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编号:10288329
基因工程单链抗体的研究进展
http://www.100md.com 《重庆医学》 2000年第2期
     作者:石小枫 覃川平(综述) 刘杞(审校)

    单位:石小枫(重医附二院病毒性肝炎研究所 400010);覃川平(重庆市第一人民医院);刘杞(重医附二院病毒性肝炎研究所 400010)

    关键词:

    重庆医学000263 基因工程抗体在医学生物学研究、疾病的诊断治疗及其它方面 有着广泛的应用。近年来国内外学者对基因工程抗体进行了广泛的研究,涉及到抗体基因的 获取、构建、表达及最后的应用。尤其是单链抗体(Single Chain Antibody SCA&Single Ch ain Fv ScFv)因其具有抗原亲活性、分子量小、穿透力强、体内循环半衰期短及排除了Fc段 所致的免疫复合物反应等优点,而成为基因工程抗体研究领域中的热点课题。本文就其这方 面的研究作一综述。

    1 获取和构建单链抗体基因及建立抗体基因库
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    抗体重链可变区(VH)和轻链可变区(VL)基因分别由四个相对保守的骨架区(FR)、三个抗 体互补决定区(CDR)组成,FR呈β片层结构,碱基组成和排列顺序较稳定,因此可据FR碱基 组成,合成扩增VH和VL基因的寡核苷酸引物,经聚合酶链反应(PCR)获得VH和VL基因。

    1.1 从杂交瘤细胞中获取和构建V基因 从杂交瘤细胞中提取总RNA,经反 转录成cDNA,经PCR扩增抗体重链可变区基因和轻链可变区基因,经一人工合成的一条寡核 苷酸序列(Linker序列)将VL的C端与VH的N端相连,建成单链抗体基因即:VH-Linker-VL。 Linker的长度认为12~25个氨基酸残基较合适,Linker既能使VH、VL自由折叠,暴露抗原结 合点,也可减少蛋白酶的攻击,防止抗体聚集。Huston等设计了一15肽序列的Linker,其X 线衍射分析,此连接肽将VH的C端和VL的N端连接后,不影响ScFv的二级结构,有助于恢复S cFv的天然结合力,具有较好的稳定性和活力[1]
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    1.2 从人淋巴细胞中获得和构建V基因 通过杂交瘤细胞获得的单链抗体虽 然去掉了Fc段,大大降低了抗体的免疫原性,但由于整个V区框架是外源性的,所以或多或 少保留了部分抗原性,而直接从感染某种或接触某种抗原的人外周血淋巴细胞中分离V基因 ,构建组合文库,以获得人的具高亲和力抗体,排除了抗原性,在临床应用上有着良好的前 景。用PCR扩增VH、VL基因,用限制性内切酶切下VH、VL的DNA片段,然后克隆入载体。噬菌 体展示文库(phage display library)构建噬菌体抗体基因库是近几年研究的特点。其基本 原理是将PCR扩增的全套抗体轻重链可变区基因随机插入噬菌体(M13)载体中,ScFv与M13噬 菌体CPⅢ融合表达[2]

    2 单链抗体的表达

    单链抗体的表达可分为原核表达和真核表达。原核表达主要以大肠杆菌为主,因其培养方法 简单、迅速、经济又易于掌握,可直接在表达载体中进行基因操作和构建抗体库。真核表达 能使抗体形成适当的折叠及糖基化,更接近抗体的自然结构,从而可弥补原核表达的不足。
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    2.1 单链抗体的原核表达 第一:在胞质中表达,抗体片段以包涵体形式 存在,其优点是可防止宿主对抗体片段的降解,但分离后还要进行复性和折叠等处理。Tsum ato等将抗鼠溶菌酶ScFv基因和抗人RH血型D抗原ScFv插入载体PUT7,转化大肠杆菌DE3,以 包涵体形式表达了相应的ScFv,经变性、逐步透析复性及折叠处理,从包涵体中获得了功能 性ScFv[3];第二:胞质融合蛋白形式表达,此表达关键是要考虑特异的裂解融合 蛋白的方式。Baldwin等将VL基因与大肠杆菌噬菌体λ的CⅡ基因融合,在大肠杆菌中表达C Ⅱ-VL融合蛋白,再将此融合蛋白经凝血因子Xa降解后与来源于抗体重链可变区结合[ 4]。还可将抗体片段和某些分泌蛋白相连,以分泌型融合蛋白的形式表达。第三:具有 功能的分泌表达。直接在大肠杆菌中表达分泌抗体不需象上述两种表达方式那样对表达产物 进行复性、折叠、水解掉某些融合成分,无疑是在基因工程抗体制备上向前大大地迈进了一 步。从噬菌体抗体库中获取ScFv质粒DNA,转化大肠杆菌后进行分泌表达得到广泛的应用。 乔旭刚等利用此库分离了杀伤细胞抑制受体特异性ScFv,经富集后感染大肠杆菌,IPTG诱导 表达了可溶性ScFv[5]。单链抗体的表达还受基因结构顺序,启动子类型等因素的 影响。以(GGGGS)2作为Linker研究了VH、VL的连接顺序对ScFv分泌的影响,发现其分泌水平 主要受VH、VL的顺序影响,VH-VL基因结构在细胞外周质的分泌量较VL-VH高15~30倍,且 亲和性较高,可能是VH-VL易于折叠而影响了其分泌,还发现单链抗体基因在LacZ启动子表 达载体中分泌表达量比在tac启动子表达载体中高20倍[6]。噬菌体也可用来表达抗 体片段,若在抗体基因与基因Ⅲ之间插入终止密码子就可得到可溶性表达[7]。将 重链基因与丝状噬菌体CPⅧ基因相连,使壳蛋白上结合多个ScFv基因,表达多个ScFv融合蛋 白,有利于低亲和性抗体的筛选。
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    2.2 单链抗体的真核表达 哺乳动物细胞有高表达重链、轻链基因、糖基 化、正确的分子装配以及分泌抗体的能力。真核表达载体pREP4是一具高转录效应的游离基 因载体,Duan等利用此载体把来自杂交瘤的HIV-IRev基因导入HeLa细胞表达了抗Rev单链抗 体[8]。Jiang等用Sindbis病毒瞬时表达系统将抗跳跃及蜱媒黄热病病毒壳蛋白抗 体基因插入Sindbis病毒载体转化哺乳动物细胞,表达了相应的抗体片段[9]。PSV 载体系列等也可用于真核表达。

    3 单链抗体与抗原的结合

    ScFv含有抗体的全部抗原结合位点,抗原结合位点位于抗体可变区的球形结构中,二个 β片层(β-sheet)连接着三个球形区,这些结构组成抗体的抗原接合部位,称为CDR。Levi 等构建了抗HIV-I的鼠单抗CDRs,仅仅CDR-L1和CDR-H2是CDR序列,而其余的CDRs含有相 邻 的框架残基FR,以此来探讨结合抗原的最小单位。结果发现,六个CDR中以CDR-H3的抗原结 合作用较强,CDR-H3与其余五个CDR相连其抗原亲和性也增强,其中以CDR-H2/H3的增强作 用最为明显,这可能是由于CDR3通过二硫键形成环状后,最小抗原识别单位得以稳定的缘故 [10]。将不同抗原特异性的轻重链互换,如抗HIV-Igp120的重链和抗破伤风毒素 的 轻链相配伍,发现仍能和gp120蛋白特异结合,如重链来自抗破伤风毒素,轻链来自gp120则 能结合破伤风毒素[11]。建立VH、VL基因突变库,经ELISA及X衍射分析了Ag与anti -Id的结合,发现CDRH的残基变化对Ag与anti-Id的结合有着明显的影响[12]。从 鼠抗人胰岛素杂交瘤细胞克隆出VH和VL,VH能结合相应胰岛素抗原,而VL却不能结合胰岛素 抗原[13]。由此认为抗体和抗原结合的结合残基主要是在VH上,结合能量来自VH, 而 轻链并不赋予重链新的特异性。建立抗体突变基因库是研究抗原抗体结合的重要手段,在 VH, CDR3发挥着最重要的作用,CDR399位点在ScFv结合胰岛素中是一关键位点,如将G99突变成V 99则丧失抗原结合能力,而其它位点的突变则仅表现为结合能力的降低[13]。Brum mell等对沙门氏菌B组多糖的ScFv基因重链CDR3的诱变,筛选出90个突变体基因,在大肠杆 菌中进行表达,活性检测表明Gly102在亲和性方面起作关键性作用,不能被其它氨基酸 所代替,而在Gly100和Tyr103的被取代则对亲和性影响较小,在His101位置引入疏水侧链则 失去抗原结合力,而His101位置的羟基化和酰胺化则抗原亲和力和野型相近,若诱变为Gly 则结合力大幅度降低[14]。将重链CDR2的Asn55诱变为Arg55则能显著增加其与ssDN A,dsDNA的亲和力,若突变为Ser55则亲和力下降,而Ser55-Pro58-Arg59突变体则对ssDN A的亲和力较亲本抗体有所增加,对dsDNA的亲和力稍有降低[15]。轻链和重链的相 互作用共同参与了抗原抗体结合,轻链可能提供疏水作用,而重链提供静电作用,而诱变可 能改变了抗体的电荷数量、性质及疏水性而影响抗体抗原结合。由于CDRs能结合抗原,抑制 被感染细胞中病毒复制及合胞体的形成,因此认为以CDRs作为被动免疫可以减少抗独特型反 应,同时分子量小也易于穿透细胞而发挥中和病毒的作用。
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    4 单链抗体的应用

    4.1 免疫毒素 完整抗体分子因存在免疫反应,其应用受到了限制。将单 链抗体分子与毒素分子相连接制备成免疫毒素,利用抗原抗体的特异亲和力将毒素分子带自 靶细胞或者是靶抗原,进行特异性的免疫杀伤。许多人体肿瘤往往过度表达erbB-2和EGF受 体,这为肿瘤的靶向治疗提供了物质基础。Wels等利用抗erbB-2和EGF受体单链抗体通过Hi s与假单胞菌属外毒素ETA相连构建了免疫毒素,体外试验表明对A431瘤细胞有明显的杀伤作 用,IC50为5.8ng/ml。如将A431移植于裸鼠,此免疫毒素也能使肿瘤组织明显缩小,且明显 强于单独的受体抗体[16]。Benhar等将单链抗体可变区C端和假单胞菌属外毒素相 连,并引入链内二硫键,在大肠杆菌中表达了免疫毒素B1-PE30和B3-PE38,其血浓度维持 时间较长(约6天),腹腔渗透泵给药,B1-PE30:60μg,B3-PE36∶160μg,能使150~200m m 大小的A431肿瘤组织完全消退;静脉给药3~6μg即能达到相同疗效,无明显的毒副作用, 在 37℃下两周内仍有较强的生物活性[17]。抗-TAC抗体能与人白细胞介素2受体P55 链相结合,而梭状芽胞杆菌磷脂酶C(PLC)具有细胞膜溶解作用。Chovnick等将PLC基因通 过27bp与抗-TACVH相连,构建了PLC-VHCH1-VL-CL免疫毒素基因,插入pBR322形成质粒P LCTAC转化大肠杆菌,分泌表达了有活性的Anti-TAC-PLC,对白介素受体产生细胞HUT-10 2有较强的杀伤作用,IC50为0.02nM,而单独PLC的IC50为25nM,显示免疫毒素的活力明显高 于单用毒素[18]
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    4.2 细胞内免疫 细胞内免疫(Intercellular Immunization)是在细胞内 表达特异识别某一病毒编码蛋白抗体,防止病毒在细胞间传递,并可在细胞内克隆和表达抗 病毒蛋白的单链抗体,从而用于疾病的诊断及治疗。Tiang等利用重组SinDhis病毒载体瞬时 表达系统研究了ScFv对跳跃病及蜱媒黄热病毒(L1)感染的影响,将抗跳跃病及蜱媒黄热病毒 壳蛋白基因插入Sindhis病毒载体转化幼仓鼠肾细胞(BSR)表达了相应的抗体片段dsSIN/4.2S cFv,如L1病毒感染BSR再转化重组Sindhis病毒载体,则表达的dsSIN/4.2ScFv能中和L1病毒 ,感染性降低95%[9]。dsSIN/4.2ScFv并不是通过抑制宿主细胞蛋白的生物合成发 挥 抗病毒作用,而是直接的抑制了病毒的生长。HIV-1病毒的调节蛋白,在病毒的生命周期中 发挥重要作用。Duan等将从杂交瘤细胞构建的抗HIV-1调节蛋白rev基因,通过载体克隆入H eLa细胞,表达了抗HIV-1调节蛋白revScFv和该调节蛋白rev有特异拮抗作用,抑制了HIV -1的复制及病毒在细胞间的感染,为AIDS提供了一基因治疗途径[8]
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    另外,利用重组-噬菌体-抗体系统得到的有功能性抗HBs的ScFv,必将在乙肝治疗中 发挥重要作用。鉴于CDRs的诸多优点及抑制被感染细胞中病毒复制和合胞体的形成,同样具 有良好的应用前景。

    4.3 其它方面 把肿瘤坏死因子和其它淋巴因子接在抗肿瘤ScFv上,用于 肿瘤的免疫治疗,增强抗肿瘤活性,ScFv接上同位素可进行肿瘤显像分析。ScFv可用于基础 研究,探讨抗原结合的最小单位,各CDR的相互关系、轻重链在抗原识别和结合中的相互作 用等。在食品工业、农业等方面也有重要应用价值。■

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