The protein disulfide isomerase (PDI) reaction kinetics has been studied to evaluate its effect on the monoclonal antibody (Mab) refolding and assembly which accompanies disulfide bend formation. The MAb in vitro assembly experiments showed that the assembly rate of heavy and light chains can be greatly enhanced in the presence of PDI as compared to the rate of assembly obtained by the air-oxidation. The reassembly patterns of MAb in-termediates were identical for both with and without PDI, suggesting that the PDI does not determine the MAb assembly pathway, but rather facilitates the rate of MAb assembly by promoting PDI catalyzed disulfide bond formation. The effect of growth rate on PDI activities for MAb production has also been examined by using continuous culture system. The specific MAb productivity of hybridoma cells decreased as the growth rate increased. However, PDI activities were nearly constant fur a wide range of growth rates except very high growth rate, indicating that no direct correlation between PDI activity and specific MAb productivity exists.
The protein disulfide isomerase(PDI) reaction kinetics has been studied to evaluate its effect on the monoclonal antibody(MAb) refolding and assembly which accompanies disulfide bond formation The MAb in vitro assembly experiments showed that the assembly rate of heavy and light chains can be greatly enhanced in the presence of PDI as compared to the rate of assembly obtained by the air-oxidation. The reassembly patterns of MAb intermediates were identical for both with and without PDI, suggesting that the PDI does not determine the MAb assembly pathway, but rather facilitates the rate of MAb assembly by promoting PDI catalyzed disulfide bond formation. The effect of growth rate on PDI activities for MAb production has also been examined by using continuous culture system. The specific MAb productivity of hybridoma cells decreased as the growth rate increased. However, PDI activities were nearly constant for a wide range of growth rates except very high growth rate, indicating that no direct correlation between PDI activity and specific MAb productivity exists.
Multivalent and multi-specific antibodies can provide valuable tools for bio-medical research, diagnosis and therapy. In antigen-antibody interactions, the avidity of antibodies depends on the affinity and the number of binding sites.$^1$ As artificial multivalent antibody agents, single chain Fv-streptavidin fusion tetramer proteins $(scFv-SA)_4$ have been previously tested.$^{1,\;2}$ Although, the Fab domain is known to be more stable than scFv in animal models,$^{3,\;4}$ it has never been used to make a multivalent agent with a streptavidin fusion. In this study, we prepared tetra-valent $(Fab-cSA)_4$ by fusing Fab with core streptavidin (cSA). This molecule was made using inclusion body production, refolding and chromatography purification. Affinities of the Fab-cSA tetramer and a scFv-cSA tetramer to a cell surface antigen were compared by ELISA using biotin-HRP. The Fab-cSA tetramer showed higher binding avidity than the scFv-cSA tetramer. The higher binding avidity of the Fab-cSA tetramer demonstrates its potential as a therapeutic agent for target-specific antibody therapy.
The divalent antibody-toxins are expected to have increased binding avidities to target cells because of the two cell-binding domains. However, previous studies showed that the refolding yield of divalent antibody-toxin is very low, and it is assumed that homodimer formation of antibody-toxin is strongly interfered by the repulsion between the two large toxin domains that come close to each other during dimer formation. In this study, B3 antibody was used as a model antibody, and its Fab domain was used to construct three different kinds of Fab divalent molecules, $[B3(Fab)-toxin]_{2}$. The monomer Fab-toxin molecules were made by fusing the Fab domain of monoclonal antibody B3 to PE38, a truncated mutant form of Pseudomonas exotoxin (PE), and a connecting sequence that contained spacer amino acid sequence (G4S)n (n=l, 2, 3) was inserted between Fab and PE38. The prepared divalent molecules were $[Fab-S\;1,\;2,\;3-PE38]_{2}\;(=[Fab-SKPCIST-KAS(G_{4}S)nGGPE-PE38]_{2}\;(n=1,\;2,\;3))$, and they are derivatives of previously studied $[Fab-H2cys-PE38]_{2}\;(=[Fab-SKPCIST-KASGGPE-PE38]_{2})$. In $[Fab-Sl,\;2,\;3-PE38]_{2}$, two Fab-S1, 2, 3-PE38 monomers were covalently linked by the disulfide bond bridge made from cysteine in the -SKPCIST- sequence. The insertion of spacer amino acids after the disulfide bridge resulted in a 12-18 fold higher yield of dimer formation than previously constructed $[Fab-Hlcys-PZ38]_{2}[7]$, 3-4-fold higher than $[Fab-ext-PZ38]_{2}[25]$. These two molecules have less amino acid spacer sequence between the disulfide bridge and PE38 domain. The design of $[Fab-PE38]_{2}$ in this study gave molecules with a higher refolding yield. The results of cytotoxicity assay showed a higher cytotoxic effect of these divalent molecules than that of the monovalent scFv-PE38 molecule.
Song Jeong-Wha;Won Jae-Seon;Lee Yong-Chan;Choe Mu-Hyeon
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제16권7호
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pp.1104-1110
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2006
Recombinant antibody-toxin is a bifunctional protein that binds and kills a target cell expressing a specific antigen on the surface of the cell, and its structure is chimeric, in which a toxin is fused to an antigen-binding domain such as scFv or Fab. Divalent antibody-toxin molecules showed higher cytotoxicities against cancer cell lines than monovalent molecules. However, the yields of the divalent molecules were very low. In this study, we introduced the CH2, CH3, or CH2-CH3 (=Fc) domain of antibody in the middle of the Fab-toxin between the hinge region of human IgG1 and the toxin domain to increase the yield. The covalently bonded dimer could be formed by three disulfide bridges from cysteine residues in the hinge region. The molecule with the CH3 domain showed about 3-fold higher dimerization yield than previously constructed Fab-toxin molecules, while maintaining the cytotoxic activity comparable to that of scFv-toxin. However, the introduction of CH2 or Fc domain to the same position showed little effect on the dimerization yield. We also observed that the introduction of the CH3 region made it possible to form noncovalently associated dimer molecules.
B3 antibody specifically binds the $Lewis^Y$-related carbohydrate antigen of many carcinomas, and it is used as a model antibody in this study. In a previous study, the Fab fragment of the antibody was fused to a 38 kDa truncated form of Pseudomonas exotoxin A, PE38, to make Fab-PE38, where PE38 is fused to the Fd fragment of the Fab domain. This parent monomer molecule, Fab-PE38, had no cysteine in the hinge region, and it could not make a disulfide bond to form a disulfide bond bridged homodimer. In this study, we constructed three different kinds of divalent Fab-toxin fusion homodimers where the toxin is fused to the light chain of Fab, $(Fab-PE38fl)_2$. In addition to the PE38 toxin fused to the light chain, these three molecules have different hinge sequences hi, h2, and h3 making Fabh1-, Fabh2-, and Fabh3-PE38fl monomers, respectively. These hinges contain only one cysteine on different positions of the hinge sequence. The disulfide bond between the hinge region of two monomers forms homodimers $(Fabh1-PE38fl)_2$, $(Fabh2-PE38fl)_2$, and $(Fabh3-PE38fl)_2$. The refolding yields of these dimers were 5-16-fold higher than a previously constructed dimer where the PE38 was fused to the Fd fragment $(Fabh2-PE38)_2$ [8]. Our data suggest that the steric repulsion between the two PE38s in $(Fabh1-PE38)_2$ during disulfide bridge formation is relieved by fusing it at the end of the light chain. The best cytotoxicity value of these dimers showed about 2.5-fold higher on an MCF7 cell line than that of the monovalent reference molecule in ng/ml scale, which is 15-fold higher in pM scale.
Molecular characteristics and improving methods for thermal stability of enzyme have been considered. Intrinsic and extrinsic stabilizing mechanisms are two governing principles for enhanced thermal stability of enzyme in molecular basis. Factors contributing to the former and the latter mechanisms may be involved in the enhanced thermal stability of enzyme complementarily. Also, the methods for improving thermal stability of enzyme which comprise reaction in organic solvent system, chemical modification, immobilization, sequential unfolding and refolding, gene manipulation techniques and enzyme-antibody complexing are reviewed.
Recombinant immunotoxins are hybrid cytotoxic proteins designed to selectively kill cancer cells. A divalent immunotoxins, [B3(FabH1)-PE38]2, was constructed by recombining Fab domain of B3 antibody as a cell-targeting domain and Pseudo monas exotoxin A (PE) as a cytotoxic domain. Monoclonal antibody, B3, is the murine antibody (IgG1k) directed against Lewis Y-related carbohydrate antigens, which are abundant on the surface of many carcinomas. Fab fragment of this antibody was used in this study with the modified hinge sequence where last two cysteines out of three were mutated to serine. PE is a 66 kDa bacterial toxin that kills eukaryotic cells by inhibiting protein synthesis with ADP ribosylation of ribosomal elongation factor 2 (EF2). Fc region of B3 antibody was substituted with the truncated form of PE (38 kDa, PE38) on DNA level. [B3(FabH1)-PE38]2 was formed by disulfide bond between cysteines in the modified hinge region of B3(FabH1)-PE38. Each polypeptide for recombinant immunotoxins was overexpressed in Escherichia coli and collected as inclusion bodies. Each inclusion body was solubilized and refolded, and cytotoxic effects were measured. Divalent immunotoxins, [B3(FabH1)-PE38]2, had ID50 values of about 10 ng/mL on A431 cell lines and about 4 ng/mL on CRL1739 cell lines. Control immunotoxins, B3(scFv)-PE40, had ID50 values of about 28 ng/mL on A431 cell lines and about 41 ng/mL on CRL1739 cell lines. Divalent immunotoxins, [B3(FabH1)-PE38]2, had higher cytotoxic effects than B3(scFv)-PE40 control immunotoxins.
We describe a phage display strategy, based on the differential resistance of proteins to denaturant-induced unfolding, that can be used to select protein variants with improved conformational stability. To test the efficiency of this strategy, wild-type and two stable variants of ${\alpha}_1$-antitrypsin (${\alpha}_1AT$) were fused to the gene III protein of M13 phage. These phages were incubated in unfolding solution containing denaturant (urea or guanidinium chloride), and then subjected to an unfavorable refolding procedure (dialysis at $37^{\circ}C$). Once the ${\alpha}_1AT$ moiety of the fusion protein had unfolded in the unfolding solution, in which the denaturant concentration was higher than the unfolding transition midpoint ($C_m$) of the ${\alpha}_1AT$ variant, around 20% of the phage retained binding affinity to anti-${\alpha}_1AT$ antibody due to a low refolding efficiency. Moreover, this affinity reduced to less than 5% when 10 mg/mL skimmed milk (a misfolding-promoting additive) was included during the unfolding/refolding procedure. In contrast, most binding affinity (>95%) remained if the ${\alpha}_1AT$ variant was stable enough to resist unfolding. Because this selection procedure does not affect the infectivity of M13, the method is expected to be generally applicable to the high-throughput screening of stable protein variants, when activity-based screening is not possible.
Receptor binding plays an important role in determining host specificity of the Bacillus thuringiensis Cry $\delta$-endotoxins. Mutations in domains II and III have suggested the participation of certain residues in receptor recognition and insect specificity. In the present study, we expressed the cloned domain II-III fragment of Cry4Ba and examined its binding characteristics to mosquito-larval midgut proteins. The 43-kDa Cry4Ba-domain II-III protein over-expressed in Escherichia coli as inclusion bodies was only soluble when carbonate buffer, pH 10.0 was supplemented with 4M urea. After renaturation via stepwise dialysis and subsequent purification, the refolded domain II-III protein, which specifically reacts with anti Cry4Ba-domain III monoclonal antibody, predominantly exists as a $\beta$-sheet structure determined by circular dichroism spectroscopy. In vitro binding analysis to both histological midgut tissue sections and brush border membrane proteins prepared from susceptible Aedes aegypti mosquito-larvae revealed that the isolated Cry4Ba-domain II-III protein showed binding functionality comparable to the 65-kDa full-length active toxin. Altogether, the data present the 43-kDa Cry4Ba fragment comprising domains II and III that was produced in isolation was able to retain its receptor-binding characteristics to the target larval midgut proteins.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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