摘要:以速滅威抗原免疫的小鼠為實驗對象,取其脾細胞,RT-PCR擴增抗體重鏈可變區(VH)和輕鏈可變區(VL)基因,重疊延伸PCR拼接單鏈抗體(ScFv)基因,克隆入噬菌粒表達載體pCANTAB5E并轉化大腸桿菌TG1,成功構建了庫容約7.6×105的抗速滅威噬菌體ScFv庫。對該文庫進行了5輪“吸附-洗脫-擴增”的富集篩選,獲得了6個特異性較強的抗速滅威噬菌體ScFv陽性克隆。其研究結果為速滅威特異性抗體的大量制備奠定了一定的基礎。
關鍵詞:速滅威;單鏈抗體;噬菌體展示
中圖分類號:Q819 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)09-1908-05
Construction,Screening and Identification of Phage ScFv Library Against Metolcarb
LI Tie-jun1,LI De-quan2
(1. Chemical and Biological Engineering Institute,Nantong Vocational College,Nantong 226007,Jiangsu,China;
2. College of Life Science,Life and Science College of Nantong University,Nantong 226007,Jiangsu,China)
Abstract: Balb/C mice were immunized with a hapten conjugate of Metolcarb, and their spleen cells were harvested. VH and VL genes were amplified by RT-PCR. VH and VL were matched into ScFc by overlap extension PCR, and cloned into pCANTAB5E expression vector, and then transformed TG1 cells. Thus the phage single-chain Fv(ScFv) library with a size of about 7.6×105 was successfully constructed. The library was biopanned by 5 rounds of binding-elution-enrichment procedure; and 6 positive clones with high specificity for Metolcarb were obtained. The results generated could be the foundation for large-scale production of specific antibodies against Metolcarb.
Key words: metolcarb;single chain Fv(ScFv); phage-display
速滅威(Metolcarb,3-甲苯基-N-甲基氨基甲酸酯)是氨基甲酸酯類殺蟲劑,具有觸殺和熏蒸作用,主要用于稻田、蔬菜、水果及經濟作物等的害蟲防治。雖然速滅威為中等毒殺蟲劑,但農產品上殘留的速滅威仍會對人體健康造成潛在的危害,有必要對其進行持續的監控檢測[1]。
目前定量分析速滅威殘留的主要方法是氣相色譜(GC)和高效液相色譜(HPLC)等儀器分析法,但這些方法必須對樣品進行步驟冗長的純化處理,很難達到快速、簡便的現場檢測要求;與儀器分析相比,免疫分析法具有快速、簡單、靈敏、價廉等優點,可用于現場快速檢測,具有廣闊的應用前景和開發潛力[2]。
抗體作為免疫分析的核心試劑,其制備技術一直是制約免疫分析法在農藥殘留分析領域應用的瓶頸因素。與傳統的多抗和單抗制備技術相比,第三代抗體制備技術——噬菌體抗體庫技術具有基因型與表型相統一、選擇與擴增相統一的優點,它不僅可以繞過繁瑣的雜交瘤制備過程,甚至可以省略動物免疫的步驟,使得建立各種文庫以及體外篩選任何目的分子的重組抗體成為可能[3]。因此,噬菌體抗體庫技術為化學農藥抗體的制備開拓了新的思路。
本研究利用噬菌體展示技術,構建抗速滅威噬菌體ScFv庫,從中篩選與速滅威特異性結合的噬菌體ScFv陽性克隆,為進一步實現速滅威免疫快速檢測提供大量制備特異性抗體的新途徑。目前,國內外有關速滅威ScFv制備的研究尚未見報道。
1材料與方法
1.1材料
1.1.1實驗動物BALB/c小鼠,雌性,6周齡,由南通大學實驗動物中心提供。
1.1.2主要試劑速滅威免疫原HOM-BSA和包被抗原HOM-OVA參照文獻[2]的步驟合成;弗氏完全佐劑與弗氏不完全佐劑購自Sigma公司;Trizol試劑購自Invitrogen公司;rTaq DNA聚合酶、限制性內切酶、T4 DNA連接酶、DNA凝膠回收試劑盒、質粒抽提試劑盒購自TaKaRa公司;mRNA純化試劑盒、E. coli TG1、pCANTAB5E、M13KO7輔助噬菌體、ScFv構建試劑盒、重組噬菌體篩選試劑盒購自Pharmacia公司;蛋白胨、酵母提取物購自Oxoid公司;TMB(3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺)由中國華美生物工程公司進口分裝;其余基本試劑均為分析純。
1.2方法
1.2.1動物免疫及mRNA的分離免疫原HOM-BSA與等量弗氏完全佐劑混合,對小鼠腹腔注射進行免疫。換不完全佐劑,隔2周加強一次,共加強5次,取小鼠脾臟前3 d再用HOM-BSA加強免疫一次,采用酶聯免疫吸附測定(ELISA)法檢驗抗體滴度,取免疫效果好的小鼠脾臟以Trizol試劑提取總RNA,經Oligo(dT)纖維素層析柱分離得mRNA。
1.2.2VH,VL 基因擴增以mRNA為模板,在鼠源反轉錄酶催化下,以隨機六聚體為引物合成cDNA第一鏈,用小鼠抗體重、輕鏈可變區特異性引物,PCR擴增VH和VL基因。將PCR產物進行1.5%瓊脂糖凝膠電泳,用DNA凝膠回收試劑盒回收目的基因片段。
1.2.3ScFv基因的克隆純化回收的VH、VL基因片段與Linker Primer Mix以等摩爾濃度混合,進行重疊延伸PCR反應。PCR反應參數為94℃、1 min,63℃、4 min,進行7個循環后延伸5 min,從而將VH、VL基因隨機拼接成ScFv,再繼續進行30次循環,反應條件為94℃、1 min,55℃、2 min,72℃、2 min,循環結束后,72℃延伸10 min。將PCR 產物進行1.5%瓊脂糖凝膠電泳,用DNA凝膠回收試劑盒回收目的基因片段。
1.2.4抗速滅威噬菌體ScFv庫的構建將純化的ScFv片段用SfiⅠ、NotⅠ雙酶切,與經同種雙酶預切的pCANTAB5E噬菌粒載體連接,轉化感受態
E. coli TG1,鋪板后,30℃過夜培養,計算重組子數,估計庫容。隨機挑取文庫的重組子,提取質粒后PCR擴增ScFv基因片段,電泳回收后的ScFv基因片段用BstNⅠ酶切消化,4%瓊脂糖凝膠電泳分析酶切指紋圖譜,進行文庫多樣性分析,同時對提取的質粒進行Hin dⅢ、Eco RⅠ雙酶切鑒定。其余菌落用2×YT液體培養基沖刮并收集,加入氨芐青霉素至105μg/L、葡萄糖至2%,并加入M13KO7輔助噬菌體超感染,37℃振蕩培養1 h后,離心沉淀菌體,用2×YT-AK液體培養基懸浮,37℃振蕩培養過夜,離心沉淀菌體細胞,上清即為抗速滅威噬菌體ScFv庫。
1.2.5抗速滅威噬菌體ScFv庫的富集篩選
1)第一輪富集篩選。參照文獻[4]的步驟進行第一輪富集篩選。在進行第一輪篩選時,降低篩選強度可避免有價值的稀有噬菌體重組子的丟失。本研究第一輪包被抗原HOM-OVA的濃度為50.0 μg/mL,噬菌體ScFv的非特異性洗脫次數為10次。篩選結束?。保?μL已感染重組噬菌體的細菌培養物作6次10倍稀釋,100 μL/SOBAG平板,30℃溫箱培養過夜,測定噬菌體ScFv滴度,計算噬菌體的回收率,分析親和富集效果。
2)后四輪富集篩選。第二、三、四、五輪篩選抗原的包被濃度依次為5.0、3.0、1.0、0.5 μg/mL,第二輪以后的噬菌體ScFv的非特異性洗脫次數為20次,其余步驟同第一輪。
3)多克隆噬菌體ELISA。采用多克隆噬菌體ELISA分析各輪吸光度值變化可初步鑒定每輪富集篩選的效果。①將包被抗原HOM-OVA用0.05 mol/L碳酸鹽包被緩沖液(pH值為9.6)稀釋為10 μg/mL,96孔酶標板100 μL/孔包被,4℃過夜;②去包被液,PBS緩沖液洗滌3次,3%脫脂奶粉(PBS緩沖液配置)200 μL/孔,37℃封閉2h;③去封閉液,PBS緩沖液洗滌3次,每輪篩選后,分別取相同滴度(5×109 PFU/mL)、PEG/NaCl沉淀獲得的噬菌體ScFv與等體積3%的脫脂奶粉(PBS緩沖液配置)混勻,100 μL/孔,37℃孵育2 h,陰性對照為相同滴度擴建的原始噬菌體ScFv庫;④去噬菌體懸液,以0.05% Tween20-PBS洗滌6次;酶標二抗HRP/Anti-M13用3%脫脂奶粉(PBS緩沖液配置)做1∶10 000的稀釋,100 μL/孔,37℃孵育1h;⑤棄去溶液,以0.05% Tween20-PBS洗滌6次,加入TMB顯色液100 μL/孔,37 ℃孵育10 min;⑥50 μL 2mol/L H2SO4/孔終止反應;⑦酶聯儀測定OD450nm值。
4)單克隆噬菌體ELISA。隨機挑選第三、四、五輪經PCR和酶切驗證的重組子制備單克隆噬菌體ScFv;取相同滴度的單克隆噬菌體ScFv參照上述多克隆噬菌體ELISA步驟進行檢測,陽性判定的標準為OD值大于等于陰性對照孔的2.1倍;通過計算每輪篩選的單克隆噬菌體ScFv的陽性率來鑒定富集篩選效率。
1.2.6高親和力高特異性抗速滅威噬菌體ScFv的篩選
1)單克隆噬菌體ELISA篩選試驗。①抗體庫經五輪富集篩選后,將最后一輪篩選后的涂布在SOBAG平板上,分批挑選經PCR及酶切驗證含重組噬菌粒的重組子制備單克隆噬菌體ScFv;②取相同滴度的噬菌體ScFv進行單克隆噬菌體ELISA篩選試驗,陰性對照孔為相同滴度用空載體轉化菌擴增的M13K07;③取ELISA吸光度值高的陽性克隆進行下一步競爭抑制試驗,陽性判定的標準為OD值大于等于陰性對照孔的2.1倍。
2)競爭抑制試驗。采用游離的速滅威原藥進行單克隆噬菌體ELISA競爭抑制試驗可進一步排除具高親和力的非特異性陽性克隆。將50 μL用3%脫脂奶粉(PBS緩沖液配置)稀釋的噬菌體抗體(5×1010PFU/mL)與50 μL不同濃度的(1、10、100 μg/mL)速滅威原藥(用3%脫脂奶粉10倍稀釋)37℃孵育30 min,使抗原抗體充分反應,其余操作同上述多克隆噬菌體ELISA;計算抑制率,分析競爭抑制效果。抑制率=(未加速滅威的OD450 nm-加入速滅威的OD450 nm)/未加速滅威的OD450 nm×100%。
2結果與分析
2.1抗體基因PCR產物的鑒定
用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物,結果顯示擴增出的VH和VL基因片段分別約為340 bp和320 bp(圖1),重疊延伸PCR后,獲得擴增產物約為750 bp的ScFv基因(圖2),與預期的片段大小相符。
2.2抗速滅威噬菌體ScFv庫的構建
ScFv基因片段經酶切、連接后,轉化E. coli TG1感受態細胞。重組子在氨芐青霉素選擇性培養基上生長旺盛,連接產物的載體轉化率約為4.5×105/μg載體。為了增加抗體庫容量,本研究將每40 μL感受態細胞與4 μL連接產物混勻后電轉,共進行了40次連接和80次轉化反應來構建抗速滅威噬菌體ScFv庫。經計數,長出的重組子總數約為7.6×105,而以未轉化的TG1感受態細胞涂布的平板則沒有重組子長出。
2.3抗速滅威噬菌體ScFv庫的鑒定
2.3.1重組子的PCR鑒定以隨機挑選的重組子的質粒為模板,均能擴增出分子量大小約750 bp的DNA片段(圖3)。
2.3.2重組子的雙酶切鑒定對PCR鑒定結果為陽性的重組噬菌粒進行Hin dⅢ、Eco RⅠ雙酶切鑒定,電泳結果顯示均被切成約2 111 bp和3 111 bp的兩個條帶(圖4),表明有外源基因插入片段,連接轉化成功。
2.3.3文庫的多樣性分析由于BstNⅠ的切割位點[5′-CC(A/T)GG-3′]在免疫球蛋白的可變區基因中大量的存在,因此可用BstN I酶切來間接鑒定文庫的多樣性[5]。本試驗從文庫中隨機挑取的重組子的ScFv基因片段經BstN I酶切后的指紋譜型各不相同(圖略),說明文庫的多樣性好、實際有效性有保障,該抗體庫的庫容量約7.6×105。
2.4抗速滅威噬菌體ScFv庫的富集篩選
以速滅威人工抗原HOM-OVA對抗速滅威噬菌體ScFv庫進行了5輪“吸附-洗脫-擴增”的富集篩選。通過降低抗原包被濃度和增強洗脫力度的方法逐漸洗去了非特異性吸附的噬菌體ScFv。經測定,噬菌體第一、二、三、四、五輪的回收率分別為1.0×10-4%、1.1×10-5%、2.6×10-4%、5.9×10-4%、5.6×10-4%,總體上顯示了一個增加的趨勢,說明特異性的噬菌體ScFv得到了有效富集。
2.5富集篩選效果的分析鑒定
2.5.1多克隆噬菌體ELISA的初步分析5輪洗脫液擴增的噬菌體ScFv各取5×109PFU/mL進行多克隆噬菌體ELISA檢測,其OD450 nm值逐輪增高,分別為第一輪0.107±0.010、第二輪0.143±0.020、第三輪0.282±0.020、第四輪0.431±0.010、第五輪0.533±0.020,而陰性對照(原庫擴增產物)OD450 nm值為0.076±0.010。結果顯示,從第三輪開始,OD450 nm值已為陰性對照的2.1倍以上,說明各輪富集篩選有效。
2.5.2重組子的PCR鑒定經過對第三、四、五輪富集篩選后SOBAG平板菌的菌落PCR鑒定,每輪隨機挑選的20個重組子均能擴增出大小約750 bp的片段(圖略),不存在插入子片段缺失的現象。
2.5.3重組子的雙酶切鑒定選PCR鑒定結果為陽性的噬菌粒進行Hin dⅢ、Eco RⅠ雙酶切鑒定,電泳結果顯示均被切成約2 111 bp和3 111 bp兩個條帶(圖略),證明富集篩選過程中插入的ScFv片段沒有丟失。
2.5.4篩選效率的比較對上述第三、四、五各輪隨機挑選的20個經PCR和酶切鑒定的重組子進行單克隆噬菌體ELISA檢測,結果顯示,第三、四、五輪的陽性率分別為35%、65%、80%,第三、四、五輪的P/N均值分別為2.32、3.21、4.41,說明本試驗富集篩選效率較高。
2.6單克隆噬菌體ELISA篩選高親和力陽性克隆
從第五輪篩選后得到的細菌集落中分批隨機挑選大量重組子,以未經篩選的噬菌體初級庫為對照,單克隆噬菌體ELISA測定這些重組子的噬菌體ScFv與HOM-OVA的結合活性,從中篩選出20個P/N值達到4.00以上的高親和力陽性克隆。
2.7陽性克隆競爭抑制試驗結果
為了排除假陽性發生,對上述20個陽性克隆進行競爭抑制反應,競爭抑制結果顯示:當抗原包被濃度為5.0 μg/mL、噬菌體滴度為5×1010PFU/mL時,有6個陽性克隆對速滅威的識別作用明顯(表1),競爭抑制反應體系中速滅威濃度為10 μg/mL時,抑制率均達到20%以上。
3討論
抗速滅威噬菌體ScFv庫的多樣性是獲得特異性噬菌體ScFv及分泌表達單鏈抗體的關鍵所在。為了能最大限度地獲得抗體可變區基因,保持文庫的多樣性,我們采取了以下措施:①擴增小鼠重鏈、輕鏈基因時采用的PCR引物套組是根據抗體可變區基因上、下游相對保守的骨架區設計的,理論上該套引物能結合數百個V片段中的任何一個以及6個J片段中的任何一個,有較好的通用性,可確保ScFv文庫能最大限度地保持小鼠體內B細胞克隆的多樣性,這是保證抗體庫容量的基礎[6]。②在試驗中加大了VH、VL的原始用量(由cDNA 擴增得到的VH、VL);盡管操作手冊建議用PCR產物再擴增,但擴增后僅僅增加了基因的量,抗體庫中基因的多樣性并沒有增加;因此研究中我們采用了混合多次、由cDNA直接擴增得到的VH、VL PCR產物的方法來保證其所用量。BstN I酶切指紋圖譜分析表明,本研究所構建的免疫抗體庫具有良好的多樣性分布,庫容量為7.6×105。
噬菌體ScFv庫的篩選,需要對許多條件進行優化,包括噬菌體的制備及其滴度,但更重要的是要優化篩選策略。本研究我們通過降低抗原濃度、增強洗脫力度的方法逐漸富集與之特異性高親和力高的噬菌體。①利用抗原濃度遞減的梯度式篩選。因為第一輪淘選時,陽性克隆在抗體庫中的比例和數量很低,若選擇強度過高,極易導致陽性克隆的丟失,且在后幾輪的淘選中將無法彌補。經過第一輪的淘選后,陽性克隆獲得了一次富集和擴增,數量和比例均得以大幅度提升,因此在隨后的淘選中,即使提高嚴謹度,陽性克隆也不易丟失。②確定篩選輪數。篩選輪數過少,特異性噬菌體ScFv不能高度富集,篩選輪數過多,產出率會降低。有研究證明,重復5次篩選效果較好[7,8]。本研究為了得到特異性高的噬菌體抗體,共經過了5輪嚴格的“吸附-洗脫-擴增”淘洗過程。③確定洗滌次數。本研究第一輪篩選洗滌10次,可將非特異性噬菌體和輔助噬菌體洗去,第二輪以后洗滌20次,可除去親合力低的噬菌體ScFv,得到高親合力的噬菌體ScFv。噬菌體回收率及ELISA鑒定結果顯示,上述篩選策略是較為成功的。
本研究通過5輪“吸附-洗脫-擴增”的過程,觀察到了特異性噬菌體ScFv的富集,但是,富集程度與國外文獻報道的相比有一定的差距,篩選出的陽性克隆比例亦低于文獻報道[9]。分析原因可能為:用單一純化抗原免疫小鼠構建的文庫通用性差、容量偏小,B細胞中原始的重輕鏈之間的組配(Pairing)可能發生了丟失。理論研究表明文庫容量越大篩選任意抗原表位的抗體的機率就越大,發現高親合力噬菌體ScFv的可能性也會有所增加[10-12]。誠然,經過一系列的篩選雖然獲得了6個有一定特異性的噬菌體ScFv,但我們應該看到這些陽性克隆的親和活性僅僅是分泌型噬菌體ScFv所表現的活性,而且,噬菌體外殼蛋白對ScFv的活性還存在一定的影響,因此,關于這些陽性克隆的應用前景仍有待于對可溶性ScFv特性的進一步研究加以驗證。
4結論
本研究以速滅威抗原免疫的小鼠為試驗對象,成功構建了庫容約7.6×105的抗速滅威噬菌體ScFv庫,通過對該文庫的5輪“吸附-洗脫-擴增”的富集篩選,獲得了6個特異性較強的抗速滅威噬菌體ScFv陽性克隆。本研究結果為速滅威特異性抗體的大量制備奠定了一定的基礎,對開發其他化學農藥的重組抗體具有重要的理論價值和實踐意義。
參考文獻:
[1] 孫晶瑋,王碩,張燕. 氨基甲酸酯類農藥速滅威人工抗原的合成與鑒定[J]. 現代食品科技,2009,25(10):1183-1185.
[2] 張奇,李鐵軍,朱曉霞,等. 氨基甲酸酯類殺蟲劑速滅威酶聯免疫吸附分析方法研究[J]. 分析化學,2006,34(2):178-182.
[3] 潘科,王弘,張宏斌,等. 抗克倫特羅噬菌體-ScFv庫的構建、篩選及鑒定[J]. 華南理工大學學報(自然科學版),2005,
33(11):51-54.
[4] 甄永蘇,邵榮光. 抗體工程藥物[M]. 北京:化學工業出版社,2002.
[5] LI Y,COCKBURN W,KILPATRICK J B,et al. High affinity ScFvs from a single rabbit immunized with multiple haptens[J]. Biochem Biophys Res Com,2000,268(2):398-404.
[6] ORLANDI R,GUSSOW D H,JONES P T,et al. Cloning immunoglobulin variable domains for expression by the polymerase chain reaction[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1989,86(10):3833.
[7] 王瑣,化冰,劉群英,等. 半合成抗體庫的構建及鑒定[J]. 中華微生物學和免疫學雜志,1999,19(3):238-241.
[8] 侯穎春,楊為松,白雪帆,等. 人源性漢坦病毒噬菌體抗體基因的篩選、測序和表達[J]. 中華微生物學和免疫學雜志,1999,
19(1):38-41.
[9] SHENLAN M, CHANGSHOU G, CHIH-HUNG L, et al. Phage-display library selection of high-affinity human single-chain antibodies to tumor-associated carbohydrate antigens sialyl Lewisx and Lewisx[J]. Medical Sciences, 1999, 96(12):6953-6958.
[10] DE HAARD H J,VAN NEER N,REURS A,et al. A large non-immunized human fab fragment phage library that permits rapid isolation and kinetic analysis of high affinity antibodies[J]. J Biol Chem,1999,274:18218-18230.
[11] VAUGHAN T J,WILLIAMS A J,PRITCHARD K,et al. Human antibodies with subnanomolar affinities isolated from a large non-immunized phage display library[J]. Nat Biotechnol,1996,14:309-314.
[12] SHEETS M D,AMERSDORFER P,FINNERN R,et al. Efficient construction of a large nonimmune phage antibody library:The production of high-affinity human single-chain antibodies to protein antigens[J]. Cell Biology,1998,95(11):6157-6162.