組換えタンパク質の高レベルの一過性発現のための植物の効率的なアグロ
Summary
植物は現在の式のパラダイムより、スケーラブルでコスト効率の高い、安全である商業規模で医薬品タンパク質の生産のための新たなシステムを提供しています。本研究では、我々を含む、標的遺伝子を導入するための簡単で便利な、まだスケーラブルなアプローチを報告<em>アグロバクテリウム·ツメファシエンス</em>タンパク質一過性発現のための植物へ。
Abstract
哺乳動物細胞培養は、ヒト用ワクチンと治療用タンパク質の商業生産のための主要なプラットフォームです。しかし、その限られたスケーラビリティと高コストのために医薬の増加世界的な需要を満たすことができない。植物は、低コストで安全な、スケーラブル、堅牢で最も有望な代替医薬品製造プラットフォームの1つであることが示されている。ウイルスベースのベクターの最近の開発は、植物における組換えタンパク質の迅速かつ高レベルの一過性発現を可能にした。さらに一過性発現システムの有用性を最適化するために、我々はこの研究では、植物組織に標的遺伝子を含有するアグロバクテリウムを導入するための、単純で効率的でスケーラブルな方法を示す。 GFPとDsRedの、両方シリンジ、真空方法は葉と2つの蛍光タンパク質の強固な生産にアグロバクテリウムの効率的な導入につながったとの我々の結果は、アグロを示している。さらに、我々は両方の方法によって提供されるユニークな利点を示しています。シリンジ浸潤は簡単で、高価な機器を必要としません。また、柔軟性がいずれかの標的遺伝子で全体の休暇に潜入するために、または1つの葉に複数のターゲットの遺伝子を導入することができます。このように、組換えタンパク質の実験室規模の発現のために、並びに収率又は発現動態のために異なるタンパク質またはベクターを比較するために使用することができる。シリンジ浸潤のシンプルさは、またバイオテクノロジーの主題のための高校や大学教育におけるその有用性を示唆している。対照的に、真空浸潤がより堅牢であり、医薬タンパク質の商業的製造のためにスケールアップすることができる。また、レタスやシロイヌナズナなどのシリンジ浸潤従順でない植物種をagroinfiltrateすることができるという利点があります。全体的には、注射器、真空アグロの組み合わせは、シンプルで効率的、かつ堅牢な研究者や教育者を提供しています一過性タンパク質発現のための方法。それが大幅に医薬品タンパク質の開発を促進し、科学教育を推進していきます。
Introduction
1970年代から、植物は、組換えタンパク質およびタンパク質治療1の商業的生産のために、哺乳動物、昆虫、および細菌細胞培養物の代替として検討されている。バイオ医薬品の発現のための植物ベースのシステムでは、ゴーシェ病2、鳥H5N1インフルエンザ3のように、病気のためのいくつかの新規治療法として近年の約束を示している臨床試験の成功を示している。それらの最初の実験以来、数十年の植物での組換えタンパク質の発現のために有能なメカニズムの開発には、3つの主な理由のためにタンパク質生産の現在のパラダイムを変更する植物ベースのシステムの可能性を作成しました。まず、哺乳類、昆虫、そして細菌のバイオリアクターは、かなりのスタートアップコスト、高価な増殖培地、下流浄化4のための複雑なプロセスを必要とし、コストの顕著な低下を起こすことがあります。安定したトランスジェニック植物の作成ラインはまた、タンパク質を発現する植物が成長し、農業の規模5で収穫することができるように、彼らが他の発現システムのスケーラビリティを上回ることができます。第二に、植物に基づく発現系は、著しく公共の安全6の優位性を実証し、ヒトへのタンパク質を発現する宿主からヒトまたは動物の病原体を送信する危険性を低減する。最後に、植物は、グリコシル化およびマルチサブユニットタンパク質のアセンブリ7を含むタンパク質の適切な翻訳後修飾を可能にする、哺乳動物細胞に類似している真核細胞内膜システムを利用する。この能力が先に細菌などの原核生物系、に基づいて、それらの植物ベースのシステムを置き、モノクローナル抗体（mAb）を含む医薬品の組換えタンパク質の広い数が、より複雑な構造を持ち、広範な翻訳後修飾またはアセンブリ8が必要です。
二つの主要な適切があります植物において組換えタンパク質を発現する痛み。まず、標的タンパク質をコードするDNAを発現カセットにクローニングし、核または葉緑体ゲノムのいずれかに導入されて安定してトランスジェニック系統の開発である。そうすることで、外来DNAは、後続世代を遺伝になり、はるかに他の発現系1のそれを超えて、途方もなく改善されたスケーラビリティを可能にします。核ゲノムへの外来DNAの導入は通常、組織9の微粒子銃によって、よりしばしば、植物組織のアグロバクテリウム·ツメファシエンスの感染によって達成されるか。植物ホルモンは、その後、根や葉などのトランスジェニック植物組織の分化と増殖を誘導するために使用される。葉緑体ゲノムの形質転換は、A.では達成できないツメファシエンスが、DNAでコーティングされた金またはタングステン粒子に完全に依存しては、植物細胞に弾道発射。再結合を表現する第二の方法植物中のntタンパク質は、一過性発現10を介してである。このシナリオでは、目的の遺伝子を保持するウイルス由来のベクターは、A.を介して配信されていアグロと呼ばれるプロセスを経て完全に開発された植物にツメファシエンス 。代わりに、植物ゲノムに統合することで、送達、遺伝子構築物は、短い潜伏期間の後に採取し、単離することができる所望のタンパク質の一時的な生産を指示し始める。植物はアグロ11後約1〜2週間を収穫できるようになりますように一過性の遺伝子発現は、より大きな全体のタンパク質の蓄積だけでなく、タンパク質生産の改善、時間の利点を提供しています。これは、生成、選択、年に数ヶ月かかることが安定したトランスジェニック植物系統の確認、のプロセスよりもかなり高速です。それは遺伝的に安定植物リチウムが得られないのでしかし、これは、また、一過性発現系の制限です大規模な商業生産のための種子バンクを生成するために使用することができる別項。これにもかかわらず、アプローチは、大規模な一過性の発現を改善するために開発されてきた。ここでは、A.によって配信解体ウイルスベクターを用いた一過性タンパク質発現ベンサミアナタバコ植物の発生する1つの方法を示すツメファシエンス 。
二つの主要な方法がAの送達のために開発されている植物組織へのツメファシエンス ：真空チャンバを介して注射器や大規模溶浸を介してベンチスケールの浸潤。両方のプロトコルは、Nを使用してここで説明されている密接に共通のタバコ植物に関連しているベンサミ、、2つの蛍光タンパク質の一過性発現のための宿主植物として：クラゲオワンクラゲとDiscosomaサンゴ（DsRedを）12,13から赤色蛍光タンパク質から緑色蛍光タンパク質（GFP）。 N. benthamianaのはのための最も一般的な宿主植物であるそれは遺伝的形質転換に従順であるため、組換えタンパク質は、急速にバイオマスを大量に産出し、スケールアップ生産14多作シードプロデューサーであることができます。 N.を使用することの別の利点タンパク質発現のための宿主としては、ベンサミ発現ベクター2,5の様々な可用性である。本研究では、2解体ウイルスベクター、タバコモザイクウイルス（TMV）RNAレプリコンシステム（MagnICONベクトル）とBean黄色萎縮ウイルス（BeYDV）DNAレプリコン系（geminiviralベクトル）4,11由来その他、に基づくもの15-18は 、GFPとDsRedの遺伝子を運ぶとNにそれらを提供するために使用されA.経由benthamianaの細胞ツメファシエンス。スリーDNA構築物は、GFPまたはMagnICONベクトルとDsRedの発現のために使用されます。彼らは、5 'プロモーターおよび標的遺伝子の発現を駆動するための他の遺伝要素を含むモジュール（pICH15879）、3'関心のある遺伝子（PICHを含むモジュールを含む-GFPまたはPICH-DsRedを）、およびインテグモジュール（pICH14011）は、式8,15次第5 'および3'モジュールを一緒に統合する酵素をコードする。三DNA構築物はまた、geminiviralベクターで発現のために必要とされる。標的遺伝子（pBYGFP又はpBYDsRed）のレプリコンを含むベクターに加えて、複製タンパク質（pREP110）をコードするベクターは、標的レプリコン11,14,16の増幅に必要とされる。また、トマト毛スタントウイルス由来のサイレンシング抑制P19をコードするベクターの包含は、高レベルの標的遺伝子発現11,16が望まれる。
植物の成長、A.含むアグロによる植物細胞への組換えタンパク質の遺伝子を導入するための3つの手順は、一般にありツメファシエンス文化の準備、および浸潤。すべてのステップでは、それぞれの詳細な説明が提供され、したがって、この手順の最終的な成功のために重要であるように、シリンジ浸潤と下減圧浸潤の両方に。
Protocol
Representative Results
Discussion
タンパク質ベースの医薬品の需要の増加は、世界的な堅牢でスケーラブルな、低コストかつ安全で新しい生産プラットフォームが必要です。植物は、医薬用タンパク質生産のための最も有望な代替的な生産システムのいずれかであることが示されている。近年では、解体ウイルスに基づくベクターの開発が大きく速度および植物発現系2,10の収率を高める植物におけるタンパク質の一?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは、R.太陽と植物材料の生成への貢献のために陳氏の研究室の他の学生に感謝します。また、技術革新（CTI）の大学の学部の研究の彼のサポートのために博士D.グリーンに感謝します。この研究は、Q.陳にNIH助成U01 AI075549と1R21AI101329、およびQ.陳にアリゾナ州立大学のCTIからSSE助成金によって部分的にサポートされていました。 K. Leuzinger、M.デント、J.ウルタドとJ. Stahnkeは、SSEの助成金によって支え学部学生です。
Materials
| Reagents | |||
| GFP | Invitrogen | V353-20 | www.invitrogen.com See reference: Lico and Chen, et al 2008 |
| DsRed | Clontech | 632152 | www.clontech.com See reference: Baird and Zacharias, et al 2000 |
| MagnICON Vector | Icon Genetics | n/a | www.icongenetics.com See reference: giritch and Marillonnet, et al 2006 |
| Geminiviral Vector | Author’s Lab | n/a | See reference: Chen and He, et al 2011 |
| N. benthamiana | Author’s Lab | n/a | herbalistics.com.au |
| Agrobacterium tumefaciens strain gv3101 | Author’s Lab | n/a | See reference: Lai and Chen 2012 |
| LB Agar Carbenicillin-100, plates | Sigma | L0418 | www.sigmaaldrich.com |
| LB Agar Kanamycin-50, plates | Sigma | L0543 | www.sigmaaldrich.com |
| Magnesium sulfate hepa hydrate | Sigma | M2773-500 g | www.sigmaaldrich.com |
| Bacto-Tryptone | Fisher | 73049-73-7 | www.fishersci.com |
| Bacto Yeast Extract | Becton, Dickinson & CO. | REF 212750 | www.bd.com |
| Difco Nutrient Broth | Becton, Dickinson & CO. | REF 234000 | www.bd.com |
| MES hydrate Buffer | Sigma | M8250-1kg | www.sigmaaldrich.com |
| Carbenicillin | Sigma | C1613-1ML | www.sigmaaldrich.com |
| Kanamycin | Sigma | 70560-51-9 | www.sigmaaldrich.com |
| Sodium Hydroxide | Sigma | 221465 | www.sigmaaldrich.com |
| Jack’s Fertilizer | Hummert International | Jul-25 | www.hummert.com |
| Equipment | |||
| Vacuubrand MD4 Vacuum Pump | Fisher | 13-878-113 | www.fishersci.com |
| Vacuum Air Regulator Valve | Fisher | NC9386590 | www.fishersci.com |
| Desiccator 12 1/8″ with O ring | Fisher | 08-594-15C | www.fishersci.com |
| 3 L Tub | Rubber-Maid | n/a | Rubbermaid Servn’ Saver Bowl, 10-cup will work |
| plate/shelf 230ML | Fisher | NC9489269 | www.fishersci.com |
| Peat Pellet | Hummert International | 14-2370-1 | www.hummert.com |
| Propagation Tray Dome | hydrofarm | 132052 | www.hydroponics.net |
| Propagaiton Tray | hydrofarm | 138758 | www.hydroponics.net |
| Virbo Hand Seeder | Gro-Mor INC | n/a | www.gro-morent.com |
| Flora Cart 4 shelf | Hummert International | 65-6924-1 | www.hummert.com |
| 15 ml Round Bottom Culture Tubes | Sigma | CLS430172-500EA | http://www.sigmaaldrich.com |
| Spectrophotometer | Bio-Rad | 170-2525 | www.bio-rad.com |
| Spectrophotometer Cuvettes | Bio-Rad | 223-9950 | www.bio-rad.com |
| Microcentrifuge Tubes | USA Scientific | 1415-2500 | www.usascientific.com |
| Benchtop Centrifuge | Bio-Rad | 166-0602EDU | www.bio-rad.com |
| Incubator/Shaker | Eppendorf | Excella E25 | www.eppendorf.com |
| Ultraviolet Light Model#: UVGL-25 | UVP | 95-0021-12 | www.uvp.com |
References
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