolekularer Kreuzkontaktrest angesehen wurde. Diese Mutante ist ein weiteres interessantes Molekül für SPR-Bindungsmessungen zwischen den Lektin- und High-Mannose-Oligosacchariden, die Bindungsdomänen entschlüsseln und den Vergleich mit der dimeren Form ermöglichen. Die domänenvertauschte Kristallstruktur von CVN2 zeigt einen flexiblen Linker, der sich zwischen 49 und 54 Resten erstreckt. Die beiden Domänen können sich weiterhin als starre Körper um das Scharnier bewegen und entweder ein Monomer durch intramolekulare Domänenwechselwirkungen entwickeln (Domäne A -Reste 1-39;90-101- mit Domäne B -Reste 40-89) oder ein Dimer durch intermolekularen Domänentausch [Domäne A (des ersten Monomers) mit Domäne B (des zweiten) und Domäne B (des ersten Monomers) mit Domäne A (der zweiten Kopie)]. Es gibt keine engen Wechselwirkungen zwischen den A- und B-Domänen der beiden Protomer, mit Ausnahme von Glu4128. Das Gen für CV-N kann unter Verwendung einer repetitiven PCR-Methode mit 40-mer-synthetisierten Oligos29 entwickelt und dann in die NdeI- und BamHI-Stellen von pET11a subkloniert werden, um sie in elektrokompetente Zellen umzuwandeln (Elektroporation), wie von Keeffe, J.R.27 beschrieben. Das Protein, das zur Erreichung der jeweiligen Kristallstruktur (PDB ID 3S3Y) verwendet wird, enthält eine N-terminale 6-Histidin-Reinigungsmarke, gefolgt von einer Faktor-Xa-Protease-Spaltstelle. Die ortsgesteuerte Mutagenese wird verwendet, um Punktmutationen vorzunehmen, Codons zu wechseln und einzelne oder mehrere Basen oder Codons für den Aminosäureaustausch einzufügen oder zu löschen. Diese Umwandlungen liefern unschätzbare Einblicke in die Funktion und Struktur von Proteinen. Rekombinant exprimierte und gereinigte CV-N, CVN2 und CVN3 wurden biophysikalisch gut untersucht20,21,27, sind billig herzustellen und werden daher zur Charakterisierung von Bindungsassays an Glykane verwendet, die auf SPR-Sensorchips immobilisiert sind. Der konventionelle Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) bietet eine geringere Reproduzierbarkeit in Bezug auf die Immobilisierungstechnik von Glykanliganden und wandelt die Echtzeitbindung verschiedener Bindungsstellenvarianten, die für SPR gezeigt wird, in Endpunktassays um.
Die Bindungsaffinitätsvariante CVN2L0-V2 (eine intakte Falte homodimeren CV-N mit einer Disulfidbrückensubstitution10) wird mit einem His-Tag in Escherichia coli (E. coli) exprimiert, über die Ni-NTA-Säule unter Anwendung der Affinitätschromatographie gereinigt und auf Bindung an HA (H3N2), monomannosyliertes HA-Peptid und dimannosyliertes HA-Peptid unter Verwendung von SPR getestet. Chemisch mannosylierte Peptide oder HA- und S-Proteine sind alle Liganden und Amin, die an die hydrophile Chipoberfläche gekoppelt sind über reaktive Ester oder Biotin-Streptavidin-Protein-Engineering. Das gleiche Verfahren der sequentiellen Durchläufe wird auf diese Liganden angewendet, wobei verschiedene Verdünnungen von CV-N und Varianten von CV-N (und CVN2) injiziert werden, um kinetische Informationen für die molekularen Interaktionsanalysen zu erhalten, wie untenbeschrieben 30. RBD-immobilisierter SPR-Sensorchip wird für Bindungsstudien an CV-N- zu S-Peptiden verwendet, und Affinitäten werden mit der SARS-CoV-2-Bindung mit dem menschlichen ACE2 verglichen.
Für die vorliegende Studie wurde anstelle von CV-N ein CVN-kleines Ubiquitin-like Modifier (SUMO) Fusionsprotein in enzymgebundenen Immunassays verwendet und eignet sich für zellbasierte Assays. Rekombinantes HA-H3-Protein des Influenza-A-Virus in voller Länge wird kommerziell gewonnen (siehe Materialtabelle) oder in HEK293-Zelllinien von Säugetieren und Baculovirus-infizierten Insektenzellen gemäß Standardprotokollen12 exprimiert. Wuhan-1-Spike-Protein wird in HEK293-Zellen von Säugetieren exprimiert. Die Synthese von monomannosyliertem Peptid (MM) und dimannosyliertem Peptid (DM) ermöglicht den Nachweis homogener Liganden zu CVN2 und monomannosyliertem niedermolekularem10.
1. CV-N-Konstrukte erstellen
2. Herstellung von LB-Agarplatten mit Plasmid-DNA-transformierten Zellen
3. Klonen
4. Ortsbezogene Mutagenese
5. Transformation von Bakterienzellen
6. Expression und Proteinreinigung

Abbildung 2: CV-N-Sequenzen und Expression. (A) CVN2 ohne Linker zwischen jeder CV-N-Wiederholung (je 101 Aminosäuren) und vier Disulfidbrücken wird in pET11a-Vektor in E exprimiert. Coli. (B) Ausdrücke zweier unabhängiger Kolonien für CV-N (Monomer) und CVN2 (Dimer). (C) Disulfidbindungsvarianten werden auf SDS-PAGE gereinigt und analysiert. Ein niedermolekularer Marker (6 μL) wird als Referenz verwendet. WT = CVN2L0 mit vier Disulfidbrücken gemäß Buchstabe A. V2 ist eine Variante mit einem Disulfidbindungsersatz durch polare Reste an den Positionen 58 und 73. V3-V5 sind Varianten mit zwei verbleibenden S-S-Bindungen und entweder polaren (C58E-C73R) oder unpolaren (C58W-C73M) substituierenden Aminosäuren oder einer Kombination dieser Restpaarsubstitutionen. (D) HPLC-Chromatogramme von gereinigtem CVN2L0 werden bei einer Flussrate von 1 ml/min mit einem linearen Gradienten von 5% -65% Puffer B in Puffer A über 30 min eluiert. Puffer A ist: 0,1% (v/v) Trifluoressigsäure inddH2O, Puffer B ist: 0,08% (v/v) Trifluoressigsäure in Acetonitril. Das Protein wird auf einer Hochleistungs-Silikagel-Säule 300-5-C4 (150 x 4,6 mm) bei 214 nm und 280 nm analysiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
7. SPR-Spektroskopie
8. SPR-Bindungsassay für CV-N-Bindung an HA, S-Protein und RBD
Ein dimeres domänenvertauschtes CVN2L0-Molekül wird in drei separaten SPR-Experimenten auf Bindung an die HA-Top-Region getestet und die Bindungsaffinität wird inKD-Werten dargestellt. Es wird angenommen, dass Domäne B H-Bindungsstellen umfasst, die durch den Ersatz einer Disulfidbindung in ionische Reste beeinflusst werden, und Domäne A bildet L10,18. Einzelinjektionen von CVN2L0 und den Varianten V2 (drei Disulfidbrücken) und V5 (zwei Disulfidbrücken) werden zunächst auf Bindung an den HA-gekoppelten Sensorchip getestet, um die Bindungskapazitäten abzuschätzen, bevor die Kinetik mit dem Autosampler und dem Lauftischeditor eingerichtet wird (Abbildung 3A und ergänzende Abbildung 2). Wiederholte Injektionen werden für eine Reihe von CVN2L0, V2 und V5 bei verschiedenen Konzentrationen im nanomolaren und μ-molaren Bereich im System im Zeitverlauf automatisiert (Abbildung 3B-D). CVN2L0 korreliert die Anzahl der intakten Cys-Cys-Bindungen und bindet immobilisiertes HA bei KD = 255 nM, wenn eine gute Sättigung erreicht wird. In diesem Fall stimmen beideKD-Werte, die entweder aus kinetischen Daten oder durch Anpassung der Gleichgewichtsdaten an die Langmuir-Bindungsisotherme berechnet werden, mäßig überein (Tabelle 1 und ergänzende Abbildung 3, ergänzende Abbildung 4).

Abbildung 3: SPR-Bindungsassay für die Ligandenbindung über multivalente Wechselwirkungen. CVN2 (WT) und die Bindungsstellenvarianten V2 und V5 mit Disulfidersatz in der hochaffinen kohlenhydratbindenden Tasche werden auf die Bindung kovalent immobilisierter HA getestet. (A) Linke und rechte Flusszellenbindungskurven von CVN2, V2 und V5 können aus dem SPR-Laufprotokoll extrahiert werden, und Sensorgramme werden in einem Overlay zusammengefasst. (B) Sensorgramm aus konventionellem SPR-Experiment, dargestellt als kinetische Analysen zur Bindung von CVN2L0 an HA, Injektion von Analytkonzentrationen von 10-4 bis 10-8 M. CVN2L0 wird bis zur höchsten Konzentration bei 1,5 μM (obere Linie) und bis zu 500 nM (untere Linie) gemessen, wobei keine Sättigung auf der Chipoberfläche oder Gleichgewichtsbindung erreicht wird. EVU = Reaktionseinheiten. Zum Einsatz kommt ein CMD500D Sensorchip. (C) SPR-Sensorgramm für V2-Bindung an HA. (D) V5 bindet an HA. Die Abbildung (B-D) ist mit Genehmigung von Referenz10 wiedergegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| ka (M-1 s-1) | KD (S-1) | KD [HA] Kinetisch |
KD [HA] Gleichgewicht |
|
| CVN2 | 5.1 e3 | 1,3 x 10-3 | 255 nM | 246 nM |
| V2 | 4.0 e3 | 1,1 x 10-3 | 275 nM | 255 nM |
| V5 | 1.2 e3 | 5,8 x 10-2 | 5 μM | 4,9 μM |
| CVN2L0 | 2.07 e4 | 3,0 x 10-3 | 147 nM | 600 nM |
| 2.27 e4 | 3,0 x 10-3 | 133 nM | 490 nM |
Tabelle 1: Bindungsaffinitäten von CVN2 und Varianten zu HA, gemessen über SPR. Scrubber 2.0 (eine BioLogic-Software) wird verwendet, um SPR-Assoziations- und Dissoziationskurven in Echtzeit anzupassen und die Gleichgewichtsdissoziationskonstanten (KD) aus kinetischen und Gleichgewichtsdaten zu berechnen. Ka = Assoziationsratenkonstante. Kd = Dissoziationsratenkonstante.
Während dieKD-Werte für die Bindung von CVN2L0 und V2 an HA beide im nanomolaren Bereich liegen, ist V5 bei der Bindung vermindert (Tabelle 1). In V5 werden zwei Disulfidbindungen durch Ionenpaarungsreste ersetzt, die potenzielle ionische Wechselwirkungen zwischen mutierten Glu- und Arg-Resten retrainieren (Abbildung 2A,3D). Die Primärdaten werden nach den integrierten Assoziations- und Dissoziationsgeschwindigkeitsgleichungen analysiert, die die Bindungskinetik der Wechselwirkung von löslichem CV-N mit immobilisiertem Liganden und die Dissoziation des gebildeten Komplexes von der Chipoberfläche beschreiben. Es werden zwei unabhängige Messungen durchgeführt und Sensorgramme analysiert, die denen von Replikaten entsprechen. KD wird berechnet als Quotient von koff/kon (Zusatztabelle 1)10,35. KD bezieht sich jedoch auf die Gleichgewichtsdaten, die zur Langmuir-Bindungsisotherme 36 passen, wobei die Gleichgewichtsbindungsantwort als Funktion der Analytkonzentration aufgetragen wird (ergänzende Abbildung 3A,4A,3B,4B). Konzentrationsabhängig wird die Dissoziationsratenkonstante kd nach Analysen bestimmt und in die Assoziationsphasenanpassung (kon) einbezogen, um die Assoziationsratenkonstante ka zu schätzen. (Tabelle 1, ergänzende Abbildung 3C, ergänzende Abbildung 4C).
Als nächstes wird die Bindung von CV-N an HA mit seiner Interaktion mit RBD verglichen. Die CV-N WT-Bindung an SARS-CoV-2 RBD wird bei schwächerer Affinität (K D = 260 μM, Abbildung 4A) im Vergleich zur Bindung an HA (KD = 5,7 nM)8,10,12 und Bindung an S-Protein (KD = 18,6 μM, Abbildung 5) gemessen. Die Konzentration versus Reaktion wird für die Bindung von CV-N WT an RBD aufgetragen, wobei ein spezifisches Targeting von möglicherweise konservierten Kohlenhydraten auf der RBD S1-Untereinheit angenommen wird (Abbildung 4A). Das gleiche Affinitätsdiagramm wird für die CVN2L0-V4-Bindung an DM gezeigt, die aufgrund des Ersatzes von Disulfidbindungen, die die hochaffine Bindung an kleine glykosylierte Peptide stören, nicht mehr analysierbar ist (Abbildung 4B).
CVN2L0-V4 (2 Disulfidbindungen im Gegensatz zum unsymmetrischen Ersatz von Cysteinresten durch entweder Glu-Arg-Reste oder amphipathische Aminosäuren Trp und Met) können unpolare Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke um die Pseudodomäne B Kohlenhydratbindungsstelle10 bilden. Eine höhere Dichte von Glykanen auf HA-Protein erreicht eine Bindung mit polaren Glu-Arg-Resten anstelle von Cystinen (Zusatztabelle 1) und eine Assoziation mit mannosylierten Peptiden (KD = 10 μM für DM) zwischen CVN2L0 und Modifikationen in Glu-Arg, zeigt jedoch eine diskontinuierliche Dissoziation von Varianten von diesem monoglykosylierten Peptid, insbesondere wenn H an beiden Monomeren modifiziert wird. Für die Wechselwirkung zwischen CVN2L0-V4 und DM ergibt das Ansprechen der 56 μM CVN2L0-V4-Injektion ein höheres Ansprechverhalten als Rmax. (Abbildung 4B). V5 (2x Glu-Arg) schlägt bei der Dissoziation von oberflächengebundenem DM fehl (Daten nicht gezeigt). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Reaktionskurven niedrigerer Konzentrationen abnehmen, bevor die Injektion für alle Sensorgramme auf CVN2-Bindung an Peptid ohne natives H und Monomerbindung an RBD beendet wird.

Abbildung 4: SPR-Analysen der (A) CV-N WT-Monomerbindung an RBD. K D wird durch Anpassung kinetischer Daten (linke Seite, K D = 260 μM) berechnet und mit Affinitätsdaten (rechte Seite) unter Verwendung eines einfachen biomolekularen Modells für eine 1:1-Bindung zwischen Ligand und Analyt (K D-Equil = 274 μM) verglichen. Die Gleichgewichtsbindungsantwort oder Bindungskapazität wird als Funktion der Konzentration im Vergleich zu den SPR-Bindungskurven (0-605 μM CVN) aufgetragen. H = High-affinity binding site. L = Bindungsstelle mit geringer Affinität. Beide sind auf CV-N und CVN2L0 zu finden. (B) Dimere CVN2L0-V4-Bindung an DM, unter Annahme von 2L ohne analysierbares KD. CVN2L0-V4 Konzentrationen sind 56 μM, 28 μM, 14 μM, 7 μM, 3,5 μM. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Mutante CVN-E41A und CV-N WT Bindung an (A) S Glykoprotein. Pfeile zeigen den Beginn der Assoziations- und Dissoziationsphase an. (B) CVN-E41A-Bindung an RBD auf SARS-CoV-2. Die Liganden werden auf HC-Polycarboxylat- und CMD500D-Sensorchips vorimmobilisiert. Covid-19 S1-Untereinheit [Pinto, D. et al.26; und Barnes, C. et al.37] wird für die RBD-Immobilisierung verwendet. Durchfluss: 30 μL/min, 25 °C; geplottete Rohdaten. Im Vergleich dazu wird die Bindung von humanen Blutserumantikörpern an RBD mit einem Verdünnungsfaktor von 1:200 dargestellt. (C) SPR-Assay der CV-N WT-Bindung an S-Glykoprotein, das auf ein Ansprechniveau von 400 μRIU immobilisiert wird, um CV-N einzufangen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Es wurde bereits gezeigt, dass monomere CV-N mit einem einzelnen L gp120 nicht ausreichend binden kann, sondern dass die Neutralisationsfähigkeit von CV-N eine Vernetzung von zwei Kohlenhydratbindungsstellen erfordert und überwiegend durch Dimerisierung wiederhergestellt wird, um mit 2H12,19 zu funktionalisieren. Daher wird eine monomere Mutante CVN-E41A exprimiert, die im Verdacht steht, die Pseudodomäne B zu destabilisieren oder die Konnektivität mit der zweiten Domäne A zu unterbrechen, wie sie in CV-N WT gefunden wird. Cvn-E41A-Monomer zeigt Stabilität bei Bindung an S-Protein, ähnlich wie CV-N-Monomer. Obwohl die SPR-Reaktion für 605-680 μM Analytkonzentrationen zu hohen Ansprecheinheiten und typischen SPR-Sensorgrammen für CV-N WT bzw. E41A-Bindung führt, ist die Mutante instabil, wenn sie verdünnt wird (Abbildung 5).
Ergänzende Abbildung 1: SPR-Sensorgramm zur Erfassung der DM-Mimikry als Teil der Influenza-HA-Oberseite. Screenshot: SPR-Datendiagramm zeigt das SPR-Laufprotokoll zur Immobilisierung von DM auf SPR-Sensorchip CMD500D, der mit 500 nm Carboxymethyldextran-Hydrogel beschichtet ist und für kinetische Analysen von niedermolekularen Analyten auf hoher Ligandendichte geeignet ist. Sensorchips werden direkt mit Emersionsöl auf den Detektor montiert und unterhalb einer Durchflusszelle mit drei Anschlüssen befestigt. Nach Abschrecken der aktivierten Chipoberfläche mit 1 M Ethanolamin HCl pH 8,5 wird CVN2 zweimal injiziert (Konzentration = 1 μM bzw. 2 μM). Lila: Unterschied zwischen Durchflusszelle 1 und Durchflusszelle 2; Die Reaktion wird in einem Intervall von 0,2 s aufgezeichnet. Blau: Durchflusszelle 1: 3000-4000 Mikro-Brechungsindexeinheiten (μRIU), beschichtet aus einer 400 nM Lösung des Liganden DM auf eine aktivierte carboxylierte Oberfläche. Rot: Referenzdurchflusszelle 2. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: Manueller Lauf auf HA-funktionalisiertem CMD500D-Sensorchip mit Bindung von dimeren CVN2L0-V5, V2 und CVN2L0. Bei Infusionsflussraten von 30-50 μL/min werden CVN2L0- und Disulfidbindungsvarianten, die mit einem His-Tag exprimiert und über Ni-NTA gereinigt werden, im mittleren μM-Bereich injiziert und auf Bindung an HA mit einer Assoziationsphase von 3 min und einer Dissoziationsphase von 2 min getestet. Die Injektionen sind V5 (15 μM), V2 (2,4 μM), 0 μM, CVN2L0 subkloniert aus einem SUMO-Fusionsprotein (1 μM) und CVN2L0 (2 μM). Für alle Experimente bei 25 °C wird ein Laufpuffer bei physiologischem pH-Wert verwendet. Alle Lösungen werden entgast und filtriert (0,2 μm), bevor sie in das System eingespritzt werden. Lila: Unterschied zwischen Durchflusszelle 1 und Durchflusszelle 2; Die Reaktion wird in einem Intervall von 0,2 Sekunden aufgezeichnet. Blau: Durchflusszelle 1: 2540 μRIU HA. Rot: Referenzdurchflusszelle 2. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 3: CVN2-Bindung an HA. Analyse von Sensorgrammen, wenn Kurven automatisch ausgerichtet werden. (A) Sensorgramme, die mit der Scrubber-Software (links) und der Bindungsisotherme auf Null gesetzt und ausgerichtet wurden und eine konzentrationsabhängige Antwortkurve an gebundene Analyten zeigen (rechts). (B) Bindeisotherme, ausgedrückt in Prozent der Kapazität. (C) Rechenisch angepasste theoretische Assoziations- und Dissoziationskurven. (D) Kinetik auf SPR-Sensorgrammen ohne angepasste Kurven. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 4: CVN2-Bindung an HA. Analyse von Sensorgrammen, wenn Kurven manuell ausgerichtet werden. (A) Sensorgramme, die mit der Scrubber-Software (links) und der Bindungsisotherme auf Null gesetzt und ausgerichtet wurden und eine konzentrationsabhängige Antwortkurve an gebundene Analyten zeigen (rechts). (B) Bindeisotherme, ausgedrückt in Prozent der Kapazität. (C) Rechenisch angepasste theoretische Assoziations- und Dissoziationskurven. (D) Kinetik auf SPR-Sensorgrammen ohne angepasste Kurven. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Tabelle 1: Kinetische Daten aus SPR-Sensorgrammen für die Bindung der CVN2L0- und Cys-Cys-Bindungsvarianten V2, V4 und V5 an HA unter Verwendung eines Langmuir 1:1-Bindungsmodells. KD [M] = k off/k on oder kd/ka. Alle Daten werden bei 25 °C im HBS-EP(+)-Puffer erzeugt.: Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Der Autor hat nichts offenzulegen.
Das vorliegende Protokoll beschreibt neue Werkzeuge für SPR-Bindungsassays zur Untersuchung der CV-N-Bindung an HA, S-Glykoprotein, verwandte Hybrid-Glykane und High-Mannose-Oligosaccharide. SPR wird verwendet, um das KD für die Bindung von entweder dimerem oder monomerem CV-N an diese Glykane zu bestimmen.
Der Autor dankt Dr. Christian Derntl vom Department für Biotechnologie und Mikrobiologie der TU Wien und der Universitätsklinik für Medizin III, Abteilung für Nephrologie und Dialyse der Medizinischen Universität Wien, insbesondere Dr. Markus Wahrmann für die technische und wissenschaftliche Unterstützung. Die Proteinexpression in Säugetierzellen wurde vom Department für Biotechnologie der Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien unterstützt. Die Autorin dankt Dr. Nico Dankbar von XanTec bioanalytics in Düsseldorf für hilfreiche wissenschaftliche Diskussionen zur Durchführung der SPR-Bindungsassays.
| Ä kta primeplus | Cytiva | ||
| Amicon Röhren | Merck | C7715 | |
| Ampillicin | Sigma-Aldrich | A5354 | |
| Beckmann Scharkühler Allegra X-30R Zentrifuge | Beckman Coulter | B06320 | |
| Zellspreizer | Sigma-Aldrich | HS86655 | silber Edelstahl, Stange L 33 mm |
| Custom DNA Oligos | Sigma-Aldrich | OLIGO | |
| Custom Gensynthesis | GenScript | #1390661 | Klonierungsvektor: pET27b(+) |
| Cytiva HBS-EP+ Puffer 10, 4x50mL | Thermo Scientific | 50-105-5354 | |
| Dionex UlitMate 3000 | Thermo Scientific | IQLAAAGABHFAPBMBFB | |
| Dpn I Restriktionsenzym (10 U/μ L) | Fisher Scientific | ER1701 | |
| DTT | Merck | DTT-RO | |
| EDC | Merck | 39391 | |
| EDTA | Merck | E9884 | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes | Eppendorf | 30120086 | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes | Eppendorf | 30120094 | |
| Eppendorf Minispin und MiniSpin Plus persönliche Mikrozentrifuge | Sigma-Aldrich | Z606235 | |
| Ethanol | Merck | 51976 | |
| Ethanolamin HCl | Merck | E6133 | |
| Falcon 50 ml konische Zentrifugenröhrchen | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| Falcon 14 mL Reagenzglas aus Polystyrol mit rundem Boden, mit Schnappkappe, steril, 25/Packung | Corning | 352057 | |
| Glukose | Merck | G8270 | |
| Glycin HCl | Merck | 55097 | |
| HA H3 Protein | Abcam | ab69751 | |
| HEPES | Merck | H3375 | |
| His-select Ni2+ | Merck | H0537 | |
| Imidazol | Merck | I2399 | |
| IPTG | Merck | I6758 | |
| Kanamycin A | Sigma-Aldrich | K1377 | |
| Kromasil 300-5-C4 | Nouryon | ||
| LB agar | Merck | 52062 | |
| LB agar | Merck | 19344 | |
| LB Lennox | Merck | L3022 | |
| Lysozym | Merck | 10837059001 | |
| Magnesiumchlorid | Merck | M8266 | |
| Magnesiumsulfat | Merck | M7506 | |
| NaH2P04 | Merck | S0751 | |
| NanoDrop UV-Vis2000c Spektralphotometer | Thermo Scientific | ND2000CLAPTOP | |
| NaOH | Merck | S5881 | |
| NHS | Merck | 130672 | |
| NZ Amin ( Caseinhydrolysat) | Merck | C0626 | |
| PBS | Merck | 806552 | |
| PD MidiTrap G-10 | Sigma-Aldrich | GE28-9180-11 | |
| Pepton | Merck | 70171 | |
| pET11a | Merck Millipore (Novagen) | 69436 | |
| PMSF | Merck PMSF-RO | ||
| QIAprep Spin Miniprep Kit (1000) | Qiagen | 27106X4 | |
| Reichert Software Package Autolink1-1-9 | Reichert | ||
| Reichert SPR SR7500DC Dual Channel System | Reichert | ||
| Scrubber2-2012-09-04 für die Datenanalyse | Reichert | ||
| SDS | Merck | 11667289001 | |
| Site-directed Mutagenese Kit inkl. pUC18-Kontrollplasmid | Stratagen | #200518 | |
| Sodimchlorid | ,Merck | S9888 | |
| Natriumacetat. Trihydrat | Merck | 236500 | |
| SPR Sensorchip C19RBDHC30M | XanTec | Bioanalytik SCR C19RBDHC30M | |
| SPR Sensorchip CMD500D | XanTec Bioanalytik | SCR CMD500D | |
| Sterilin Standard 90mm Petrischalen | Thermo Scientific | 101R20 | |
| TBS | Merck | T5912 | 10x, Lösung |
| Triton-X100 | Merck | T8787 | |
| Trypton | Merck | 93657 | |
| Tween20 | Merck | P1379 | |
| Vortex-Genie 2 Mixer | Merck | Z258423 | |
| X-gal | Merck | XGAL-RO | |
| XL1-Blue Supercompetent Cells | Stratagene | #200236 | |
| Hefeextrakt | Merck | Y1625 |