利用大肠杆菌展示技术工程化高效matriptase底物及其在前药激活中的应用

Engineering high-efficiency matriptase substrates using E. coli display for applications in prodrug activation.

作者信息Anna Mestre Borras, Hanna Mehari, Stefan Ståhl, John Löfblom
PMID40499550
发布时间2025-06-16
DOI10.1016/j.crmeth.2025.101077

实验完整度

包含细胞表面展示筛选、FRET动力学分析、蛋白酶特异性检测及抗体前药激活等多层级实验验证。

主要模型

大肠杆菌BL21 (DE3)表面展示系统 ExpiCHO-S细胞表达抗体前药

重点核对

筛选过程中matriptase浓度梯度(50至10 nM)及FACS分选轮次(4轮) FRET动力学测定中底物浓度范围(120至1.75 μM)及matriptase浓度(10 nM) 抗体前药激活实验中matriptase浓度(1, 10, 50 nM)和处理时间(10, 30, 60 min) 对照底物Mtp-control和TEV-control的使用

摘要

Proteases play a crucial role in biological functions such as tumor progression and tissue homeostasis. Recently, protease-activated prodrugs have gained attention for their potential to enhance selectivity in tumor-targeted therapies. In this study, we report the engineering of substrate sequences for matriptase, a protease overexpressed in tumors and previously explored for prodrug activation in vivo. A peptide library containing millions of potential substrates was displayed on Escherichia coli, and flow cytometric sorting was used to isolate improved substrates based on cleavage efficiency. Hits were ranked by flow cytometry, and the top substrates exhibited kcat/KM values over 40-fold higher than previously reported sequences. These substrates were further evaluated in an antibody-prodrug format, demonstrating exceptional activation. The matriptase substrates hold broad potential for applications such as cleavable linkers in next-generation antibody prodrugs. Furthermore, the developed bacterial display platform shows promise for discovering substrates of other proteases.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何工程化出比已有matriptase底物切割效率更高的底物序列,以用于前药激活?
核心机制
通过优化P3至P3'位点的氨基酸组成,增强matriptase对底物的识别和切割效率。
主要证据
FRET动力学分析显示MtpC5的kcat/KM值为5.13E+05 M^-1 s^-1,较Mtp-control提高40倍;抗体前药实验中,1 nM matriptase处理30 min即可部分切割新型底物,而对照组无切割。
研究意义
作者提出这些底物可用于下一代抗体前药的可切割连接子,以及用于检测体内外活性matriptase的诊断应用。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

构建大肠杆菌表面展示切割报告系统

验证展示系统能否用于蛋白酶底物的特异性切割检测。

构建pPALU_CRS载体,将TEV和matriptase底物序列插入表达报告域之间,在E. coli表面展示,经蛋白酶处理后用流式细胞术分析。

2

设计并构建matriptase底物文库

生成包含大量潜在底物序列的文库,用于筛选高效底物。

设计基于已知偏好的部分随机化文库,理论多样性4.7×10^6,转化大肠杆菌获得1.3×10^7转化子。

3

FACS分选富集可切割底物

从文库中富集可被matriptase切割的底物。

对展示文库进行四轮FACS分选,逐步降低matriptase浓度(50至10 nM)提高筛选严格性。

4

个体候选底物的流式分析

评估单个候选底物的切割效率。

随机挑选192个克隆,用流式细胞术在不同matriptase浓度(1, 10, 25, 50 nM)和时间(0-90 min)下检测切割。

5

可溶affibody-ABD底物的切割分析

验证新底物在可溶融合蛋白中的切割效率。

将底物插入affibody-ABD融合蛋白,用SDS-PAGE分析不同matriptase浓度(1, 10, 50 nM)和时间(10, 30, 60 min)下的切割。

6

FRET动力学分析

定量测定底物的动力学参数。

合成FRET底物(Abz/Dnp标记),在不同浓度下用matriptase切割,监测荧光变化,拟合Michaelis-Menten方程。

7

底物特异性分析

评估底物对其他蛋白酶的稳定性。

将FRET底物分别与uPA、legumain、MMP-2孵育,检测是否切割。

8

抗体前药激活验证

验证新底物能否用于前药激活。

将底物克隆入抗体前药载体,在ExpiCHO-S细胞中表达,经matriptase处理后用SDS-PAGE分析切割。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证展示系统
前药激活评估

产品清单

实验环节名称品牌货号
大肠杆菌BL21 (DE3)New England BiolabsC2527I
HER2/ERBB2蛋白ECD,His标签SinoBiologicals10004-H02H
Alexa Fluor 647 NHS酯InvitrogenA20006
MatriptaseR&D systems/Bio-Techne3946-SEB
尿激酶型纤溶酶原激活物R&D systems/Bio-Techne1310-SE
LegumainR&D systems/Bio-Techne2199-CY
基质金属蛋白酶-2R&D systems/Bio-Techne902-MP
NcoI限制酶New England BiolabsR0193S
SpeI限制酶New England BiolabsR3133S
链霉亲和素R-藻红蛋白偶联物Thermo Fisher ScientificS866
Phusion聚合酶Thermo Fisher ScientificF530S
Biotin-XX微量蛋白标记试剂盒Thermo Fisher ScientificB30010
Qiagen质粒小提试剂盒Qiagen27104
Qiagen凝胶回收试剂盒Qiagen28704
Qubit dsDNA高灵敏度及宽范围检测试剂盒InvitrogenQ33266
In-Fusion HD克隆试剂盒Takara102518
PD-10脱盐柱Cytiva17085101
ExpiFectamine CHO转染试剂盒Thermo Fisher ScientificA14524
HiTrap PrismA柱Cytiva17549854
ExpiCHO-S细胞Thermo Fisher ScientificA29127
pET26b载体Novagen-Merck69862
pcDNA3.1衍生载体Thermo Fisher ScientificV79020

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
库构建与筛选
筛选过程中matriptase浓度梯度(50至10 nM)及FACS分选轮次(4轮)
阅读提示:Methods中 'Library labeling and sorting by flow cytometry' 部分
FRET动力学分析
底物浓度范围(120至1.75 μM)、matriptase浓度(10 nM)
阅读提示:Methods中 'Characterization of substrate kinetics and specificity by FRET' 部分
抗体前药激活
matriptase浓度(1, 10, 50 nM)和处理时间(10, 30, 60 min)
阅读提示:Methods中 'Cleavage analysis of substrates in prodrugs' 部分
对照设置
Mtp-control和TEV-control的使用
阅读提示:Methods中 'Construction of a substrate cleavage reporter system' 部分