• Keine Ergebnisse gefunden

Expression Libraries as Tools for the Development of Subunit Vaccines and Novel Detection Molecules for Orthopoxviruses

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "Expression Libraries as Tools for the Development of Subunit Vaccines and Novel Detection Molecules for Orthopoxviruses"

Copied!
113
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

 

Expression Libraries as Tools for the 

Development of Subunit Vaccines and Novel 

Detection Molecules for Orthopoxviruses 

 

vorgelegt von  

Diplom‐Ingenieurin  

L

ilija Mille

aus Berlin 

 

Von d

er Fakultät III – Prozesswissenscha

ften 

der Technischen Universität Berlin 

z

ur Erlangung des akademischen Grades

 

Doktorin der In

genieurw

issenschaften 

‐Dr.‐Ing.‐ 

genehmigte Dissertation 

romotionsausschuss: 

P

 

er: 

 

Vorsitzend

Prof. Dr. L.‐A. Garbe

Berichter:   

Prof. Dr. R. Lauste

Berichter:   

PD Dr. A. Nitsche 

erichter:   

Prof. Dr. J. Kurreck 

B

 

ag der wissenschaftlichen Aussprache: 02. Dezember 2011 

T

 

Berlin 2011 

D83 

(2)

                                                     

“You  can  accurately  judge  the  research  of  others  only  after  you’ve  done  your  own  and  can  understand  the  messy  reality  behind  what  is  so  smoothly  and  confidently  presented  in  your  textbooks or by experts on TV.” [1] 

(3)

 

                                                    To my parents, my sister and my other half 

(4)

Acknowledgments 

As with all projects in life, this one wouldn’t have been possible to complete without  the help of many persons, including my dear colleagues but also friends and family. It  is thus highly likely that I won’t be able to acknowledge every single contribution by  name. Therefore, in order to do justice, I would first like to thank everyone who helped  me through this demanding but interesting time, independent of the kind of support!   I am grateful to Andreas Nitsche for giving me the opportunity to do my PhD project  and  for  continuously  providing  motivation  and  support.  Sincere  thanks  to  my  colleague,  my  best  friend,  and  my  fellow  in  misery  Daniel  Stern!  Thank  you  for  the  innumerable,  valuable  scientific  discussions,  for  frequent  encouragement  and  for  always having a sympathetic ear. Without you the time would have been much harder!  Further, I’d like to thank all members of the ZBS1 group for the friendly atmosphere,  company during lunch, and the badminton tournaments.  

A great contribution to this thesis was done by the students I supervised during my  PhD project. Lisa Schlicher, Isabel Choschzick, and Christoph Hapke contributed to the  “Expression  library  project”  during  their  internships.  Marco  Richter  and  Christoph  Hapke  further  contributed  to  this  project  by  completing  their  master’s  thesis  or  bachelor’s thesis, respectively. Johannes von Recum contributed to the “Phage Display  project”  within  the  scope  of  his  master’s  thesis.  I  am  thankful  to  Janine  Michel,  who  helped  me  with  phage  display  selections  and  subsequent  peptide  characterization.  Wojtek  P.  Dabrowski  contributed  to  the  same  project  by  programming  the  “Library  Insert  Finder”  software  and  thus  considerably  simplified  the  search  for  the  random  peptide sequences.  

I  am  also  grateful  to  the  staff  of  the  photo  laboratory  for  taking  great  pictures  of  various agar plates and nitrocellulose filters and for printing my posters.  

Jung‐Won Sim‐Brandenburg and Delia Barz gave me excellent technical assistance,  whereas  the  staff  of  the  sequencing  lab,  namely  Julia  Tesch,  Silvia  Muschter,  Julia  Hinzmann,  and  Marlies  Panzer  provided  me  with  numerous  DNA  sequences.  I  am  grateful to all of you for becoming more than colleagues but also valuable friends.  

Sincere  thanks  to  Ursula  Erikli  for  copy‐editing  and  continuous  suggestions  for  improving my English language skills.  

This  work  was  funded  within  the  BMBF/VDI‐financed  BiGRUDI  network  of  the  Ro of  bert Koch Institute (RKI; Berlin). In this context I am also thankful to the members  the “Aptamer work group” for the valuable scientific discussions.  Most grateful I am to my parents who shaped me to be the person I am today. They  always give me the feeling of being the best person in the entire world and thus help  me  to  overcome  moments  of  uncertainty.  Last  but  not  least,  I  am  grateful  to  my  partner for sharing the cheery moments with me as well as for supporting me in times  of despair. Thank you so much for always having the right word at the right moment  and for all the cooking.  

(5)

Declaration of Authorship 

I  certify  that  the  work  presented  here  is,  to  the  best  of  my  knowledge  and  belief,  original and the result of my own investigations, except as acknowledged. The present  work has not been submitted, either in part or whole, for a degree at this or any other  University. Parts of this work have been published under the following title:  

Miller, L., Richter, M., Hapke, C., Stern, D., & Nitsche, A. (2011) Genomic Expression  Libraries  for  the  Identification  of  Cross‐Reactive  Orthopoxvirus  Antigens.  PLoS  ONE  6(7): e21950. Epub 2011 Jul 14.     erlin,   B     Lilija Miller   

(6)

nservation among orthopoxviruses. 

Additionally,  combinatorial  phage  display  methodology  was  utilized  to  identify  poxvirus‐specific  peptide  ligands  as  novel  detection  molecules.  Affinity  selections  of  random  peptide  phage  display  libraries  against  infectious  virus  particles  yielded  17  recurring  peptide  sequences  indicating  an  enrichment  of  poxvirus‐binding  phage  clones.  After  characterization  of  these  17  binding  clones,  three  peptide  sequences  were  synthesized  and  characterized  further.  Thereby,  one  phage‐derived  synthetic  peptide was shown to bind selectively and specifically to vaccinia virus particles. This  provides  important  insights  into applicability  of  synthetic molecules  for  detection  of  biothreat agents. 

Abstract 

The  global  eradication  of  smallpox  led  to  the  cessation  of  routine  smallpox  vaccination due to rare but severe adverse reactions. Today, more than 30 years later,  the majority of the world’s population has no protective immunity against poxviruses.  Concurrently,  the  frequency  of  zoonotic  poxvirus  infections  with  monkeypox  and  cowpox  virus  is  increasing,  accompanied  by  the  fear  of  bioterrorist  attacks  with  smallpox. These developments emphasize the need for bio‐preparedness programs to  enable  rapid  and  effective  prevention  and  control  of  poxvirus‐associated  disease  spread. Bio‐preparedness includes the availability of rapid detection methods as well  as  the  existence  of  safe  vaccines  and  therapeutics  that  can  be  administered  to  the  majority  of  the  population.  Various  existing  poxvirus  detection  methods  are  well‐ established and highly sensitive. However, they are usually not suitable for rapid on‐ site detection of biothreat agents. Conventional smallpox vaccines, on the other hand,  show excellent immunogenic properties. Yet today, they can not be administered to a  growing proportion of individuals with impaired immunity, urging the development of  safer  vaccines.  Thereby,  recombinant  subunit  vaccines  are  considered  to  be  a  safer  alternative to conventional smallpox vaccines.  

To speed up the development of subunit vaccines and to evaluate the applicability of  synthetic peptide aptamers for poxvirus detection, screenings of bacteriophage‐based  libraries  were  utilized  in  the  present  study.  First,  a  low‐cost  approach  for  antigen  discovery  was  established  and  evaluated.  This  approach  is  based  on  serological  screenings  of  bacteriophage‐based  genomic  expression  libraries.  These  screenings  resulted  in  the  identification  of  21  antigenic  proteins.  Sixteen  of  these  21  antigens  were  also  found  to  be  cross‐reactive  among  cowpox  and  vaccinia  virus.  In  addition,  seven  of  identified  antigenic  cross‐reactive  proteins  A3,  A4,  D13,  E2,  E3,  E9,  and  H6  are  proposed  to  be  included  in  subunit  vaccines  due  to  their  antigenicity  and 

(7)

it für die Verwendung in Subunit‐Impfstoffen vorgeschlagen.  

Außerdem  wird  die  kombinatorische  Phagen‐Display‐Methode  und  ihre  Verwen‐ dung zur Identifizierung pockenspezifischer Peptidliganden als neuartige Detektions‐ moleküle  vorgestellt.  Affinitätsselektionen  von  Phagen‐Display‐Bibliotheken  gegen  infektiöse  Vaccinia‐Virus‐Partikel  führten  zur  erfolgreichen  Anreicherung  von  17  wiederkehrenden  Peptidsequenzen,  was  auf  eine  Anreicherung  von  Pockenvirus‐ bindenden  Phagenklonen  hindeutet.  Nach  einer  Charakterisierung  dieser  17  bindenden Klone, wurden drei Peptidsequenzen ausgewählt, synthetisiert und weiter  charakterisiert.  Dabei  konnte  für  eins dieser drei  synthetischen  Peptide  eine spezifi‐ sche  Bindung  an  Vaccinia‐Virus‐Partikel  gezeigt  werden.  Dies  demonstriert  die  Eignung synthetischer Peptide für die Detektion von Bioterror‐Agenzien.  

Zusammenfassung 

Nach  der  erfolgreichen  globalen  Ausrottung  der  Pockenkrankheit  wurde  die  Pockenimpfung  aufgrund  seltener  aber  schwerer  Komplikationen  eingestellt.  Heute,  nach  mehr  als  30  Jahren,  weist  die  Mehrheit  der  Welt‐Bevölkerung  keinen  Immun‐ schutz  mehr  auf.  Gleichzeitig  steigt  neben  der  Häufigkeit  zoonotischer  Pockenvirus‐ infektionen mit Affen‐ oder Kuhpockenviren auch die Angst vor Bioterror‐Anschlägen  mit  Variolaviren.  Diese  Entwicklungen  unterstreichen  die  Notwendigkeit  von  Projekten,  die  vorbereitende  Maßnahmen  für  den  Fall  eines  Bioterroranschlags  treffen, um die Ausbreitung von Krankheitserregern zu verhindern. Hierzu zählt neben  der  Entwicklung  von  schnellen  und  einfach  zu  bedienenden  Diagnostikplattformen  auch  die  Verfügbarkeit  von  Impfstoffen  und  Therapeutika,  die  der  Mehrheit  der  Bevölkerung  verabreicht  werden  können.  Obwohl  bereits  zahlreiche,  gut  etablierte  Methoden für den Nachweis von Pockenviren existieren, sind diese für eine schnelle  Vor‐Ort‐Diagnostik  häufig  nicht  geeignet.  Vorhandene  konventionelle  Pockenimpf‐ stoffe  besitzen  gute  immunogene  Eigenschaften,  können  jedoch  einer  steigenden  Anzahl  immunsupprimierter  Menschen  nicht  verabreicht  werden.  Somit  ist  eine  Entwicklung  sicherer  Pockenimpfstoffe  erforderlich.  Hierbei,  stellen  Subunit‐Impf‐ stoffe eine potentiell sicherere Alternative zu konventionellen Impfstoffen dar.  

Um die Entwicklung von Subunit‐Impfstoffen voranzubringen und die Anwendbar‐ keit  synthetischer  Peptid‐Aptamere  für  Pockenvirusdetektion  zu  beurteilen,  wurden  in  der  vorliegenden  Arbeit  Bakteriophagen‐basierte  Bibliotheken  gescreent.  Zuerst  wurde  eine  kostengünstige  Methode  zur  Antigen‐Identifizierung  etabliert  und  evaluiert. Bei dieser Methode werden Bakteriophagen‐basierte Expressionsbibliothe‐ ken mit Pocken‐Antiseren gescreent. Dank dieser serologischen Screenings konnten 21  immunogene  Pockenproteine  identifiziert  werden.  Sechzehn  dieser  21  Proteine  wurden  auch  als  kreuzreaktiv  zwischen  Vaccinia‐Virus  und  Kuhpockenvirus  identifiziert. Nach einer Auswertung, werden sieben der identifizierten kreuzreaktiven  Proteine A3, A4, D13, E2, E3, E9 und H6 aufgrund ihrer Antigenität und Konserviert‐ he

(8)

3.4.2. Purification of OPV particles ...30 3.4.3. Purification of viral genomic DNA ...30 3.4.4. Quantification of extracted DNA with real‐time PCR ...31

Table of contents 

Acknowledgments...III Declaration of Authorship... IV Abstract...V Zusammenfassung ... VI 1. Introduction...1 1.1. Orthopoxviruses (OPVs)...1 1.1.1. Human‐pathogenic OPVs... 1 1.1.2. Virion structure ... 4 1.1.3. OPV genome ... 5 1.1.4. OPV proteome... 8 1.2. OPV vaccines and vaccine candidates...9 1.2.1. First generation vaccines... 9 1.2.2. Second‐generation vaccines...10 1.2.3. Third‐ and fourth‐generation vaccines...11 1.3. Immune response to an OPV infection ...12 1.3.1. Humoral immune response ...12 1.3.2. Cellular immune response ...13 1.4. Immunogenic OPV proteins ...14 1.5. Detection of OPVs...14 1.5.1. BiGRUDI network... 1.5.2. Non‐antibody‐based detection of pathogens...15 1.6 de ...14 . Library screenings for the advancement of OPV vaccine and detection molecule  velopment ...15 1.6.1. Bacteriophage λ‐based expression libraries (ELs)...16 1.6.2. Phage display of random peptide libraries...18 2. Aims of Study... 22 3. Materials and Methods ... 23 3.1. Materials ...23 3.2. Cell culture ...28 3.2.1. Maintenance and subculture routine ...28 3.2.2. Cell preservation and recovery...28 3.3. Virus propagation...29 3.3.1. Virus stock production ...29 3.3.2. Plaque assay ...29 3.4. Preparation of genomic viral DNA for cloning ...30 3.4.1. OPV propagation ...30

(9)

Table of contents  3.5. Construction of genomic OPV ELs ...32 3.5.1. Partial digestion of genomic DNA ...32 3.5.2. Size fractionation of partially digested DNA ...33 3.5.3. Ligation reaction ...33 3.5.4. Packaging reaction ...34 3.5.5. Amplification of the primary EL ...34 3.6. Library validation...34 3.6.1. Mathematical validation...34 3.6.2. Blue‐white screening...35 3.7. Characterization of recombinant clones...35 3.7.1. Excision of the pBK‐CMV vector ...35 3.7.2. Plasmid DNA isolation ...36 3.7.3. Restriction analysis...36 3.7.4. PCR amplification of insert DNA...37 3.7.5. Sequencing of DNA inserts...38 3.7.6. Data processing...38 3.8. Anti‐rA27 enzyme‐linked immunosorbent assay (ELISA)...39 3.9. Serological screening of ELs ...39 3.9.1. Immunofluorescence assay (IFA) ...40 3.9.2. Ethics statement ...40 3.9.3. Primary antibody screening...40 3.9.4. Secondary screening procedure ...42 3.10. Analysis of immunopositive plaques...43 3.11. Random peptide phage display libraries ...43 3.12. Bacterial strain maintenance and culture ...43 3.13. Phage titering ...44 3.14. Identification of peptide ligands to infectious VACV particles...44 3.14.1. Propagation and purification of VACV particles ...44 3.14.2. Biopanning against VACV particles ...44 3.14.3. Amplification of binding phage clones...45 3.14.4. DNA sequencing of selected phage clones...46 3.14.5. Identification of consensus peptide sequences...46 3.14.6. Phage ELISA...46 3.15. Peptide synthesis...46 3.16. Characterization of synthetic anti‐OPV peptide ligands by peptide ELISA ...47 4. Results ... 48 4.1. Construction of primary genomic ELs ...48 4.2. Amplified ELs ...50 4.3. Validation of the constructed ELs...50 4.3.1. Restriction analysis...51 4.3.2. Sequencing of recombinant clones...51 4.3.3. Control screenings...55 4.4. Identification of immunoreactive proteins of VACV...57 4.5. Identification of immunoreactive proteins of CPXV ...58 4.6. DNA sequences contained in immunoreactive clones ...60 4.7. Genes encoding immunoreactive proteins are distributed genome‐wide ...61

(10)

Table of contents  4.8. Cross‐reactive proteins of CPXV and VACV ...61 4.8.1. Cross‐reactive proteins of VACV and CPXV show wide functional diversity ...62 4.9. Identification of peptide ligands to infectious VACV particles ...64 4.9.1. Identification of consensus peptide sequences...64 4.9.2. Preliminary characterization of enriched phage clones with phage ELISA...66 4.10. Synthetic peptide ligands ...67 4.11. Peptide ELISA...68 5. Discussion... 71 5.1. Recombinant vs. non‐recombinant titer of the constructed genomic ELs ...71 5.2. ELs with different insert size enable complete representation of viral sequences ...72 5.3. DNA sequences found in recombinant phage clones...73 5.4. Antigenicity of EL‐derived proteins...74 5.5. Comparison of the bacteriophage‐based screening system to alternative methods for  antigen discovery...75 5.6. Bacteriophage‐based ELs allow identification of antigenic, cross‐reactive proteins ...77 5.6.1. Primary vs. boosted immune response sera ...77 5.6.2. Screening ELs with sera from different species...78 5.7. Large parts of the OPV genome encode immunoreactive proteins ...78 5.8. Limitations for the identification of antigenic, cross‐reactive proteins by screening  bacteriophage‐based ELs...79 5.9. Relevance of identified cross‐reactive OPV proteins for subunit vaccine design...79 5.9.1. Highly conserved proteins are best suited for subunit vaccine design ...80 5.9.2. Potential role of non‐membrane proteins in subunit vaccine development...81 5.10. Techniques for improving binding properties of peptide ligands ...83 5.11. Synthetic peptides as surrogate antibodies for pathogen detection?...83 5.12. Implementing synthetic peptides for the detection of biothreat agents ...85 5.13. Conclusions and perspectives ...86 Abbreviations ... 88 Figures... 90 Tables ... 91 Formulas... 91 References ... 92 List of Publications ...102 Conference and workshop participation...103

(11)

1. Introduction 

This chapter summarizes relevant knowledge in the field of poxvirology with special  emphasis  on  two  aspects:  (1)  prevention  of  viral  infections  through  vaccination  and  (2)  development  of  novel  detection  molecules.  To  highlight  the  relevance  of  both  aspects,  human‐pathogenic  poxviruses  and  their  biology  are  described  first.  Subsequently,  different  generations  of  poxvirus  vaccines  as  well  as  the  requirement  for the improvement of existing vaccines are outlined. This is followed by a description  of subunit‐based vaccines and their components. Thereby, special emphasis is laid on  immunogenic  poxvirus  proteins  and  methods  for  their  identification.  Following  this,  currently available detection methods as well as the requirement for the development  of  non‐antibody‐based  detection  methods  are  outlined.  In  this  context,  the  phage  display  of  random  peptides  methodology  and  its  potential  use  in  poxvirus  detection  are described.  

1.1. Orthopo

 (OPVs) 

The  family  Poxviridae  comprises  a  large  number  of  complex  viruses  that  infect  vertebrates,  birds,  and  insects  [2;3].  Poxviruses  are  classified  into  two  subfamilies  Chordopoxvirinae  and  Entomopoxvirinae,  based  on  vertebrate  and  insect  host  range  [3].  The  subfamily  Chordopoxvirinae  contains  eight  genera,  with  one  of  them  being  Orthopoxvirus  (OPV).  The  genus  OPV  is  further  divided  into  different  virus  species,  including camelpox, cowpox, ectromelia, monkeypox, vaccinia, and variola virus [2;3].  Al

xviruses

l OPV species show serological cross‐reactivity and cross‐protection [4].   OPV infections can be classified as systemic or localized (at the site of virus entry)  illnesses [5]. Generalized disease usually manifests with rash [5]. The type of infection  depends on OPV species, the route of entry, and the genus/species of the susceptible  animal and its immune status [5]. Four OPV species are known to infect humans.   1.1.1. um n­pathogenic OPVs H

The  OPV  species  vaccinia  virus  (VACV),  cowpox  virus  (CPXV),  monkeypox  virus  (MPXV), and variola virus (VARV) can infect humans [5]. While VARV is an exclusively  human  pathogen,  the  other  species  are  transmitted  from  animals  to  humans  (zoonoses) [6‐8]. The properties of human‐pathogenic OPVs are listed in 

a

Table 1 and  described below in more detail. 

(12)

1. Introduction 

Table 1. Properties of human­pathogenic OPVs 

Property  Vaccinia  Cowpox  Monkeypox  Variola 

Host range  Broad  Broad  Broad  Narrow 

Genome DN

(kbpb) A

a) size 

192  220  191  186 

Geographic 

distribution  Brazilc)  Western Eurasia  Western and central Africa  Eradicated (formerly worldwide)  Direct contact,  respiratory droplets  Mod

transmission e of  Direct contact  Direct contact  Direct contact, respiratory droplets  a) DNA – Deoxyribonucleic acid 

b) kbp – kilo base pairs 

c) Naturally occurring infections  Vaccinia virus 

VACV  is  the  agent  that  has  been  most  widely  used  for  vaccination  to  successfully  eradicate  smallpox  [4].  The  exact  origin  of  VACV  remains  unknown  but  different  explanations have been proposed. These include such possibilities as: (1) VACV is an  extinct,  once  zoonotic  virus,  (2) VACV  was  artificially  derived  from  another  OPV  during  vaccine  production,  and  (3) VACV  may  be  a  recombinant  between  VARV  and  the original species of OPV once used for vaccination [9]. There are many VACV strains  with different biological properties. However, all of these have a broad host range and  some of them have been used for decades as vaccines or in laboratory research [4;9].  Due to this long‐lasting utilization, VACV has become the most investigated prototype  OPV  virus.  Despite  the  cessation  of  the  worldwide  vaccination  campaign,  VACV  infections  still  occur  worldwide.  Today  three  different  infection  sources  exist:  (1) natural  human  infections  (zoonoses)  in  Brazil  transmitted  by  cattle  [10;11],  (2) accidental  laboratory  infections  (Figure  1A)  [9;12‐16],  and  (3) infections  after  contact to a recent vaccinee [17‐20]. 

Cowpox virus 

CPXV infections first became known through an infection of milkers by contact with  ulcers  on  the  teats  of  cattle  [4].  Human  cowpox  is  a  zoonotic  disease  which  usually  causes  a  self‐limiting  local  infection  [21].  In  recent  years,  more  diverse  sources  of  a  CPXV infection have been reported. Human cowpox has been transmitted by cats [22‐ 25], by rats [26‐29], and by elephants [30;31]. Cases of infected dogs [32] and exotic  zoo animals [33] as well as associated transmissions to humans [34;35] have also been  reported. CPXV thus has an extremely broad host range and is prevalent in Western  Eurasia [21].   Human cowpox is a self‐limiting disease, not highly infective in immunocompetent  humans.  Immunocompetent  patients  present  with  localized  lesions  or  crusted  ulcerated nodules or blisters on the fingers, arms, legs or face (Figure 1B). The virus  infects through skin abrasions and the resulting lesions can leave scars after healing  [21].  Beside  self‐limiting,  local  infections,  severe  clinical  courses  resulting  in  prolonged treatment have been described [28;34]. Furthermore, a case of generalized,  fatal  CPXV  infection  in  an  immunocompromised  patient  with  a  life‐long  history  of 

(13)

1. Introduction 

atopic  dermatitis  has  been  reported  [22].  Human  cowpox  particularly  affects  young  people  [24],  indicating  that  the  lack  of  vaccination  against  smallpox  may  render  today’s population more susceptible to OPV infections including cowpox [21;36;37].          

       

Figure 1. Clinical presentation of human­pathogenic OPV infections  (A) Accidential needlestick inoculation of a laboratory worker with VACV. Shown are the  lesions on the fourth and fifth fingers on day 12 after accidential inoculation [15]. (B) A  fully developed ulcerated cowpox lesion on the forehead of a 15 year old patient [28]. (C)  A VARV infection on the upper arm of a 9‐month‐old unvaccinated child on the ninth day  of rash onset. The pustules have reached their maximum size and are becoming flattened  [4]. (D) A MPXV infection in a six‐year‐old girl on about the eighth day of rash [38].  Variola virus 

VARV  is  the  most  prominent  member  of  the  OPV  species  since  it  once  caused  the  highly  lethal  smallpox  disease  [4;39‐41].  This  disease  was  characterized  by  a  distinctive  pustular  rash  (Figure  1C)  [41].  Infection  occurred  by  close  face‐to‐face  contact, commonly between members of the same household [41]. 

In 1980 the World Health Organization declared the world free of smallpox [4]. This  eradication  was  achieved  through  a  worldwide  vaccination  campaign  [42‐44].  Smallpox  was  thus  the first  human  disease  that  was deliberately  eradicated  globally  [45].  The  global  eradication  of  smallpox  was  possible  due  to  two  essential  factors:  (1) cross‐reactivity and cross‐protection among members of OPV, and (2) the absence  of  a  natural  reservoir  of  VARV  outside  of  humans  [4].  Since  its  eradication,  the  only  legally held (declared) VARV stocks are stored at the Centers for Disease Control and  Prevention (CDC) in United States of America (USA) and at the State Research Center  for Virology and Biotechnology (VECTOR) in Russia [46]. Originally, these stocks have  been  retained  to  gain  possible  new  insights  into  the  biology  of  VARV  [47]. 

(14)

1. Introduction 

Nevertheless,  the  controversy  about  retention  or  destruction  of  these  stocks  began  shortly after the declaration of smallpox eradication in 1980 and continues to this day  [45;47‐49].  

Generally, there is a growing public concern of bioterrorist attacks with VARV [50‐ 56].  The  CDC  in  the  USA  included VARV  in a  list  of  critical  biologic  agents that have  potential for use in bioterrorism. This list includes different biologic agents, prioritized  into  three  categories  A,  B,  or  C.  Thereby,  VARV  was  classified  into  the  Category  A,  which includes biologic agents with the highest public risk in the case of a bioterrorist  attack [57].   Monkeypox virus  The first case of human monkeypox was found in the Democratic Republic of Congo  in 1970 in a 9‐month‐old boy [58], 9 months after the eradication of smallpox in this  country [59]. Clinically, human monkeypox closely resembles discrete, ordinary‐type  smallpox; lesions evolve in the same stage on any part of the body (Figure 1D) [4;5]. In  humans, clinical disease is believed to result from either respiratory, percutaneous, or  permucosal exposures [5]. Unvaccinated persons are more likely to become infected  than those who received the vaccine against smallpox [4]. Human monkeypox occurs  mostly  in  central  and  western  Africa  [60‐64].  However,  in  2003  a  monkeypox  outbreak occurred in the USA for the first time, marking the first documented human  infections  in  the  Western  Hemisphere  [65‐69].  These  cases  had  similar  clinical  features  to  previously  described  African  cases,  but  they  were  generally  less  severe  [59].  

1.1.2. Virion structure 

Electron  microscopic  investigations  suggest  that  OPV  virions  are  brick‐  or  barrel‐ shaped particles (Figure 2A and 2B) [70] with dimensions of about 360×270×250 nm  [3;71]. VACV is the prototype OPV and has been studied most extensively. There are  two  major  infectious  forms  of  VACV,  the  intracellular  mature  virus  (IMV)  and  the  extracellular enveloped virus (EEV)1 [73‐75]. Basically, these distinct forms of virions 

are surrounded by different numbers of lipid membranes which have various proteins  on  their  surface  (Figure  2C).  IMVs  are  surrounded  by  a  single  membrane,  are  more  abundant,  and  can  be  released  by  cell  lysis  [74;76].  EEVs  differ  from  IMVs  by  the  presence of an additional membrane that contains at least six proteins unique to the  EEV envelope, namely the proteins A33, A34,  A36, A56, B5, and F13 [75]. The outer  membrane of EEV is extremely fragile and is easily destroyed by the process of virus  purification  [77].  However,  after  rupture  of  the  outer  EEV  membrane  the  particle  presumably retains full infectivity as an IMV [78;79]. IMVs are thought to be important  for long‐term stability and transmission of the virus between hosts in the environment 

1 An alternative nomenclature designates the IMV as mature virions (MV) and EEV as extracellular virions (EV) 

(15)

1. Introduction 

[71].  In  contrast,  EEV  is  responsible  for  fast  cell‐to‐cell  spread  and  long‐range  dissemination [80;81]. 

The internal structure of IMV particles has been primarily gained through the use of  thin sections (see Figure 2B) [71]. IMVs generally contain two distinct boundaries, a  lipid  membrane  bilayer  that  surrounds  the  entire  particle  and  the  core  wall  surrounding an internal core (Figure 2C) [71]. The biconcave core contains the linear  genome  which  is  associated  with  viral  proteins  [2].  The  function  and  origin  of  the  lateral bodies is not exactly known but may be due to electron microscopy preparation  artifacts [2].            

   

Figure 2. Virion structure of OPV particles 

(A)  Negative  stain  electron  microscopic  appearance  of  VACV  (100,000×),  (B)  Ultrathin  sectioning of VARV (51,000×), (C) Schematic diagram of an OPV particle. (A and B – kindly  provided by Hans R. Gelderblom, RKI, Berlin; C – Swiss Institute of Bioinformatics [82])  1.1.3. OPV genome  OPVs have a linear double‐stranded DNA genome of about 200 kbp which encodes  approximately 200 genes (Figure 3). The genome size and its coding capacity depend  on the OPV species and strain (see Table 1) [71]. The genes are compactly organized  along the genome and do not contain introns [71;83]. The ends of the OPV genomes  contain inverted terminal repetitions (ITRs) which consist of identical but oppositely  oriented sequences at the two ends of the genome [83]. A comparison of 19 members 

(16)

1. Introduction 

of the Chordopoxvirinae subfamily (vertebrate poxviruses) showed that 90 genes are  completely conserved [84]. Generally, genes that are highly conserved and concerned  with  essential  replication  functions  are  located  in  the  central  region  of  the  OPV  genome.  Variable  genes  concerned  with  host  interactions  are  usually  located  in  the  end regions of the genome (Figure 3) [3].      Figure 3. A schematic representation of the OPV genome  The genome can be divided into a central region which mainly encodes conserved genes  that are essential for virus replication. The terminal regions are more variable and encode  proteins  that  are  non‐essential  for  virus  replication  in  cell  culture.  ITR  –  Inverted  Terminal Repetitions (adapted from [47]).  

The  first  complete  OPV  genome  sequence  published  was  that  of  the  VACV  strain  Copenhagen  (VACV‐Cop)  [83].  The  publication  of  this  sequence  resulted  in  establishing a convention for naming VACV genes or open reading frames (ORFs). This  convention consists of using the HindIII restriction endonuclease DNA fragment letter  A – P,  where  A  is  the  longest  and  P  is  the  shortest  fragment.  The  fragment  letter  is  followed  by  the  ORF  number  (from  left  to  right)  within  the  fragment,  and  L  or  R,  depending on the direction of the ORF (Figure 4) [3;71;84]. An exception was made for  the  HindIII  C  fragment,  where  the  ORFs  were  numbered  from  the  right  to  avoid  starting  at  the  highly  variable  left  end  of  the  genome  [3].  Thus,  over  the  years  the  VACV‐Cop nomenclature has become the most familiar one among poxvirologists [71],  and  gene  names  of  other  OPV  strains  are  provided  along  with  VACV‐Cop  genes  for  easier reference. 

(17)

1. Introduction      Figure 4. HindIII restriction map of a VACV­Cop genome with restriction fragments A to P  Genes are named according to their position relative to the left end of individual HindIII restriction fragments (A ‐ P) and to their transcriptional orientation.  Colored bars indicate ORFs and the number of viruses in which an ortholog is conserved. Dark blue bars indicate the 49 genes conserved in all 21 poxviruses  analyzed, and lighter blue bars indicate genes conserved in at least 19 of the 21 genomes. ORFs transcribed rightward are shown above the line, and ORFs  transcribed leftward are shown below the line. Only larger ORFs are labeled for easier reference (adapted from [84]).  

(18)

1. Introduction 

1.1.4. OPV proteome 

Consistent with the size of their genome, OPVs encode numerous viral proteins [3].  Considerable knowledge about OPV proteomics was gained through investigations of  the  protein  composition  of  VACV  IMVs  by  mass  spectrometry  analysis  [85‐87].  A  number of 63 ‐ 80 different proteins could be identified as IMV components using this  method  [85‐87].  The  convention  of  naming  OPV  polypeptides  is  similar  to  the  convention  of  naming  genes,  except  for  dropping  the  letter  indicating  the  ORF  directionality (L or R) [3;85].   A possible way to classify the IMV proteins identified according to their function is  shown in Figure 5 [85]. The most abundant protein group was found to consist of four  core proteins involved in IMV structure and morphogenesis, namely A3, A4, A10, and  F17 [85;87].     Transcription 20 (25%) Other  11 (14%) Host defense  3 (4%) Disulfide  3 (4%) Unknown  3 (4%) Fusion/Entry  membrane  6 (7%) Other membrane  10  (12%) Structural/  Morphogenesis  24 (30%)   Figure 5. Functional characterization of IMV proteins  IMV components can be divided into non‐membrane proteins involved in IMV structure  and morphogenesis (A3, A4, A10, A11, A12, A15, A30, D2, D3, D13, E8, E11, F10, F17, G1,  G7, H5, I1, I3, I6, I7, J1, L4, VACV‐WR148), proteins involved in transcription (A5, A7, A18,  A24, A29, D1, D6, D11, D12, E1, E4, G5.5, H1, H4, H6, I8, J3, J4, J6, L3), membrane proteins  (A9,  A13,  A14,  A17,  A26,  A27,  D8,  F9,  H3,  L1),  membrane  proteins  involved  in  fusion/entry  (A21,  A28,  G9,  H2,  J5,  L5),  components  of  the  disulfide  bond  formation  pathway  (A2.5,  E10,  G4),  host  defense  proteins  (C22,  E3,  N1),  proteins  with  other  functions (A42, A45, A50, B1, E9, F4, F8, F13, K4, M1, O2), and proteins with unknown  function (A6, A19, E6) (modified from [85]).  

Beside  these  IMV  proteins,  there  are  at  least  six  proteins  unique  to  the  EEV  envelope, namely the proteins A33, A34, A36, A56, B5, and F13 [75].  

   

(19)

1. Introduction 

1.

2. OPV vaccines  nd vaccine candidates 

a

 

Currently,  there  is  no  U.S.  Food  and  Drug  Administration‐approved  drug  for  the  prevention  or  treatment  of  poxvirus  infections  [88;89].  However,  ST‐246® 

(Tecovirimat), an oral therapeutic agent developed by SIGA Technologies was shown  to  prevent  disease  symptoms  in  animal  models  for  smallpox  [88].  Nevertheless,  the  best way to prevent a viral infection still remains a protective vaccination [90].  

Because of the exciting history of smallpox and its global eradication, the production  and  improvement  of  smallpox  vaccines  received  special  attention  [91‐95].  Today,  smallpox vaccines or vaccine candidates are grouped into four generations, depending  on their properties and the wealth of experience in applying them (Table 2) [95‐98]. In  contrast to other viral pathogens (e.g. Hepatitis B virus [99]), all efforts of producing  an inactivated virus‐based vaccine remained unsuccessful [100].  

Table 2. Smallpox vaccines and vaccine candidates 

Generation  Description  VACV strain  Advantage  Disadvantage 

1st  Conventional  vaccines,  produced in  animals  NYCBH; 

Lister/Elstree  Historical experience in smallpox eradication  Rare but severe adverse reactions 

2nd  Replication‐ competent,  ed  tissue‐cultur NYCBH,  Lister/Elstree  Historical experience;  improved  manufacturing process;  replication‐competent –  ce   easier to produ Rare but severe  adverse reactions  3rd  Replication‐ competent or   –deficient,  highly  attenuated  MVA, Lister,  Copenhagen  Clinically safe  (theoretically) and  immunogenic  Unproven efficacy  4th  Subunit vaccines  Protein‐/DNA‐ based  Safe (theoretically)  Unproven efficacy,  most efficient  antigen  position  nown  com unk NYCBH – New York City Board of Health; MVA – Modified Vaccinia virus Ankara  1.2.1. First generation vaccines 

The  production  of  first‐generation  smallpox  vaccines  involved  superficial  scarification of the abdomen skin of calves and sheep and subsequent inoculation of  seed  virus.  For  this  purpose,  the  seed  virus  was  rubbed  into  the  scarified  skin.  Generally, the VACV strain New York City Board of Health (NYCBH) was used as seed  virus  [98].  After  incubation,  the  skin  was  rinsed  and  the  pulp  was  scraped  from  the  skin with a curette to harvest the virus. The harvested virus was further processed to  remove  impurities  like  blood  and  animal  hair  and  to  reduce  the  amount  of  contaminating  bacteria.  VACV  strain  Lister‐based  vaccines  were  produced  on  chick  chorioallantoic membranes [98]. The resulting liquid vaccine was either directly used  for  immunization  or,  later  on,  freeze‐dried  (e.  g.  Dryvax  vaccine)  for  longer  storage  [4;93;94]. 

(20)

1. Introduction 

During  the  global  eradication  campaign,  the  bifurcated  needle  (Figure  6A)  was  universally  used  for  multiple‐puncture  vaccination  applied  to  the  upper  arm  of  the  vaccinee (Figure 6B) [91]. When VACV is inoculated into the superficial layers of the  skin, the virus grows and induces an immune response that protects against smallpox  [91].  The  reaction  that  follows  is  termed  “a  take”,  or  “primary  reaction”  from  first  vaccination (Figure  6C  and  6D),  and  a  “major  reaction”  from  additional  vaccinations  [91].              Figure 6. Conventional smallpox vaccination  (A) Bifurcated needle for smallpox vaccination shown both empty and containing vaccine  in the bifurcation. (B) Proper position for a multipuncture vaccination (3 – 15 insertions)  by a bifurcated needle. Progression of primary vaccination showing a typical lesion at (C)  and  day 5  (D) day 14 after vaccination (all adapted from [91]). 

After  smallpox  was  declared  eradicated,  the  routine  vaccination  was  discontinued  [4]. This discontinuation was due to the occurrence of some rare but severe adverse  reactions  (Figure  7)  [4;92;101].  Among  known  contraindications  to  conventional  smallpox vaccination are: (1) immunodeficiency (Figure 7A and 7B), (2) certain skin  disorders, especially true atopic dermatitis, (3) ocular disease, (4) immunosuppressive  therapy, (5) HIV infection and acquired immunodeficiency syndrome (AIDS), as well  as  (6)  pregnancy  [91].  Moreover,  certain  genetic  factors  have  been  proposed  to  be  associated with the development of adverse events [102;103]. Today, the number of  individuals with contraindications is estimated to be increasing [104].  

1.2.2. econd­generation  accines S v

The  historical  methods  of  smallpox  vaccine  production  could  not  meet  the  requirements  for  the  production  of  modern  human  vaccines  [90].  This  led  to  the  development of second‐generation vaccines. These vaccines utilize the same historical  vaccine strains Lister and NYCBH that are amplified in tissue culture in an improved 

(21)

1. Introduction 

manufacturing process [96;98]. After the development, licensing, and mass production  of  second‐generation  vaccine  stocks  (ACAM2000TM  [105;106])  remaining  stocks  of 

first‐generation  vaccines  were  destroyed  [107].  Despite  their  improved  quality,  second‐generation  vaccines  are  likewise  contraindicated  for  application  to  a  significant part of today’s population [104;108].          Figure 7. Examples of adverse events occurring after smallpox vaccination  (A) True generalized vaccinia, usually developing in individuals with abnormalities in T‐ cell function [109]. (B) Progressive vaccinia in a child with intact antibody synthesis but  pted from [92]).  lacking T cell function (both ada

Nowadays,  the  conventional  smallpox  vaccination  can  be  recommended  to  certain  individuals,  including  health  care  and  laboratory  workers,  military  personnel,  and  some  first  responders  as  one  aspect  of  bio‐preparedness  [92].  In  the  case  of  a  bioterrorist attack a resumption of the mass smallpox vaccination could be necessary.  Different scientific groups have theoretically addressed the consequences of such an  event,  including  the  frequency  of  expected  adverse  effects  [104;108;110;111].  A  statistical  analysis  of  historical  vaccination  data  extracted  from  literature  demonstrated  vaccine  virus  strain  differences  regarding  the  severity  of  expected  adverse effects. It was estimated that vaccination with the NYCBH strain would result  on  average in  1.4  deaths  per  million  vaccinations,  whereas  a  vaccination  with Lister  vaccine  would  lead  to  an  average  8.4  deaths  per  million  vaccinations  [108].  Thus,  conventional  smallpox  vaccines  have  a  higher  complication  rate  than  any  other  vaccine  currently  being  used  [104].  To  decrease  the  number  of  direct  and  indirect  adverse  events,  high‐risk  individuals  and  their  contacts  would  need  to  be  excluded  from  vaccination.  However,  this  would  also  mean  that  some  proportion  of  the  population would remain susceptible to smallpox [104].  

1.2.3. Third­ and fourth­generation vaccines 

Because  of  numerous  potential  contraindications  to  second‐generation  vaccines,  considerable  effort  has  been  made  to  develop  safer  third‐  and  fourth‐generation  vaccines [98;112]. The evaluation and licensing of these new vaccines is complicated  by the fact that smallpox no longer exists in nature [98]. Thus, the evaluation of the  efficacy of new vaccines and drugs against smallpox has to be carried out and assessed  in various animal models [113‐116].  

(22)

1. Introduction 

Third‐generation vaccines are based on live but attenuated VACV with established  safety  and  immunogenicity  records  from  clinical  testing  in  humans  (e.g.  strains  Modified Vaccinia virus Ankara [MVA] or LC16m8) [98;117‐119].  

The  fourth‐generation  smallpox  vaccines  include  subunit‐based  vaccines  [96].  Subunit  vaccines  are  defined  as  those  containing  one  or  more  pure  or  semipurified  antigens  [90].  Much  research  remains  to  be  done  to  explore  the  full  potential  of  subunit vaccines [120]. However, in addition to some drawbacks, these vaccines also  have  important  advantages.  The  drawbacks  include  difficulty  in  mimicking  the  conformation of antigen polymers found with many viruses [121], the fact that B‐cell  epitopes  recognized  by  neutralizing  antibodies  are  sometimes  discontinuous  sequences, and the susceptibility of peptides to proteolysis [120]. The advantages of  subunit  vaccines  include  the  fact  that  the  product  is  chemically  defined,  stable  and  safe, and contains only important B‐cell and T‐cell epitopes [120].  

1.3. Immune response to an OPV infection 

Smallpox  was  eradicated  before  the  onset  of  the  era  of  molecular  biology  and  the  current  advances  of  immunology.  Consequently,  the  mechanisms  of  protection  triggered  by  a  VARV  infection  could  not  be  exactly  dissected  [5].  Therefore,  most  knowledge  about  immunity  to  OPV  infections  was  obtained  from  observed  immune  response  patterns  generated  by  first‐  and  second‐generation  vaccines  (Figure  8)  [122].  

Early responses to virus infection include the production of interferon, nitric oxide,  and  elicitation  of  natural  killer  and  macrophage  cellular  functions  [5].  These  non‐ specific  innate  responses  activated  by  pattern  recognition  receptors  serve  to  inhibit  initial  viral  replication  and  to  activate  antigen‐presenting  cells  for  the  proper  activation  of  the  ensuing  adaptive  immunity  (Figure  8)  [122].  Innate  inflammatory  cytokines  and  chemokines  then  attract  effector  lymphocytes  into  infected  tissues  [122].  

1.3.1. Humoral immune response 

Smallpox vaccines induce strong humoral responses. B cells produce antibodies that  agglutinate,  opsonize,  and  neutralize  viral  particles,  fix  complement,  and  allow  for  antibody‐dependent cell cytotoxicity (ADCC) [122]. Antibody responses are detectable  by immunoassay techniques from around day 10 post immunization (p.im.), reaching  a  peak  at  around  one  month  p.im.  [123].  Multiple  studies  have  shown  that  antibody  responses are long lived [124;125] and antibodies are detectable up to 75 years p.im.  [126;127].  

(23)

1. Introduction   

 

Figure 8. Immune response pathways activated by conventional smallpox vaccines 

Immunization  with  a  conventional  smallpox  vaccine  elicits  a  cascading  network  of  integrated  immune  pathways.  The  combination  of  innate  and  adaptive  responses  halt  viral  replication,  lyse  infected  cells,  and  remove  viral  particles  from  the  host.  Virus‐ specific  lymphocyte  numbers  then  contract  to  a  small,  long‐lived  memory  population  capable  of  rapidly  responding  to  subsequent  OPV  infection.  See  main  text  for  more  details.  Abs  –  Antibodies,  ADCC  –  Antibody‐dependent  cell  cytotoxicity,  TLR  –  Toll‐like  receptor,  RLH  –  RIG‐like  helicase,  HLA  –  Human  Leukocyte  Antigen,  CTL  –  Cytotoxic  T  lymphocyte, NK cell – Natural killer cell, Th cell – Helper T cell (adapted from [122]). 

1.3.2. Cellular immune response 

Smallpox vaccines induce strong CD4+ and CD8+ T cell responses that peak at two to 

four weeks p.im. and then contract to form a stable memory population of T cells that  remain  detectable  for  several  decades  after  vaccination  [123;125;128].  Activated  T  helper  (Th)  cells  supply  necessary  cytokines  (IL‐4,  IL‐5)  and  costimulatory  signals  (CD40L) for the B cell maturation, replication, and isotype switching [122]. T cell help  (IL‐2, IFNγ) also promotes cytotoxic T lymphocyte (CTL) activation, clonal expansion, 

(24)

1. Introduction 

and  effector  function  [122].  VACV‐specific  Th  cells  can  have  direct  lytic  activity,  and  their secreted cytokines (IFNγ, TNFα) can have direct antiviral activity [122].  

A recent study suggests that every antibody response needs to be accompanied by a  matched CD4+ T cell response to the same protein [129]. This indicates that cognate 

Th  cell–B  cell  interactions  may  be  required  to  generate  robust  anti‐VACV  antibody  responses  [122].  It  is  assumed  today  that  T  cell  immunity  is  most  important  during  primary  acute  viral  infections  for  directly  controlling  viral  replication  as  well  as  for  helping  to  establish  the  humoral  immune  response  [130].  Protection  against  re‐ infection  is  primarily  antibody‐mediated  for  OPV  infections,  and  T  cells  play  a  secondary role in vaccine‐induced protective immunity [123;130;131]. 

1.4. Immunogenic OPV proteins 

The foundation for the development of subunit vaccines is the understanding of the  viral  pathogenesis  and  the  proteins,  glycoproteins,  or  carbohydrates  involved  in  inducing protective immunity [90]. Thus, it is crucial to identify these individual viral  components [90]. Consistent with their size and the large number of proteins, humoral  and cellular responses elicited by an OPV infection target a large number of antigens  and  epitopes  [100;132].  The  most  comprehensive  studies  for  the  identification  of  VACV‐specific  antigens  and  epitopes  can  be  achieved  through  genome‐  and/or  proteome‐based  approaches.  For  verification  of  results  obtained,  the  potential  immunogenicity  of  individual  proteins  or  protein  classes  can  be  confirmed  in  small‐ scale projects using molecular techniques [133].  

1.

5. Detection o  OPVs 

f

The  availability  of  sensitive  and  rapid  detection  methods  is  a  prerequisite  for  bioterrorism  preparedness  and  control  [134].  Thus,  the  development  of  rapid  and  sensitive detection methods remains an essential part of pathogen research. OPVs can  be reliably detected by various methods including real‐time polymerase chain reaction  (PCR)  [135‐137]  and  electron  microscopy  [138].  While  these  methods  are  reliable,  they require a high technical expenditure and generally cannot be used in the field for  the rapid detection of biothreat agents [139]. Thus, there is a critical need to develop  more rapid, accurate methods for the detection and identification of biothreat agents  including OPVs [139].  

1.5.1. BiGRUDI network 

Following  the  bioterrorist  attacks  in  October  2001  in  the  USA  with  Bacillus  anthracis‐contaminated  mail  [140],  the  public  awareness  of  the  bioterrorism  threat  increased  [141].  As  a  result,  the  bioterrorist  potential  of  different  infectious  agents  was evaluated and classified by the CDC into different categories according to the risks  associated [57]. Soon after, European public health institutes also started to evaluate 

(25)

1. Introduction 

tection molecule development 

To advance the prophylaxis of OPV infections and to improve diagnostic approaches  for OPV detection, screening of bacteriophage‐based libraries was utilized to identify  subunit  vaccine‐suitable  antigens  and  novel  detection  molecules.  Thereby,  two  different types of libraries were used: (1) genomic λ‐based expression libraries (ELs)  containing  a  complete  OPV  genome  (see 

their preparedness for potential bioterrorist attacks, discovering the demand for the  development of bio‐ reparedness programs [142;143].  p

Consequently,  in  2008  Robert  Koch  Institute  (RKI),  the  German  central  federal  institution responsible for disease control and prevention, initiated a network project  named  “Biologische  Gefahrenlagen:  Risikobewertung,  ultraschnelle  Detektion  und  Identifizierung von bioterroristisch relevanten Agenzien (BiGRUDI)”. The main goal of  this project is the development of an easy‐to‐use, mobile diagnostic platform for the  rapid on‐site detection of bioterrorist agents. This diagnostic platform should ideally  enable multiplex detection of viruses, bacteria, and toxins and thus allow for a rapid  response  to  bioterrorist  attacks.  Beside  well‐established  detection  molecules  like  antibodies,  the  project  aims  at  researching  and  developing  innovative,  synthetic  molecules for the detection of pathogens such as poxviruses.  

1.5.2. Non­antibody­based detection of pathogens 

The  development  of  diagnostic  platforms  for  rapid  on‐site  detection  requires  the  availability  of  highly  specific,  chemically  stable  detection  molecules.  Antibodies  still  remain  the  most  versatile  and  widely  used  protein‐binding  agents  [144].  A  good  antibody can bind its target protein with an equilibrium dissociation constant (KD) of 

10‐9  M,  which  can  further  be  optimized  to  pico‐  or  even  femtomolar  range  [144]. 

Antibodies  can  further  have  extremely  high  specificities,  recognizing  only  the  target  protein in a crude cellular extract containing different other proteins [144]. Despite all  these  advantages,  antibodies  have  considerable  limitations  including  tedious  and  expensive  production,  limited  shelf‐life,  and  the  requirement  for  animal  use  [144].  Thus,  there  is  an  increasing  interest  in  employing  alternative  recognition  species  to  detect pathogens [134].  

Aptamers are specific binders for targets selected from huge libraries of molecules  containing  randomly  created  sequences  [134].  Aptamers  can  be  divided  into  those  created from polymers of nucleic acids (DNA or RNA aptamers) [145‐151] or amino  acids  (peptide  aptamers)  [134;144;152].  For  the  selection  of  peptide  aptamers,  a  variety  of  methods  of  directed  evolution  have  been  developed  [134].  One  of  these  methods is phage display.  

1.6. Library screenings for the advancement of OPV vaccine and 

de

1.6.1),  and  (2)  random  peptide  libraries  displayed  on  filamentous  phage  (see  1.6.2).  For  the  construction  of  λ‐based  ELs,  fragments  of  the  viral  genome  are  cloned  into  an  expression  vector.  The  resulting 

(26)

1. Introduction 

genomic λ‐based EL can be screened with various antisera to identify target proteins  of  the  naturally  produced  OPV  binders,  the  antibodies.  The  knowledge  about  the  identified antigenic OPV proteins is most important for vaccine development but can  also  be  used  for  the  development  of  diagnostic  assays.  To  improve  these  diagnostic  tools in terms of availability, a second type of library, a combinatorial peptide library  displayed on filamentous phage was utilized. Screening against replication competent  virus  particles  can  lead  to  the  identification  of  short  synthetic  OPV  binders  called  peptide  aptamers  that  can  be  implemented  on  various  detection  platforms  either  alone or in combination with antibodies.  

1.6.1. Bacteriophage λ­based expression libraries (ELs) 

A  genomic  expression  library  (EL)  is  a  collection  of  genomic  DNA  fragments  that  together  ideally  represent  the  entire  genome  of  the  host  organism.  These  fragments  are  contained  within  a  self‐replicating  expression  vector  that  enables  them  to  be  maintained  and  propagated  within  the  cells  of  microorganisms,  such  as  Escherichia  coli (E. coli) [153]. Additionally, promoters present in the expression vector allow the  inserted  DNA  fragments  to  be  translated  into  the  encoded  protein.  The  libraries  obtained  can  be  used  for  serological  screenings  to  identify  targets  of  the  humoral  immune  response.  Prior  to  construction  of  a  genomic  EL,  an  appropriate  cloning  vector has to be chosen.  

Bacteriophage λ as a cloning vector 

Bacteriophages (also called phages) are viruses that infect bacteria. Bacteriophage λ  is  one  of  the  most  popular  virus‐based  cloning  vectors  used  in  the  construction  of  libraries due to its high infectivity, clone‐style propagation, and specific features of the  genome  organization  [153].  The  genome  of  wild‐type  bacteriophage  λ  is  a  double‐ stranded DNA molecule of 48,502 base pairs (bp) in length [154]. The DNA is carried  in  phage  particles  as  a linear  double‐stranded  molecule  [154].  The  genes  of λ-phage  are  organized  into  functionally  related  clusters.  The  left‐hand  region  includes  genes  whose  products  are  used  to  package  viral  DNA  into  bacteriophage  heads  and  to  assemble  infectious  virions  from  filled  heads  and  preformed  tails.  The  right‐hand  region  contains  essential  genes  used  in  replication  of  phages  and  lysis  of  infected  bacteria. The central third of the genome is not essential for lytic growth and can be  replaced by segments of foreign DNA [154].  

Many  λ-phage‐based  vectors  that  differ  in  their  own  special  features  have  been  constructed. There is no universal λ vector and the choice of a vector depends on the  experimental  conditions  [154;155].  Some  considerations  influencing  this  choice  include:  (1)  the  restriction  enzyme  to  be  utilized,  (2)  the  size  of  the  foreign  DNA  fragment to be inserted, (3) whether the vector is to be used to express cloned DNA  sequences in E. coli, and (4) whether the foreign DNA is to be rescued from the phage  vector in the form of a plasmid [154]. 

(27)

1. Introduction  Construction of viral genomic ELs 

The construction of viral genomic bacteriophage λ‐based ELs is a complex process  consisting of different methodical steps. Simplified, this process can be subdivided into  multiple  steps  shown  in  Figure  9.  To  obtain  genomic  viral  DNA,  viruses  have  to  be  propagated  in  cell  culture  (1).  After  propagation,  the  virus  particles  have  to  be  separated  from  the  remaining  cell  debris  prior  to  viral  DNA  purification  (2).  The  purified  viral  genomic  DNA  has  then  to  be  fractionated  to  provide  fragments  of  suitable  size  [156].  For  this  purpose,  the  DNA  usually  is  partially  digested  with  a  frequently cutting restriction enzyme (3). After digestion, the DNA size range required  can  be  selected  and  cloned  into  the  phage‐based  expression  vector  (4).  The  ligated  DNA can then be packaged in vitro which results in a primary EL (5). This primary EL  is  amplified  by  infecting  the  bacterial  host  (6).  The  amplified  EL  can  be  stored  in  aliquots and used for screening experiments [154].  

 

 

Figure 9. Construction procedure of viral, genomic λ-phage­based ELs 

Host cells are cultured and infected with the virus strain needed. After virus propagation  (1)  and  purification  of  viral  particles  from  the  host  cells,  the  genomic,  viral  DNA  is  extracted (2). This DNA is then partially digested (3) with a frequently cutting restriction  enzyme  and  the  appropriate  DNA  fragment  range  selected  on  an  agarose  gel.  The  DNA  fragments  selected  are  ligated  (4)  to  the  λ-vector  arms  and  packaged  in  vitro  (5)  using  phage protein extract, yielding the unamplified primary EL. The primary EL is amplified  (6) by infecting E. coli cells to result in the ready‐to‐use viral EL.  

Screening of viral genomic ELs 

Once  constructed,  genomic  ELs  can  be  used  for  serological  screenings  to  identify  targets  of  adaptive  immunity  to  pathogens  (Figure  10).  Simplified,  the  screening 

(28)

1. Introduction 

procedure starts with an infection of E. coli cells with EL‐derived phages (1). Infected  bacteria are then plated onto an agar plate (2) and incubated until plaques appear (3).  The  agar  plates  are  overlaid  with  nitrocellulose  membranes  for  a  transfer  of  recombinant proteins (4). The recombinants that express a desired gene can be picked  up  by  their  selective  reaction  with  the  specific  antibodies  (5).  The  immunoreactive  plaques are then selected (6) and the fragment of OPV DNA contained can be identified  through DNA sequencing and alignment to a reference OPV genome.       Figure 10. Serological screening procedure for a λ-phage­based EL  For serological screening of phage‐based EL,  E. coli cells are infected (1) and plated (2)  onto  agar  plates.  After  appearance  of  plaques  (3),  the  agar  plates  are  overlaid  with  nitrocellulose filters for transfer of recombinant proteins (4). The filters are subsequently  incubated with anti‐virus serum (5). Stained filters are aligned with the master agar plate  to identify immunoreactive plaques (6) which are then selected and characterized.  

1.6.2. Phage display of random peptide libraries 

Phage display methodology was first introduced by Smith in 1985 [157] and since  then  has  undergone  a  rapid  application  expansion.  Phage  display  is  a  molecular  methodology  by  which  foreign  proteins  or  peptides  are  expressed  at  the  surface  of  phage  particles  [158].  Most  phage  display  work  has  used  filamentous  phage  strains  M13, fd, and f1 as vectors [159]. The E. coli‐specific bacteriophage M13 is about 1 µm  long and only 5–7 nm in diameter (Figure 11) [160]. The particle consists of a single‐ stranded  DNA  core  surrounded  by  a  proteinaceous  coat.  The  coat  contains  five  different  proteins,  but  the  vast  majority  consists  of  several  thousand  copies  of  the  major coat protein VIII (pVIII) which covers the length of the particle [161]. The four 

(29)

1. Introduction  minor coat proteins are present at about five copies per particle; pVII and pIX cap the  one end of the particle while pIII and pVI are at the opposite end of the particle [161].       Figure 11. Schematic representation of the M13 phage particle  M13 bacteriophages are widely used for phage display. The pIII coat protein can be used  as  a  fusion  partner  for  a  limited  number  (maximum  of  five)  of  protein  copies,  while  numerous  numbers  of  protein  copies  can  be  expressed  at  the  phage  surface  if  pVIII  is  used as a fusion partner. The approximate number of copies of each M13 coat protein is  indicated in parenthesis.  

There  are  numerous  applications  of  the  phage  display  methodology  [162].  One  important  application  is  the  construction  and  screening  of  combinatorial  peptide  libraries [162]. These libraries are constructed by cloning synthetic oligonucleotides,  fixed  in  length  but  with  randomized  codons,  as  fusions  to  genes  III  or  VIII  of  M13  where  they  are  multiply  expressed  as  peptide–capsid  fusion  proteins  (Figure  12)  [162].  

 

 

Figure 12. Random peptide phage display libraries 

Using  phage  display  methodology,  a  library  of  variant  nucleotide  sequences  can  be  converted into a library of variant peptides. In such a library every phage clone displays  its  own  individual  amino  acid  sequence.  Because  of  this  amino  acid  variability,  random  peptide libraries can be screened against a plethora of targets to isolate phages displaying  peptides with properties required (modified from [158]).  

The  resulting  libraries,  often  referred  to  as  random  peptide  libraries,  contain  a  relatively large variety of amino acid sequences (107 – 109) [163] and can be tested for 

binding to target molecules of interest. This is most often done using a form of affinity  selection  known  as  “biopanning”  [162].  A  plethora  of  targets  has  been  applied  in  biopanning experiments performed in vitro and in vivo [160;163‐165]. Possible targets  include  but  are  not  limited  to  antibodies  [166],  enzymes  [167],  receptors,  virus 

(30)

1. Introduction 

particles  [168;169],  and  even  whole  cells  [159;160;170;171].  Biopanning  in  its  simplest form consists of multiple steps illustrated in Figure 13.  

 

 

Figure 13. General biopanning procedure 

In  its  simplest  form  biopanning  is  carried  out  by  immobilizing  the  target  molecule  of  interest by passive adsorption to a microtiter plate. Unbound target is washed off and the  remaining  sites  in  the  well  are  blocked  with  unspecific  proteins.  The  random  peptide  phage  display  library  is  added  to  the  target‐coated  well  to  allow  phage  binding.  The  unbound  phages  are  repeatedly  washed  away.  Target‐bound  phages  are  eluted  and  titered.  Subsequently,  the  eluted  phages  are  amplified,  titered  again,  and  applied  to  the  next selection round. Individual phage clones from the unamplified eluates are analyzed  after every selection round by DNA sequencing.  

Here,  the  target  is  immobilized  onto  a  surface  (surface  panning  procedure)  and  subsequently  incubated  with  the  phage  display  library.  The  unbound  phages  are  washed away, whereas the bound phage clones are eluted. The specific elution can be  carried  out  in  a  solution  containing  either  free  target  or  a  competing  ligand.  Due  to  stability of filamentous phages, extremes of pH, denaturants, or ionic strength can be  used for non‐specific elution of bound phages. The phage eluates are titered on agar  plates. A part of the resulting phage plaques from these plates are randomly selected  and analyzed by DNA sequencing. The eluted, titered phages are still infectious and are  amplified by infecting bacterial host cells. The resulting “amplified” eluate can serve as  input to another round of affinity selection. The biopanning process is repeated three  to  six  times,  depending  on  the  complexity  of  the  target.  After  every  selection  round, 

(31)

1. Introduction 

binding phage clones are randomly selected, propagated, and analyzed individually by  DNA sequencing to identify the target‐binding peptide sequence [159;17 ]. 2

A  successful  biopanning  experiment  results  in  the  identification  of  consensus  peptide sequences or  amino  acid motives.  The  binding  phage clones  selected can  be  tested  for  their  binding  specificity  to  the  target  used  during  selection.  However,  for  more  detailed  binding  studies,  the  sequences  selected  can  be  synthesized  as  free,  soluble  peptides.  Without  the  phage  attached  the  peptide  can  be  used  at  a  defined  concentration. Moreover, the peptide can be modified during synthesis and can thus  be  analyzed  using  various  assays.  Phage‐borne  synthetic  peptides  could  be  used  as  probes  for  the  detection  of  biological  threat  agents  [152],  either  alone  or  in  combination with antibodies.  

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

Our new results on chips with the shorter deposition sequence used by Affymetrix, however, showed that the restriction in number of candidates per probe during place- ment of the

Many topological descriptors like the distance matrix, the resistance-distance matrix, the corresponding distance-related and resistance-distance-related descriptors (Wiener

From the ADC values measured with MRI and the true diffusion constant (D t ) the correction value ( ␣ ) was determined for each of the six principle gradient directions (as given

Thus, in this thesis the focus regarding ILs in the process of peptide synthesis was laid on two distinct reaction types: first, native chemical ligation (NCL) for the

Recognizing that the types of information publicly available on data across the value chain of health products, including prices effectively paid by different

PP5 Recognizing that the types of information publicly available on data across the value chain of health products, including prices effectively paid by different

7 While this reduces our performance in terms of correctness (we crop away areas with nearly 100 % correctness), it has no impact on the edit overhead, as the number of changes in

Figure 13c shows the biases estimation process applying the Absolute Gravity Update and the Differential Magnetic Field Update continuously, because the measurements have been