APPβ分泌酶切割位點特異性單鏈抗體的制備和鑒定

黃 巍，周麗榮，周 婷，孫紅霞，黃曉剛，劉 橋

(武漢市醫學科學研究所基礎醫學研究室，湖北武漢 430014)

阿爾采末病(Alzheimer’s disease，AD)發病機制復雜，其中 β-淀粉樣蛋白(amyloid β protein，Aβ)胞內外異常過量產生、聚集和沉積，是導致AD老年斑形成和神經元毒性的確切病理現象和重要誘因。Aβ由I型跨膜的淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)經分泌酶水解代謝產生，按作用位點可分為α、β和γ 3種，α和β分泌酶(β-site APP-cleaving enzyme，BACE)先競爭性的水解 APP，然后γ分泌酶再水解剩下的APP片段產生各自代謝產物。Aβ由β和γ分泌酶依次水解APP產生［1］，具有毒性;α和γ分泌酶依次水解APP，產生的可溶性sAPPα肽和P3肽段則具有神經營養等作用。若APP的α和β代謝失去平衡，產生過多的Aβ，就容易誘發AD。

APPβ分泌酶切割位點是Aβ產生的關鍵位點，容易受到周圍空間環境影響，如將Aβ抗體與APP結合，當抗體識別位點靠近Aβ的N端，即靠近APP的β切割位點，則Aβ的產生會受到干擾［2］，抗體識別位點正好為APPβ分泌酶切割位點序列時則作用更直接［3-4］，提示APPβ位點可以作為一個藥物設計的良好靶點。我們在研制抗人APPβ分泌酶水解位點的單克隆抗體(mAb)的基礎上［5］，進一步研制特異性單鏈抗體(ScFv)，ScFv相對mAb具有免疫原性弱，組織穿透力強，更容易通過血腦屏障等特點。APPβ分泌酶切割位點抗體與Aβ抗體在識別序列和減低Aβ機制上都有所不同，前者的目的是阻礙β分泌酶進入作用位點，切割APP產生Aβ，后者則是激活免疫系統，溶解清除已產生的Aβ，見Fig 1。

Fig 1 The delineation of APP degradation

1 材料與方法

1.1 材料 分泌抗人APPβ分泌酶水解位點單克隆抗體細胞株1A7和2H10［5］，以及穩定轉染pEGFP-hAPP751(+4G)的 CHO細胞株(過表達人APP751和GFP融合蛋白)［6］由本室制備保存。限制性內切酶BamH I和EcoR I、pMD19-T克隆載體和逆轉錄酶M-MLV等為大連寶生物公司產品。引物合成與測序為上海英駿生物技術公司，高保真pfu酶和細胞裂解液購自碧云天生物技術研究所，鎳NTA Resin為上海博彩生物科技有限公司產品，增強型HRP-DAB底物顯色試劑盒為北京天根生化公司產品。APPβ位點序列多抗原短肽［ISEVKMDA］8由上海波泰生物科技公司合成，抗His的單克隆抗體為Santa Cruz公司產品，抗His的兔多克隆抗體和Aβ肽(1-42)為北京博奧森生物公司產品。

1.2 方法

1.2.1 引物合成 由于含linker序列的引物不利于擴增抗體的重鏈可變區VH和輕鏈可變區VL基因，故先設計不含linker序列的引物擴增抗體的VH和VL片段，再以此為模板用含linker序列的引物擴增VH和VL，引物分別為:VHF(重鏈VH上游引物):5'-ATAGGATCCCAGGTSMARCTGCAGSAGTCWGG-3'(含 BamH I位點;W=A/T，S=G/C，M=A/C，R=A/G);VHB1(重鏈 VH下游引物，不含 linker序列):5'-TGAGGAGACGGTGACCGTGGTCC-3';VHB(重鏈 VH下游引物，含 linker序列):5'-GCCAGAGCCACCTCCGCCTGAACCGCCTCCACCTGAGGAGACGGTGACCGTGGTCC-3';VLF1(輕鏈 VL上游引物，不含 linker序列):5'-GACATCGAGCTCACCCAGTCTC-3';VLF(輕鏈VL上游引物，含linker序列):5'-CAGGCGGAGGTGGCTCTGGCGGTGGCGGATCGGACATCGAGCTCACCCAGTCTC-3';VLB(輕鏈VL下游引物):5'-CGCGAATTCCCGTTTGATTTCCAGCTTGGTCCC-3'(含EcoR I位點)。引物VHB1和VLF1分別是VHB和 VLF中3'端序列的一部分，VHB和VLF中5'端部分為含有互補關系的linker序列，VHF和VLB分別含有BamH I和EcoR I酶切位點，便于拼接出來的ScFv構建載體。

1.2.2 VH和VL基因的克隆 分別提取1A7和2H10總 RNA，逆轉錄合成 cDNA。以 cDNA為模版，分別用VHF/VHB1和VLF1/VLB引物擴增出不帶linker的序列，命名為VH1和VL1，回收純化VH1和VL1片段，再以此為模板，用VHF/VHB和VLF/VLB引物，在高保真pfu酶作用下，分別擴增含linker序列的VH和VL片段。

1.2.3 ScFv的拼接 將VH和VL片段回收純化，通過重疊延伸PCR(splicing by overlapping extension PCR，SOE-PCR)技術連接起來，即為ScFv片段，其主要過程如下:取等量純化后的VH和VL片段與適量dNTP和Taq酶混勻，進行PCR反應，條件為:94℃ 1 min，60℃ 1 min，72℃1 min，共進行 7 個循環。然后，不必純化直接取適量SOE-PCR反應液作為模板，用VHF/VLB引物大量擴增 ScFv片段。將PCR的產物與 pMD19-T克隆載體連接，轉化DH5α，挑選陽性克隆測序。

1.2.4 ScFv表達載體的構建 以測序正確的ScFv克隆載體為模板，用VHF/VLB引物再次大量擴增ScFv片段，BamH I和EcoR I雙酶切，回收純化后與同樣雙酶切的pET-28a表達載體相連接，轉化感受態DH5α，通過PCR、BamH I和 EcoR I雙酶切和測序鑒定陽性克隆，命名為pET-ScFv(APPβ)。

1.2.5 ScFv的表達純化及鑒定 將鑒定正確的pET-ScFv(APPβ)質粒轉化表達菌株BL21(DE3)，篩選陽性菌落進行IPTG誘導表達，超聲破碎離心收集上清和沉淀，進行12%SDS-PAGE電泳，考馬斯亮藍染色分析。結果表達產物以包涵體形式居多，目的蛋白帶有his標簽，通過鎳柱純化和復性，Western blot檢測，一抗為抗His的單克隆抗體，增強型HRP-DAB底物顯色試劑盒顯色。

1.2.6 可溶性ScFv生物活性的分析 通過ELISA分別檢測ScFv對人APPβ分泌酶位點序列短肽的結合能力和對Aβ的交叉反應:以APPβ位點序列多抗原短肽［ISEVKMDA］8或 Aβ(1-42)包被酶標板，5 mg·L-1，每孔 100 μl，4℃過夜。洗板后，加可溶性ScFv，然后依次加抗His的兔多克隆抗體、HRP標記抗兔二抗，TMB顯色并讀取A450值。通過Western blot檢測ScFv對人全長APP的結合能力:培養過表達人APP751和GFP融合蛋白的CHO細胞和過表達GFP的CHO細胞，裂解后行10%SDSPAGE電泳，濕轉至NC膜，5%脫脂奶粉37℃封閉2 h，可溶性ScFv 4℃孵育過夜，洗膜后加抗His的單克隆抗體37℃ 2 h，洗膜，再加HRP酶標二抗37℃2 h，試劑盒顯色。

2 結果

2.1 VH和 VL基因的克隆及 ScFv的拼接 從2H10中擴增出預期的約370 bp的VH1和330 bp的VL1條帶，回收純化后以各自為模板，分別擴增出含linker序列的大小分別約為410 bp和380 bp的VH和VL條帶。將VH和VL回收純化，經SOE-PCR拼接得到約750 bp的ScFv片段，見Fig 2。將2H10的ScFv與pMD19-T克隆載體連接，轉化DH5α，挑選陽性克隆測序，測序正確的序列用于ScFv表達載體的構建。從1A7中沒有擴增出預期的VH1，該株克隆中止。

2.2 表達載體pET-ScFv(APPβ)的構建和鑒定經篩選得到的陽性重組體命名為pET-ScFv(APPβ)，通過PCR可以擴增出約750 bp的條帶，BamH I和EcoR I雙酶切顯示兩個片段，分別是約5.5 kb和750 bp，與預計結果相同，見Fig 3。測序分析表明ScFv序列全長744 bp，編碼248個氨基酸，輕重鏈基因序列符合小鼠抗體可變區的結構特點，表達載體閱讀框正確，見Fig 4。

Fig 2 PCR product of VL1，VH1，VL，VHand ScFv gene from hybridoma 2H10

Fig 3 PCR product and the results of reconstruction vector pET-ScFv(APPβ)digested by BamH I and EcoR I

2.3 ScFv的表達純化和鑒定 誘導表達產物進行12%SDS-PAGE分析，在約29 ku位置處出現新增條帶。誘導表達菌經超聲破碎離心收集上清和沉淀，進行SDS-PAGE分析，結果表明表達產物主要為包涵體形式。通過鎳柱純化并復性后，可得到分子量約29 ku、純度在90%以上的條帶。目的蛋白通過his標簽進行Western

blot檢測，結果顯示在分子量大小為29 ku處有特異條帶，與預期ScFv蛋白情況相符，見Fig 5。

2.4 可溶性ScFv生物活性的分析 ELISA檢測結果表明，分別包被APPβ位點序列多抗原短肽［ISEVKMDA］8和Aβ，ScFv能夠與前者結合，與 Aβ 的結合反應則未能檢測到。過表達人APP751和GFP融合蛋白的CHO細胞和過表達GFP的CHO細胞，裂解后行10%SDS-PAGE電泳，濕轉至NC膜，封閉后，依次加可溶性ScFv、抗His單克隆抗體和酶標二抗孵育，增強型HRP-DAB顯色。結果過表達APP細胞在約156 ku的地方出現條帶，與預期的全長APP(約130 ku)+GFP標簽(約26 ku)分子量之和一致，而穩定轉染 GFP的細胞無任何條帶，排除ScFv與GFP結合的可能，表明ScFv是可以與全長APP結合的，見Fig 6。

3 討論

目前，有關阻斷或清除胞內外異常增多Aβ的研究主要集中在APPβ及γ分泌酶抑制劑或RNA干擾［7-9］、Aβ抗體或疫苗等方向，但存在一些問題，如APP分泌酶除APP外，還有其它在正常生理活動中發揮重要功能的底物，抑制分泌酶活性有可能帶來嚴重的副作用。APPβ分泌酶切割位點抗體為減少Aβ提供新的思路，當其與作用位點結合后，發揮空間位阻效應，阻礙β-分泌酶進入位點，致使Aβ無法產生，此方法通過阻礙水解酶進入特定位點而抑制其特定作用，由于不直接抑制水解酶的活性，特異性高副作用小，可為AD或其他新型藥物設計或疫苗研究提供借鑒。

Aβ的產生有兩大途徑——分泌途徑和內吞途徑，β-分泌酶和位于高爾基體、細胞表面和內吞體等處的APP均能相互作用，在APP的分泌過程和胞膜APP內吞體形成與循環過程中水解APP生成Aβ［10-11］。APPβ 分泌酶位點單克隆抗體主要在內吞體循環過程中抑制Aβ產生，抑制率約50%［12］。本文進一步研制APPβ分泌酶位點小分子的ScFv，期望以后通過基因轉染等方式將其導入胞內，還可在APP的分泌過程中抑制Aβ產生。本文制備的ScFv在抑制Aβ產生的同時還可能具有促進APPα代謝的潛能。雖然有報道指出APPβ位點單克隆抗體不能在阻斷BACE作用的同時使APP朝α代謝途徑發展［3］，但小分子的單鏈抗體或胞內抗體則不然，不但不會影響α位點水解，還有利于APP與α酶結合使其向α分泌途徑發展。這是因為APP的α和β位點距離很近，α酶和β酶(或β位抗體)與相應位點結合時可能出現類似競爭性結合的情況。當β酶或β位單克隆抗體與β位點結合后，由于兩者分子較大都會阻礙α酶與α位點的結合，故影響APP的α代謝;而小分子抗體由于空間位阻小，與β位點結合后既阻礙β酶進入β位點又方便α酶與α位點的結合，從而有利于APP的α代謝。關于這一點，識別位點靠近β位的抗Aβ胞內抗體的研究提供了有力的證據［2］，研究表明該Aβ抗體對α位點的水解有促進作用，因此，可以推斷距離α位點較該Aβ抗體更遠的β位點單鏈抗體或胞內抗體，對APPα分泌酶與α位點結合切割過程將會更有利。

Fig 4 The sequence of pET-ScFv(APPβ)

Fig 5 SDS-PAGE analysis and Western blot assay of pET-ScFv(APPβ)

Fig 6 Western blot analysis of the binding of soluble ScFv to the full length of hAPP

本文采用的是傳統克隆抗體可變區的方法，即用一組簡并引物進行擴增，結果兩株雜交瘤細胞中只有2H10可以擴增出VH和VL基因并成功拼接出ScFv序列，而1A7擴增不出預期大小的VH(簡并引物擴增VH時，有一條約700 bp的帶，資料未顯示)，說明抗體可變區高度可變，簡并引物法不適用于某些抗體可變區序列的擴增，需要采用其他方法釣取抗體的可變區序列。在擴增VH和VL基因片段時，不宜直接使用含linker序列的引物VHB和VLF，否則由于引物太長導致二級結構復雜不利于片段擴增，導致擴增失敗或效率過低不利于回收。本文先用不含linker序列的短引物VHB1和VLF1與各自配對引物擴增出目的片段VH1和VL1，經純化后再各自為模板，用含linker序列的引物擴增相應的VH和VL片段，效果很好。用于擴增VH和VL的模板VH1和VL1必須要純化，否則不利于VH和VL的擴增;而SOEPCR產物應直接用于PCR擴增ScFv序列，可以擴增出很亮的ScFv帶，若純化后再擴增ScFv，則容易出現帶拖尾不集中等情況。ScFv與pET-28a表達載體相連接并在大腸桿菌中誘導表達，載體上His標簽與ScFv融合，方便ScFv通過鎳柱純化和復性。ELISA和Western blot檢測結果表明，可溶性ScFv與人APPβ分泌酶水解位點序列短肽和全長APP都有結合活性，對Aβ沒有交叉反應，可以推斷ScFv能夠與全長APP的β分泌酶切割位點結合，這為進一步研究ScFv干預分泌酶對APP的水解過程奠定了基礎。

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