Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Громова М.С.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Громов А.В.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Грунина Т.М.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России;
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии

Лящук А.М.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Галушкина З.М.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Субботина М.Е.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России;
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии

Есмагамбетов И.Б.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Рябова Е.И.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Прокофьев В.В.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Ковыршина А.В.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Илюхина А.А.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Шелков А.Ю.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России

Карягина А.С.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России;
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии;
НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского — Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Лунин В.Г.

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России;
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии

Получение рекомбинантного RBD Spike-белка SARS-CoV-2 в клетках Escherichia coli, связывание с антителами и противовирусная активность

Авторы:

Громова М.С., Громов А.В., Грунина Т.М., Лящук А.М., Галушкина З.М., Субботина М.Е., Есмагамбетов И.Б., Рябова Е.И., Прокофьев В.В., Ковыршина А.В., Илюхина А.А., Шелков А.Ю., Карягина А.С., Лунин В.Г.

Подробнее об авторах

Просмотров: 739

Загрузок: 2

Как цитировать:

Громова М.С., Громов А.В., Грунина Т.М., Лящук А.М., Галушкина З.М., Субботина М.Е., Есмагамбетов И.Б., Рябова Е.И., Прокофьев В.В., Ковыршина А.В., Илюхина А.А., Шелков А.Ю., Карягина А.С., Лунин В.Г. Получение рекомбинантного RBD Spike-белка SARS-CoV-2 в клетках Escherichia coli, связывание с антителами и противовирусная активность. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2023;41(2):28‑35.
Gromova MS, Gromov AV, Grunina TM, Lyashchuk AM, Galushkina ZM, Subbotina ME, Esmagambetov IB, Ryabova EI, Prokofiev VV, Kovyrshina AV, Ilyukhina AA, Shelkov AY, Karyagina AS, Lunin VG. Recombinant RBD of SARS-CoV-2 spike protein: production in Escherichia coli cells, binding to antibodies and antiviral activity. Molecular Genetics, Microbiology and Virology. 2023;41(2):28‑35. (In Russ.)
https://doi.org/10.17116/molgen20234102128

Рекомендуем статьи по данной теме:
Оцен­ка кли­ни­чес­кой эф­фек­тив­нос­ти вли­яния ори­ги­наль­но­го рас­ти­тель­но­го ле­карствен­но­го пре­па­ра­та на сим­пто­мы SARS-CoV-2-ас­со­ци­иро­ван­но­го тон­зил­ло­фа­рин­ги­та и фор­ми­ро­ва­ние пос­тко­вид­но­го син­дро­ма. Вес­тник ото­ри­но­ла­рин­го­ло­гии. 2023;(1):35-43
Му­кор­ми­коз ри­но­ор­би­таль­ной ло­ка­ли­за­ции у па­ци­ен­тов с пос­тко­вид­ным син­дро­мом. Кли­ни­ко-мор­фо­ло­ги­чес­кие осо­бен­нос­ти. Рос­сий­ская ри­но­ло­гия. 2023;(1):66-75
Пост-COVID-19 и реп­ро­дук­тив­ное здо­ровье (дан­ные ан­ке­ти­ро­ва­ния и ана­ли­за ре­зуль­та­тов). Проб­ле­мы реп­ро­дук­ции. 2023;(1):86-93
Но­вая ко­ро­на­ви­рус­ная ин­фек­ция у бе­ре­мен­ных: рис­ки для ма­те­ри и но­во­рож­ден­но­го. Рос­сий­ский вес­тник аку­ше­ра-ги­не­ко­ло­га. 2023;(2):34-40
Те­ра­пев­ти­чес­кие воз­мож­нос­ти сти­му­ля­ции ре­па­ра­тив­но­го ней­ро­ге­не­за у па­ци­ен­тов с гла­уко­мой, пе­ре­нес­ших ко­ро­на­ви­рус­ную ин­фек­цию. Вес­тник оф­таль­мо­ло­гии. 2023;(2):44-51
Кар­ди­оме­та­бо­ли­чес­кие и пси­хо­ког­ни­тив­ные осо­бен­нос­ти пос­тко­вид­но­го пе­ри­ода у боль­ных с фиб­рил­ля­ци­ей пред­сер­дий. Про­фи­лак­ти­чес­кая ме­ди­ци­на. 2023;(4):43-50
Мор­фо­ло­ги­чес­кие ас­пек­ты дис­фун­кции ди­аф­раг­мы при COVID-19-ас­со­ци­иро­ван­ной пнев­мо­нии. Ар­хив па­то­ло­гии. 2023;(3):19-22
Выяв­ле­ние РНК SARS-CoV-2 в сли­зис­той обо­лоч­ке чер­ве­об­раз­но­го от­рос­тка у де­тей с COVID-19. Ар­хив па­то­ло­гии. 2023;(3):23-28
Ано­маль­ные ма­точ­ные кро­во­те­че­ния и COVID-19 (об­зор ли­те­ра­ту­ры). Проб­ле­мы реп­ро­дук­ции. 2023;(3):74-80

Принятые сокращения: ДТТ — дитиотреитол; ИПТГ — изопропил-β-D-тиогалактопиранозид; МЭ — меркаптоэтанол, ACE2 — ангиотензинпревращающий фермент 2; BCA — бицинхониновая кислота; COVID-19 — коронавирусная инфекция 2019 г. (COronaVIrus Disease 2019); eRBD — рецептор-связывающий домен, полученный в эукариотическом продуценте; RBD — рецептор-связывающий домен; RBM — рецептор-связывающий мотив; SARS-CoV-2 — коронавирус 2 тяжелого острого респираторного синдрома.

Пандемия коронавирусной инфекции 2019 г. (COVID-19), вызванная коронавирусом 2 тяжелого острого респираторного синдрома (SARS-CoV-2), продолжает представлять глобальную угрозу для здоровья человечества. На данный момент число заболевших COVID-19 во всем мире составляет более 638 млн человек. Число погибших от COVID-19 продолжает расти, несмотря на большой процент вакцинированных и переболевших, и стремится к 6,6 млн в мире [1].

Потребность в разработке мер борьбы с коронавирусной инфекцией привела к быстрому созданию и одобрению в качестве средств экстренной профилактики новых вакцин на различных платформах (субъединичные, векторные, инактивированные, мРНК-вакцины), а также терапевтических методов (с использованием моноклональных антител, химических ингибиторов, плазмотерапии и др.). Однако сдерживание пандемии COVID-19 осложняется появлением новых вариантов SARS-CoV-2, которые демонстрируют повышенную трансмиссивность. Кроме того, при этом снижается эффективность имеющихся вакцин [2].

Проведенные ранее исследования показали, что Spike-белок, находящийся на поверхности вириона SARS-CoV-2, содержит рецептор-связывающий домен (RBD), который связывается с находящимся на поверхности клеток человека ангиотензинпревращающим ферментом 2 (angiotensin-converting enzyme 2, ACE2), участвующим в проникновении вируса в клетку. Большинство вырабатывающихся у больных COVID-19 нейтрализующих антител взаимодействует с RBD [3]. Поэтому RBD Spike-белка SARS-CoV-2 является перспективной мишенью для разработки профилактических вакцин, а также терапевтических средств на его основе.

По имеющимся в литературе данным, структура RBD Spike-белка SARS-CoV-2 (319—541 а.о.) представлена пятью антипараллельными β-тяжами (β1, β2, β3, β4 и β7) с короткими соединительными спиралями и петлями, образующими скрученный β-лист. Эта структура вместе с примыкающими к ней α-спиралями формирует так называемый кор. Между тяжами β4 и β7 в коре имеется протяженная вставка, которая содержит короткие β5- и β6-тяжи, две α-спирали (α4 и α5) и петлю. Эта вставка соответствует мотиву RBM (receptor binding motif), содержащему большинство аминокислотных остатков, которые связываются с рецептором ACE2 [4].

Также следует отметить, что RBD содержит четыре дисульфидные связи: связь C480—C488 расположена в петле, взаимодействующей с рецептором ACE2, тогда как три другие связи — C379—C432, C336—C361 и C391—C525 — расположены на противоположной стороне RBD и стабилизируют его трехмерную структуру домена [5, 6]. Учитывая сложную структуру RBD, в основном его получают путем экспрессии в эукариотических клетках; при этом белок синтезируется в растворимой форме [7—13].

В ряде работ было показано, что для наработки RBD Spike-белка SARS-CoV-2 возможно также использование прокариотической системы экспрессии [14—18]. Эффективная бактериальная продукция может обеспечить наработку RBD в больших объемах и сделает его доступным для широкого применения в качестве компонента профилактических вакцин, терапевтических препаратов и диагностикумов.

Цель данной работы — получение синтезом в клетках Escherichia coli рекомбинантного белка, включающего RBM Spike-белка SARS-CoV-2, не уступающего по своей противовирусной активности RBD, полученному в эукариотическом продуценте (eRBD).

Материал и методы

Штамм и векторы. В работе использовали бактериальный штамм Escherichia coli BL21 (DE3) (E. coli B F dcm ompT hsdS(rBmB) gal λ(DE3) («Agilent Technologies», США), модифицированный плазмидный вектор pQE13 («Qiagen», США), в котором промотор T5 заменен на T7, и плазмиду pRep4 из E. coli M15 [pRep4] («Qiagen», США).

Получение генно-инженерных конструкций, кодирующих рекомбинантные белки 6His-RBDshort и 6His-RBDlong. Белки 6His-RBDshort (24,4 кДа) и 6His-RBDlong (33,7 кДа) включают короткую (330—527 a.o.) либо длинную (314—597 a.o.) аминокислотную последовательность RBD S1 SARS-CoV-2 (UniProtKB: locus SPIKE_SARS2, accession P0DTC2), последовательность из 6 а.о. гистидина (6His) на N-конце, а также дополнительные остатки, соответствующие нуклеотидным последовательностям с введенными рестрикционными сайтами. Нуклеотидные последовательности химерных генов, кодирующих белки RBDshort и RBDlong, были спланированы таким образом, чтобы на 5′-конце находились сайты NcoI и BamHI, а на 3′-конце — сайты BglII и Kpn2I. Оптимизацию кодонного состава химерных генов проводили с помощью программы JCat (https://www.jcat.de/), корректировку вторичной структуры транскрибируемой РНК — с помощью веб-сервера DINAMelt (https://www.unafold.org/Dinamelt/applications/two-state-melting-folding.php).

Синтетические гены встраивали в модифицированный плазмидный вектор pQE13 по сайтам BamHI и Kpn2I, в результате получили плазмиду pL919, кодирующую белок 6His-RBDshort, и плазмиду pL1060, кодирующую белок 6His-RBDlong. Модифицированный вектор pQE13 содержит в своем составе промотор фага лямбда T7 вместо исходного промотора фага T5.

Синтетические гены получали в компании «Евроген» (Россия). Правильность сборки последовательностей генов 6His-RBDshort и 6His-RBDlong подтверждена секвенированием.

Выращивание штаммов-продуцентов. Культуру трансформированных клеток E. coli BL21 выращивали в среде LB с добавлением канамицина (25 мг/л) и ампициллина (200 мг/л) на качалке при 180 об/мин и 37 °C до достижения OD600 1,0—1,2. Синтез белков индуцировали добавлением 0,5 мМ ИПТГ, далее культуру выращивали еще 4 ч в тех же условиях и центрифугировали в течение 30 мин при 5000 g и 10 °C. Биомассу хранили при –20 °C.

Разрушение клеток E. coli, выделение телец включения. Размороженную биомассу бактериальных клеток (1 г) суспендировали в лизирующем буфере (20 мМ Tris-HCl (pH 8,0), 100 мМ NaCl, 1% Triton X-100, 1 мМ фенилметилсульфонилфторид) в соотношении не менее чем 1:10 (w/v), вносили 100 мкг/мл лизоцима, инкубировали 20 мин при комнатной температуре и разрушали на ультразвуковой установке Vibra-Cell VCX 750 («Sonics», США; 40% амплитуда, 2,5 мин с перерывами 3 с через 2 с) на льду. Смесь центрифугировали в течение 30 мин при 20 000 g и 10 °C. Осадок, в котором содержались тельца включения, промывали дважды лизирующим буфером и 1 раз 20 мМ Tris-HCl, pH 8,0.

Колоночная хроматография и электрофорез. Колоночную хроматографию на сорбентах WorkBeads 40 Ni-NTA («Bio-Works», Швеция) и WorkBeads 40S («Bio-Works», Швеция) проводили с применением хроматографической установки низкого давления Akta Start («Cytiva», США). Концентрацию белка на всех этапах определяли по поглощению при 280 нм растворов белков с использованием теоретических (расчетных) коэффициентов поглощения белков и с помощью набора Bicinchoninic acid (BCA) Protein Assay («AppliChem», Германия). Белковые экстракты клеток и образцы белков на различных стадиях очистки перед электрофорезом в ПААГ готовили в буфере для образцов с восстановителем 0,2 М ДТТ (дитиотреитол) или без него в растворе, подробная методика опубликована ранее [19].

Хроматография на сорбенте WorkBeads 40 Ni-NTA. Для выделения и очистки белков отмытые тельца включения растворяли в 8 М растворе мочевины в 30 мМ Tris-HCl, pH 8,0, 10 мМ имидазоле, 200 мМ NaCl в соотношении не менее чем 1:20 (w/v) в течение 3 ч, центрифугировали 30 мин при 9000 g, полученный супернатант подвергали колоночной хроматографии на сорбенте WorkBeads 40 Ni-NTA. Супернатант наносили на колонку с сорбентом, уравновешенным раствором 8 М мочевины в 20 мМ Tris-HCl, pH 8,0, 10 мМ имидазола, 200 мМ NaCl со скоростью 1 мл/мин. Элюцию целевых белков проводили градиентом имидазола 10—500 мМ в 0,5 М NaCl, 8 М мочевины, 10 мМ Tris-HCl (pH 8,0) в пяти объемах колонки.

Рефолдинг. Рекомбинантные белки, полученные после первого этапа хроматографии на WorkBeads 40 Ni-NTA, разбавляли буфером, содержащим 6 М гуанидин гидрохлорида, 0,1 М ДТТ, 30 мМ Tris-HCl, pH 8,0, до конечной концентрации белка ~0,1 мг/мл и инкубировали в течение 24 ч при 4 °C. Далее раствор денатурированных белков диализовали против 10 объемов буфера, содержавшего 1 М гуанидин гидрохлорида, 30 мМ Tris-HCl, pH 8,8, в течение 24 ч, с трехкратной сменой диализного буфера и центрифугировали в течение 30 мин при 9000 g. Полученный раствор разбавляли буфером для рефолдинга, содержавшим 1 M L-аргинина, 50 мМ Tris-HCl, pH 8,8, 20 мМ глутатиона восстановленного и 2 мМ глутатиона окисленного в соотношении 1:1, до конечной концентрации белка ~0,05 мг/мл и инкубировали в течение 48 ч при 4 °C. Раствор рефолдированных белков диализовали против 10 объемов буфера, содержавшего 6 М мочевину, 30 мМ Tris-HCl, pH 6,8, в течение 24 ч с трехкратной сменой диализного буфера и центрифугировали в течение 30 мин при 9000 g.

Хроматография на сорбенте WorkBeads 40S. Связывание белков с сорбентом WorkBeads 40S и промывание колонки проводили в растворе 6 М мочевины в 30 мМ Tris-HCl-буфере, pH 6,8. Белки элюировали градиентом концентрации NaCl (0—1 М) в растворе 6 М мочевины в Tris-HCl-буфере, pH 6,8 в 5 CV (объемах колонки). Все операции проводили со скоростью 1 мл/мин. Фракции после элюции объединяли и последовательно диализировали против 10 объемов буфера, содержащего 4 М мочевины и 20 мМ натрий фосфата, pH 5,5, в течение 24 ч при 4 °C, далее против 10 объемов буфера, содержащего 2 М мочевины и 20 мМ натрий фосфата, pH 5,5, в течение 24 ч при 4 °C и против 10 объемов буфера, содержащего 20 мМ натрий фосфата, pH 5,5, в течение 24 ч при 4 °C. Диализ растворов белков проводили с использованием целлюлозной диализной мембраны Zellu Trans/ROTH 3,5 E657.1 («Carl ROTH», Германия) толщиной 25 мкм и нижним порогом пропускания 3500 Да.

Полученные препараты белков лиофильно высушивали и использовали для дальнейших исследований.

Молекулярную массу и теоретические значения некоторых параметров рекомбинантных белков рассчитывали с использованием интернет-ресурса https://web.expasy.org/protparam/.

Получение эукариотического eRBD проводили согласно методике, описанной в [19]. Аминокислотная последовательность RBD поверхностного Spike-белка вируса SARS-CoV-2 (319—541 а.о., идентификатор UniProtKB: locus SPIKE_SARS2, accession P0DTC2) была модифицирована с N-конца сигнальным пептидом щелочной фосфатазы SEAP (MLLLLLLLGLRLQLSLGI), а с C-конца — последовательностью глицин-серинового линкера и девяти гистидинов (GS-HHHHHHHHH).

Специфические гуманизированные моноклональные антитела. В качестве специфических моноклональных вируснейтрализующих антител были взяты антитела GamP2C5 [20] и GamXRH19, являющиеся компонентами препарата ГамКовиМаб (ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф.Гамалеи» Минздрава России, находится в стадии клинических испытаний), предназначенного для ранней этиотропной терапии коронавирусной инфекции, вызываемой вирусом SARS-CoV-2 (в стадии клинических исследований).

Оба антитела были получены при помощи культивирования стабильных клеточных линий-продуцентов CHO-S на среде SFM4CHO («Cytiva», США), а также хроматографической очистки с использованием сорбентов MabSelect SURE («Cytiva», США), Q Sepharose Fast Flow («Cytiva», США) и CHT I type 40 мкм («Bio-Rad», США).

Иммуноферментный анализ. Рекомбинантные белки иммобилизовали в лунках иммунологического планшета Maxisorp («Thermo Scientific», Дания) в 50 мМ карбонатно-бикарбонатном буфере, pH 9,0, в течение ночи (100 нг на лунку) при 4 °C. Несвязавшийся белок удаляли, а лунку блокировали 5% раствором сухого молока в фосфатном буфере (PBS), pH 7,4, в течение 1 ч при комнатной температуре. Затем лунки промывали 0,1% раствором детергента Tween-20 в фосфатном буфере (PBS), pH 7,4 и добавляли 5% раствор сухого молока в фосфатном буфере, содержащем различные разведения антител GamP2C5 и GamXRH19 (1, 0,5, 0,25, 0,125, 0,06, 0,03, 0,015 и 0,0075 мкг/мл). Каждое разведение вносили в трех повторах, инкубировали 1 ч при 37 °C и слабом перемешивании. Затем проводили 3-кратную отмывку 0,1% раствором детергента Tween-20 в фосфатном буфере. После отмывки вносили раствор конъюгата к IgG человека (933NA; «GE Healthcare», США), меченного пероксидазой хрена, и инкубировали 1 ч при 37 °C и слабом перемешивании. Далее проводили 5-кратную отмывку 0,1% раствором детергента Tween-20 в фосфатном буфере. Затем вносили раствор субстрата тетраметилбензидина (ТМБ) и инкубировали 10 мин при комнатной температуре без перемешивания, после чего реакцию останавливали добавлением раствора 1 N серной кислоты. Оптическую плотность при длине волны 450 нм измеряли на мультипланшетном ридере с LVF-монохроматорами (на линейных переменных фильтрах) CLARIOstar («BMG Labtech», США).

Противовирусная активность. Исследование проводили по методике, описанной A. Acharya и соавт. [21]. Клетки Vero E6 сеяли в 96-луночные планшеты в количестве 2·104 клеток на лунку в среде DMEM, содержащей 10% термоинактивированной фетальной бычьей сыворотки (HI-FBS), через 24 ч вносили препараты белков до эквимолярной концентрации в ячейке 0,55 мкМ. Затем инкубировали клетки с препаратами белков в течение 2 ч при 37 °C. Далее добавляли 100 TCID50 вируса SARS-CoV-2 вариант B.1.1.1 и инкубировали 1 ч при 37 °C. Затем проводили отмывку клеток от несвязавшихся вирусных частиц и добавляли 200 мкл среды DMEM, содержащей 10% HI-FBS. Через 24 ч из каждой лунки собирали по 25 мкл среды для анализа вирусной нагрузки методом ПЦР в реальном времени.

Выделение РНК вируса проводили с использованием реагента для выделения суммарной РНК ExtractRNA («Евроген», Россия) по протоколу фирмы-производителя. Для ПЦР использовали набор реагентов для выявления РНК коронавируса SARS-CoV-2 методом ПЦР с обратной транскрипцией ПОЛИВИР SARS-CoV-2 (ПНО «Литех», Россия). ПЦР проводили в дублях в термоциклере CFX96 («Bio-Rad», США) в режиме реального времени.

Коэффициент ингибирования (Кинг) рассчитывали по формуле:

где Авир — титр вируса в среде с клетками без препарата (ГЭ/мл), Апреп — титр вируса в среде с клетками, которые были обработаны препаратом (ГЭ/мл).

Статистический анализ. Статистический анализ проводили с использованием пакета программ Statistica 12.0 («Statsoft», США). Нормальность распределения проверяли с помощью теста Колмогорова—Смирнова. Данные представляли как среднее±стандартное отклонение (SD) или как медиану и квартили. Статистическую значимость различий оценивали с помощью одностороннего дисперсионного анализа (one-way ANOVA) с апостериорным анализом по Тьюки либо с помощью критерия Краскела—Уоллиса. Различия считали значимыми при p<0,05.

Результаты

Дизайн рекомбинантных белков RBDshort и RBDlong. В работе получены две генно-инженерные конструкции, кодирующие белки 6His-RBDshort (330—527 а.о.) и 6His-RBDlong (314—597 а.о.). Границы последовательностей RBDshort и RBDlong по отношению к общепринятым границам RBD и RBM показаны на рис. 1 (см. https://mediasphera</strong>.ru/upload/medialibrary/files/Mol_genetika_2023_02_032_add.zip).

Из рис. 2 (см. https://mediasphera</strong>.ru/upload/medialibrary/files/Mol_genetika_2023_02_032_add.zip) видно, что выбранный нами короткий фрагмент RBDshort соответствует расположенному сверху компактному структурному субдомену Spike-белка (см. рис. 2), реализующему все контакты с ACE2-рецептором. Длинный фрагмент RBDlong, помимо этого, включает также фрагмент белка, соответствующий субдомену 1 (SD1), и два β-тяжа из субдомена 2 (SD2). Фрагмент RBDshort содержит 8 а.о. цистеина, которые участвуют в формировании четырех дисульфидных связей: C336— C361, C379—432, C391—525 и C480—488. В удлиненном фрагменте RBDlong присутствует еще одна S—S-связь C538— C590.

Получение и очистка рекомбинантных белков RBDshort и RBDlong. Полученные генно-инженерные конструкции обеспечивали высокий уровень продукции белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong в клетках E. coli BL21 (рис. 3, см. https://mediasphera</strong>.ru/upload/medialibrary/files/Mol_genetika_2023_02_032_add.zip).

Поскольку оба белка нарабатывались в нерастворимой форме в виде телец включения, первую стадию очистки металл-хелатной хроматографией на сорбенте WorkBeads 40 Ni-NTA проводили в денатурирующих условиях. Далее белки инкубировали с восстановителем S—S-связей ДТТ и ступенчато диализировали против рефолдирующего буфера. После рефолдинга белки дополнительно очищали на ионообменном сорбенте WorkBeads 40S. Для дальнейшей работы использовали фракции, в которых на электрофореграмме в невосстанавливающих условиях отсутствовали высокомолекулярные агрегаты, образованные в результате неправильного рефолдинга (см. рис. 3, б, дорожки 9 и 10).

Выход белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong составил 4,5 и 1,8 мг на 1 л культуры соответственно, степень очистки — 97—98%.

Взаимодействие рекомбинантных белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong с вируснейтрализующими антителами. В качестве вируснейтрализующих антител использовали гуманизированные однодоменные моноклональные антитела GamP2C5 и GamXRH19.

На рис. 4 (см. https://mediasphera</strong>.ru/upload/medialibrary/files/Mol_genetika_2023_02_033_add.zip) приведены результаты иммуноферментного анализа связывания с вируснейтрализующими антителами GamP2C5 и GamXRH19 рекомбинантных белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong, а также эукариотического белка eRBD (319—541 а.о.), полученного в клетках CHO-S («Thermo Fisher Scientific», США) по методике, описанной в статье A. Karyagina и соавт. [19]. Показано, что эффективность взаимодействия рекомбинантного белка 6His-RBDshort с вируснейтрализующими антителами сопоставима с таковой для положительного контроля (eRBD). В случае рекомбинантного белка 6His-RBDlong взаимодействия с вируснейтрализующими антителами не наблюдалось.

Противовирусная активность рекомбинантных белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong в отношении вируса SARS-CoV-2. Было проведено изучение цитотоксичности рекомбинантных белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong, а также белка eRBD в качестве контроля. Показано, что все препараты белков в исследуемой концентрации (0,55 мкМ) нетоксичны для клеток Vero E6 (МТТ-тест), так как отсутствовало снижение пролиферативной активности клеток при инкубировании с препаратами в течение 72 ч.

Анализ вирусной нагрузки в среде клеток через 24 ч после заражения вирусом SARS-CoV-2 показал ингибирование размножения вируса после обработки клеток препаратами белков eRBD (42,8%) и 6His-RBDshort (45,1%) в эквимолярных концентрациях (0,55 мкМ) (рис. 5, см. https://mediasphera</strong>.ru/upload/medialibrary/files/Mol_genetika_2023_02_033_add.zip). У препарата 6His-RBDlong наблюдалось отсутствие ингибирования.

Большинство рекомбинантных субъединичных вакцин для профилактики коронавирусной инфекции, а также тест-системы для серологического тестирования заболевших и вакцинированных основываются на использовании RBD SARS-CoV-2, полученного экспрессией в клетках млекопитающих [22, 23].

Несмотря на некоторые преимущества (правильный фолдинг, посттрансляционная модификация), экспрессия белков в эукариотах требует больших временных и денежных затрат, сложных лабораторных условий. Только в нескольких исследованиях сообщалось об экспрессии RBD в прокариотических системах для изучения его структурных характеристик, взаимодействия с ACE2-рецептором и антителами переболевших COVID-19 [14, 17, 24, 25]. Однако одобренных для использования препаратов на основе прокариотического RBD нет.

В этой работе мы сконструировали два рекомбинантных белка для экспрессии в клетках E. coli, включающие различные по длине фрагменты Spike-белка, которые содержат участок RBM, играющий ключевую роль в связывании с ACE2-рецептором и нейтрализующими антителами [3]. Оба белка имеют сложную трехмерную структуру, стабилизированную несколькими дисульфидными мостиками.

При суперэкспрессии в бактериальных клетках генов эукариотических белков со сложной структурой, стабилизируемой дисульфидными связями, не происходит правильного фолдинга, и оба рекомбинантных белка 6His-RBDshort и 6His-RBDlong образуют нерастворимые тельца включения. После аффинной очистки белков был проведен длительный многоступенчатый рефолдинг, включающий стадии денатурации в присутствии гуанидин гидрохлорида, восстановление дисульфидных связей с помощью ДТТ, медленное снятие денатурирующих условий с последующей длительной инкубацией в присутствии пары глутатионов (окисленная/восстановленная формы) и антиагреганта аргинина.

Дополнительная очистка на катионообменнике Workbeads 40S после рефолдинга 6His-RBDshort и 6His-RBDlong позволила удалить оставшиеся примесные белки.

Обсуждение

Иммуноферментный анализ показал сравнимые результаты взаимодействия белков 6His-RBDshort и eRBD с гуманизированными однодоменными моноклональными антителами GamP2C5 и GamXRH19, специфичными в отношении RBD Spike-белка SARS-CoV-2, обладающими высокой противовирусной активностью [20] и являющимися компонентами препарата ГамКовиМаб для экстренной профилактики и ранней этиотропной терапии коронавирусной инфекции, вызываемой вирусом SARS-CoV-2, успешно прошедшего I фазу клинических исследований. При этом рекомбинантный белок 6His-RBDlong на основе длинного фрагмента RBD практически не взаимодействовал с антителами. Это может быть обусловлено неправильным рефолдингом данного варианта белка, содержащего дополнительную аминокислотную последовательность, соответствующую структурному домену, который в нативном виде является частью структуры Spike-белка. Можно предположить, что в случае включения в структуру длинного фрагмента RBD данного домена приводит к его взаимодействию с другими структурными доменами 6His-RBDlong, что проводит к образованию различных конформаций. Об этом может свидетельствовать наблюдающаяся размытость полос белка, а также отсутствие различий в подвижности белка в присутствии и при отсутствии восстанавливающего агента в препаратах после рефолдинга на электрофореграмме в невосстанавливающих условиях (см. рис. 3, б, дорожки 9, 10). Активный белок 6His-RBDshort имеет более тонкие полосы в геле с различной подвижностью в присутствии и при отсутствии восстанавливающего агента (см. рис. 3, а, дорожки 9, 10).

Исследование противовирусной активности препаратов рекомбинантных белков 6His-RBDshort и 6His-RBDlong в отношении вируса SARS-CoV-2 проводили на клетках линии Vero E6. У прокариотического (6His-RBDshort) и эукариотического вариантов белков были получены сопоставимые значения коэффициентов ингибирования, определяющих способность препятствовать проникновению вируса SARS-CoV-2 в клетки. Наблюдаемые результаты свидетельствуют об эффективном взаимодействии рекомбинантных белков с ACE2-рецептором на поверхности клеток. При этом 6His-RBDlong не оказывал ингибирующего действия на проникновение и размножение вируса.

Отличительной особенностью данного исследования является практически аналогичное поведение эукариотического (eRBD) и прокариотического (6His-RBDshort) препаратов в отношении связывания с антителами и противовирусной активности. Имеющиеся данные литературы свидетельствуют о том, что RBD, синтезированный в клетках E. coli, отличается сниженной в ~2 раза эффективностью взаимодействия с сыворотками переболевших COVID-19 (по данным иммуноферментного анализа) [26], а также показывает сравнительно слабое связывание со специфическими антителами крыс [27] по сравнению с eRBD.

Известно, что при экспрессии белков в прокариотах отсутствуют характерные для эукариот посттрансляционные модификации, в первую очередь гликозилирование. Укороченный фрагмент RBD Spike-белка (330—527 а.о.), на основе которого был создан рекомбинантный белок 6His-RBDshort, содержит два сайта гликозилирования (Asn331, Asn343), не входящих в RBM, поэтому гликозилирование не должно влиять на связывание RBD с ACE2. В работе L. Núñez-Muñoz и соавт. было показано, что экспрессированные в E. coli рекомбинантные белки на основе участков RBD, не содержащих сайты гликозилирования, способны эффективно распознаваться антителами выздоровевших после COVID-19 пациентов, а также обладают противовирусной активностью [28].

Определяющим фактором для эффективного связывания RBD с ACE2 является нативная конформация белка, обусловленная в первую очередь правильным образованием дисульфидных связей. В работе A. Grishin и соавт. было показано, что дисульфидные связи играют критическую роль в поддержании правильной структуры RBD, обеспечивая высокоаффинное взаимодействие с клеточным рецептором ACE2 [6]. При этом связывание RBD с ACE2 снижалось на два порядка в присутствии восстановителей, таких как ДТТ.

Заключение

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что нам удалось разработать методику получения в клетках E. coli рекомбинантного белка 6His-RBDshort, не уступающего eRBD по взаимодействию как со специфическими антителами, так и с клетками млекопитающих. После проведения дополнительных исследований разработанный рекомбинантный белок 6His-RBDshort может быть рассмотрен в качестве перспективного препарата для использования в терапевтических целях в качестве блокатора рецептора ACE2.

Финансирование работы

Исследование было проведено в рамках выполнения государственного задания Минздрава России №056-00119-21-00 («Разработка препарата блокатора рецептора ACE2 для профилактики и терапии коронавирусной инфекции»).

Соблюдение этических стандартов

Настоящая статья не содержит описания исследований, выполненных кем-либо из авторов данной работы, с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail



Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.