Фаговый дисплей

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Фаговый дисплей (англ. phage display) — это лабораторный метод изучения белок-белковых, белок-пептидных и ДНК-белковых взаимодействий, использующий бактериофагов для того, чтобы соотнести белки и генетическую информацию, кодирующую их. Суть метода в том, что ген, который кодирует белок, интересующий исследователя, встраивают в ген фага, отвечающий за синтез белка капсида, в результате чего фаг начинает «отображать» исследуемый белок на своей оболочке. Так получают соответствие между генотипом и фенотипом фага, а затем исследуют взаимодействие данного белка с другими белками, пептидами или последовательностями ДНК. С помощью селекции in vitro, аналогичной естественному отбору, и амплификации таким образом могут быть получены большие белковые библиотеки.

Наиболее часто используемыми бактериофагами для фагового дисплея являются M13, T4, T7, филаментные фаги[1] и фаг λ[2].

За использование метода фагового дисплея в отборе пептидов и антител была присуждена Нобелевская премия по химии 2018 г.[3][4][5]

История

Метод фагового дисплея был впервые описан Джорджем Смитом (George P. Smith) в 1985 г.[6], который продемонстрировал «отображение» пептида на филаментном фаге после внесения изменений в ген III этого фага. В том же году получает патент Джордж Печеник (George Pieczenik), который также описывает получение библиотек фагового дисплея. Впоследствии в развитии этой технологии принимали участие группы Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Исследовательского института Скриппса (США), Национального центра исследования рака (Германия).

Общий вид процедуры

Последовательность шагов исследования методом фагового дисплея

Далее приведены типичные шаги исследования методом фагового дисплея для определения полипептидов, которые связываются с высокой аффинностью с целевыми белками или последовательностями ДНК:

  1. Целевые белки или последовательности ДНК иммобилизованы (зафиксированы) в ячейках микротитрационного планшета.
  2. Различные генетические последовательности, вставленные в ген синтеза капсида, экспрессируются в бактериофагах, таким образом, на оболочке каждого фага «отображается» свой белок, соответствующий внесенным генетическим изменениям.
  3. Эти бактериофаги помещаются на планшет, и спустя некоторое время, которое требуется для связывания, смываются с него.
  4. Таким образом, на планшете останутся только те фаги, которые хорошо связались с целевыми молекулами, а остальные будут смыты.
  5. Связавшиеся фаги могут быть элюированы (отмыты) и использованы для получения новых фагов путём заражения подходящих бактерий-носителей. Новая популяция фагов представляет собой смесь, в которой намного меньше нерелевантных (не связывающихся с целевыми молекулами) фагов, чем в изначальной смеси.
  6. Шаги 3-5 опционально можно повторить несколько раз для получения более богатой специфичными фагами популяции.
  7. После амплификации с помощью бактерий секвенируется ДНК полученных специфичных фагов для определения белков или их фрагментов, взаимодействующих с целевыми молекулами.

Применения

Применения технологии фагового дисплея включают в себя определение взаимодействующих веществ для определённого белка, позволяя впоследствии установить функцию или механизм работы этого белка. Фаговый дисплей широко используется для белковой эволюции in vitro — так называемой белковой инженерии. В этом применении он является полезным инструментом для поиска и обнаружения новых лекарств. Также он используется для поиска новых лигандов (ингибиторов ферментов, агонистов и антагонистов рецепторов) целевых белков[7][8][9].

С помощью этого метода определяют опухолевые антигены[10] (для целей диагностического и терапевтического таргетирования), а также исследуют ДНК-белковые взаимодействия[11], используя библиотеки специальных последовательностей ДНК с рандомизированными сегментами.

Получение антител in vitro

Изобретение метода фагового дисплея привело к прорыву в области поиска новых антител. В 1991 г. группа Исследовательского центра Скриппса сообщила о первом «отображении» человеческих антител на фаге. Фаговый дисплей библиотек антител стал мощным методом как для изучения иммунного ответа, так и для быстрой селекции и эволюции человеческих антител для последующего использования в терапевтических целях.

Библиотеки антител, отображающие на фагах миллионы различных антител, часто используются в фармацевтической индустрии для выделения узкоспецифичных терапевтических антител с последующей разработкой лекарств, основанных на них, прежде всего противораковых и противовоспалительных.

Примечания

  1. ↑ Kehoe J. W., Kay B. K. Filamentous phage display in the new millennium (англ.) // Chem. Rev.[англ.] : journal. — 2005. — Vol. 105, no. 11. — P. 4056—4072. — doi:10.1021/cr000261r.
  2. ↑ Smith G. P., Petrenko V. A. Phage display (англ.) // Chem. Rev.[англ.] : journal. — 1997. — Vol. 97, no. 2. — P. 391—410. — doi:10.1021/cr960065d.
  3. ↑ George P. Smith Nobel Lecture Phage Display: Simple Evolution in a Petri Dish Архивная копия от 23 декабря 2018 на Wayback Machine
  4. ↑ Sir Gregory P. Winter Nobel Lecture Harnessing Evolution to Make Medicines Архивная копия от 23 декабря 2018 на Wayback Machine
  5. ↑ Кирилл Стасевич. Принудительная эволюция для белков // Наука и жизнь. — 2018. — № 12. — С. 10—15.
  6. ↑ Smith G. P. Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface (англ.) // Science : journal. — 1985. — Vol. 228, no. 4705. — P. 1315—1317. — doi:10.1126/science.4001944. — PMID 4001944.
  7. ↑ Lunder M., Bratkovic T., Doljak B., Kreft S., Urleb U., Strukelj B., Plazar N. Comparison of bacterial and phage display peptide libraries in search of target-binding motif (англ.) // Appl. Biochem. Biotechnol. : journal. — 2005. — November (vol. 127, no. 2). — P. 125—131. — doi:10.1385/ABAB:127:2:125. — PMID 16258189.
  8. ↑ Bratkovic T., Lunder M., Popovic T., Kreft S., Turk B., Strukelj B., Urleb U. Affinity selection to papain yields potent peptide inhibitors of cathepsins L, B, H, and K (англ.) // Biochem. Biophys. Res. Commun.[англ.] : journal. — 2005. — July (vol. 332, no. 3). — P. 897—903. — doi:10.1016/j.bbrc.2005.05.028. — PMID 15913550.
  9. ↑ Lunder M., Bratkovic T., Kreft S., Strukelj B. Peptide inhibitor of pancreatic lipase selected by phage display using different elution strategies (англ.) // J. Lipid Res.[англ.] : journal. — 2005. — July (vol. 46, no. 7). — P. 1512—1516. — doi:10.1194/jlr.M500048-JLR200. — PMID 15863836.
  10. ↑ Hufton S. E., Moerkerk P. T., Meulemans E. V., de Bruïne A., Arends J. W., Hoogenboom H. R. Phage display of cDNA repertoires: the pVI display system and its applications for the selection of immunogenic ligands (англ.) // J. Immunol. Methods : journal. — 1999. — December (vol. 231, no. 1—2). — P. 39—51. — doi:10.1016/S0022-1759(99)00139-8. — PMID 10648926.
  11. ↑ Gommans W. M., Haisma H. J., Rots M. G. Engineering zinc finger protein transcription factors: the therapeutic relevance of switching endogenous gene expression on or off at command (англ.) // J. Mol. Biol.[англ.] : journal. — 2005. — December (vol. 354, no. 3). — P. 507—519. — doi:10.1016/j.jmb.2005.06.082. — PMID 16253273.