Summary

En High Yield og kostnadseffektive Expression System of Human Granzymes i pattedyrceller

Published: June 10, 2015
doi:

Summary

We describe here a cost-efficient granzyme expression system using HEK293T cells that produces high yields of pure, fully glycosylated and enzymatically active protease.

Abstract

When cytotoxic T lymphocytes (CTL) or natural killer (NK) cells recognize tumor cells or cells infected with intracellular pathogens, they release their cytotoxic granule content to eliminate the target cells and the intracellular pathogen. Death of the host cells and intracellular pathogens is triggered by the granule serine proteases, granzymes (Gzms), delivered into the host cell cytosol by the pore forming protein perforin (PFN) and into bacterial pathogens by the prokaryotic membrane disrupting protein granulysin (GNLY). To investigate the molecular mechanisms of target cell death mediated by the Gzms in experimental in-vitro settings, protein expression and purification systems that produce high amounts of active enzymes are necessary. Mammalian secreted protein expression systems imply the potential to produce correctly folded, fully functional protein that bears posttranslational modification, such as glycosylation. Therefore, we used a cost-efficient calcium precipitation method for transient transfection of HEK293T cells with human Gzms cloned into the expression plasmid pHLsec. Gzm purification from the culture supernatant was achieved by immobilized nickel affinity chromatography using the C-terminal polyhistidine tag provided by the vector. The insertion of an enterokinase site at the N-terminus of the protein allowed the generation of active protease that was finally purified by cation exchange chromatography. The system was tested by producing high levels of cytotoxic human Gzm A, B and M and should be capable to produce virtually every enzyme in the human body in high yields.

Introduction

De Gzms er en familie av høyt homologe serinproteaser lokalisert i spesialiserte lysosomene til CTL og NK-celler 1. De cytotoksiske granulater av disse killer celler inneholder også membranforstyrrende proteiner pFN og GNLY som er utgitt samtidig med Gzms på anerkjennelse av et mål celle bestemt for eliminering 2,3. Det er fem Gzms hos mennesker (GzmA, B, H, K og M), og 10 Gzms i mus (GzmA – G, K, M og N). GzmA og GzmB er den mest tallrike og omfattende studert hos mennesker og mus 1. Imidlertid har nyere studier begynt å undersøke celledødsveier samt flere biologiske effekter mediert av de andre, såkalte foreldreløse Gzms i helse og sykdom fire.

Den best kjente funksjon av Gzms, spesielt av GzmA og GzmB, er induksjon av programmert celledød i pattedyrceller når den leveres inn i målceller ved PFN 5,6. MenFlere nyere studier også vist effekten av de ekstracellulære Gzms med betydelig innflytelse på immunregulering og betennelse, uavhengig av cytosolisk levering av PFN 7,8. Spekteret av celler som er drept effektivt etter cytosolic oppføring av Gzms ble også nylig utvidet fra pattedyrceller til bakterier 9,10 og selv enkelte parasitter 11. Disse siste funn åpnet opp et helt nytt felt for Gzm forskere. Derfor vil en kostnadseffektiv, high-yield pattedyrekspresjonsvektor system vesentlig lette veien for de fremtidige studier.

Native menneske, mus og rotte Gzms har blitt renset fra granulatfraksjon av CTL og NK-cellelinjer 12-14. Men i våre hender utbyttet av slike renseteknikker er i området fra mindre enn 0,1 mg / l cellekultur (upublisert observasjon og 12). Videre er den kromatografiske oppløsning av et enkelt Gzm uten forurensning av other Gzms og / eller proteiner som også er til stede i granulene er utfordrende (upubliserte data og 12,14). Rekombinante Gzms ble produsert i bakterier, gjær 15 16, insektceller 17, og i og med i pattedyrceller som for eksempel HEK 293 18,19. Bare de pattedyrekspresjonssystemer bære potensial til å produsere rekombinante enzymer med posttranslational modifikasjoner som er identiske med det native cytotoksiske protein. Posttranslasjonelle modifikasjoner har vært implisert med det spesifikke opptak av endocytose og intracellulær lokalisering av protease innenfor målcellene 20-22. Derfor, ved hjelp pHLsec 23 (en slags gave av Radu Aricescu og Yvonne Jones, University of Oxford, UK) som plasmid ryggrad for Gzm uttrykk, vi etablert en enkel, tids- og kostnadseffektivt system for high-yield proteinproduksjon i HEK293T celler. pHLsec kombinerer en CMV forsterker sammen med en kylling Β-aktin promoter; sammen, disse elementene demonstrated den sterkeste promoter aktivitet i ulike cellelinjer 24. I tillegg inneholder plasmidet et kanin Β-globin intron, den optimaliserte Kozak og sekresjon signaler, et Lys-6xHis-tag og en poly-A-signalet. Innsatser kan klones hensiktsmessig mellom-sekresjonssignal, og Lys-6xHis-tag (figur 1) å sikre optimal ekspresjon og sekresjon effektivitet for proteiner som mangler egnede N-terminale domener. For ekspresjon av de Gzms, erstattet vi den endogene sekresjon-signalsekvensen med utskillelsen signal gitt av vektoren, etterfulgt av et enterokinase (EK) område (DDDDK), slik at EK behandling aktivert utskilte Gzms (aktive Gzms starte med den N-terminale aminosyresekvens IlgG 25). I tillegg til fordel for denne metoden, HEK293T celler vokser raskt i lavt priset medium, slik som Dulbeccos modifiserte Eagles medium (DMEM), og er godt egnet for kostnadseffektiv kalsiumfosfat transfeksjon metode.

Protocol

1. Fremstilling av ekspresjonsplasmidet pHLsec-Gzm Forbered total RNA fra menneske NK-celler (primærceller fremstilt som i 26 eller NK cellelinje NK-92 uttrykker alle de fem menneskelige Gzms) med en egnet RNA isolering metode og reversere transkriberer ved hjelp av en første-cDNA syntetisere kit, etter manufacturer` anbefalinger. Forsterke Gzm cDNA ved hjelp av PCR og klone inn pHLsec som beskrevet i 23 (slags gave Radu Aricescu og Yvonne Jones, University of Oxford, UK) ved hjelp av …

Representative Results

I det følgende avsnittet vil vi presentere en komplett dokumentasjon av en GzmA forberedelse til å belyse metoden. Vi har også med hell renset GzmB og GzmM, produsere lignende resultater i forhold til renseeffekt og aktivitet. Men fra de senere forberedelsene vi vil bare vise noen få utvalgte stykker av data. GzmB preparater fra 293T celler etter gjeldende protokollen ble brukt i flere publiserte studier, fremhever sin aktivitet i ulike biologiske analysesystemer 9,29,31-34. E…

Discussion

Den klassiske og omfattende undersøkt rollen til GzmA og GzmB er induksjon av apoptose i pattedyrceller etter deres cytosoliske levering av pore-dannende protein PFN 1. Nylig ble den cytotoksiske spektrum for Gzms utvidet betydelig fra pattedyrceller til 9,10 bakterier, så vel som visse parasitter 11. Videre er de ikke-klassiske, ekstracellulære funksjoner av GzmA og GzmB samt den biologiske betydning av de forskjellige sjeldne Gzms er fortsatt uklar. Derfor, en robust tids- og kostna…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by grants from the Novartis Foundation for Medical-Biological Research and from the Research Pool of the University of Fribourg (to MW). We thank Li Zhao, Zhan Xu, and Solange Kharoubi Hess for technical support, as well as Radu Aricescu and Yvonne Jones (Oxford University, UK) for providing the pHLsec plasmid, and Thomas Schürpf (Harvard Medical School) for helpful discussions.

Materials

TRIzol Reagent Invitrogen 15596-026 Total RNA isolation kit
SuperScript II Reverse Transcriptase Invitrogen 18064-014
Phusion High-Fidelity DNA Polymerase NEB M0530L
EndoFree Plasmid Maxi Kit QIAGEN 12362
EX-CELL 293 Serum-Free Medium for HEK 293 Cells Sigma 14571C
DMEM, high glucose, GlutaMAX Supplement, pyruvate Gibco 31966-021
SnakeSkin Dialysis Tubing, 10K MWCO Thermo Scientific 68100
Enterokinase from bovine intestine Sigma E4906 recombinant, ≥20 units/mg protein
HisTrap Excel 5ml-column GE Healthcare 17-3712-06  Nickel IMAC
HiTrap SP HP 5 ml-column GE Healthcare 17-1152-01  S column
N-α-Cbz-L-lysine thiobenzylester (BLT) Sigma C3647 GzmA substrate
Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl (AAD) MP Biomedicals 2193608 _10mg GzmB substrate
Suc-Ala-Ala-Pro-Leu-p-nitroanilide (AAPL) Bachem GzmM substrate
5,5′-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid) (DTNB) Sigma D8130 Ellman`s reagent

References

  1. Chowdhury, D., Lieberman, J. Death by a thousand cuts: granzyme pathways of programmed cell death. Annu Rev Immunol. 26, 389-420 (2008).
  2. Thiery, J., Lieberman, J. Perforin: a key pore-forming protein for immune control of viruses and cancer. Subcell Biochem. 80, 197-220 (2014).
  3. Krensky, A. M., Clayberger, C. Biology and clinical relevance of granulysin. Tissue Antigens. 73, 193-198 (2009).
  4. Bovenschen, N., Kummer, J. A. Orphan granzymes find a home. Immunol Rev. 235, 117-127 (2010).
  5. Lieberman, J. Granzyme A activates another way to die. Immunol Rev. 235, 93-104 (2010).
  6. Ewen, C. L., Kane, K. P., Bleackley, R. C. A quarter century of granzymes. Cell death and differentiation. 19, 28-35 (2012).
  7. Hiebert, P. R., Granville, D. J. Granzyme B in injury, inflammation, and repair. Trends Mol Med. 18, 732-741 (2012).
  8. Afonina, I. S., Cullen, S. P., Martin, S. J. Cytotoxic and non-cytotoxic roles of the CTL/NK protease granzyme. B. Immunol Rev. 235, 105-116 (2010).
  9. Walch, M., et al. Cytotoxic cells kill intracellular bacteria through granulysin-mediated delivery of granzymes. Cell. 157, 1309-1323 (2014).
  10. Lee, W. Y., et al. Invariant natural killer T cells act as an extravascular cytotoxic barrier for joint-invading Lyme Borrelia. Proc Natl Acad Sci U S A. , (2014).
  11. Kapelski, S., de Almeida, M., Fischer, R., Barth, S., Fendel, R. Antimalarial activity of granzyme B and its targeted delivery by a granzyme B-scFv fusion protein. Antimicrob Agents Chemother. , (2014).
  12. Thiery, J., Walch, M., Jensen, D. K., Martinvalet, D., Lieberman, J. Isolation of cytotoxic T cell and NK granules and purification of their effector proteins. Curr Protoc Cell Biol. Chapter 3 (Unit3 37), (2010).
  13. Shi, L., Yang, X., Froelich, C. J., Greenberg, A. H. Purification and use of granzyme B. Methods Enzymol. 322, 125-143 (2000).
  14. Masson, D., Tschopp, J. A family of serine esterases in lytic granules of cytolytic T lymphocytes. Cell. 49, 679-685 (1987).
  15. Lorentsen, R. H., Fynbo, C. H., Thogersen, H. C., Etzerodt, M., Holtet, T. L. Expression, refolding, and purification of recombinant human granzyme B. Protein Expr Purif. 39, 18-26 (2005).
  16. Sun, J., et al. Expression and purification of recombinant human granzyme B from Pichia pastoris. Biochem Biophys Res Commun. 261, 251-255 (1999).
  17. Xia, Z., et al. Expression and purification of enzymatically active recombinant granzyme B in a baculovirus system. Biochem Biophys Res Commun. 243, 384-389 (1998).
  18. Stahnke, B., et al. Granzyme B-H22(scFv), a human immunotoxin targeting CD64 in acute myeloid leukemia of monocytic subtypes. Mol Cancer Ther. 7, 2924-2932 (2008).
  19. Gehrmann, M., et al. A novel expression and purification system for the production of enzymatic and biologically active human granzyme. B. J Immunol Methods. 371, 8-17 (2011).
  20. Metkar, S. S., et al. Cytotoxic cell granule-mediated apoptosis: perforin delivers granzyme B-serglycin complexes into target cells without plasma membrane pore formation. Immunity. 16, 417-428 (2002).
  21. Motyka, B., et al. Mannose 6-phosphate/insulin-like growth factor II receptor is a death receptor for granzyme B during cytotoxic T cell-induced apoptosis. Cell. 103, 491-500 (2000).
  22. Pinkoski, M. J., et al. Entry and trafficking of granzyme B in target cells during granzyme B-perforin-mediated apoptosis. Blood. 92, 1044-1054 (1998).
  23. Aricescu, A. R., Lu, W., Jones, E. Y. A time- and cost-efficient system for high-level protein production in mammalian cells. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 62, 1243-1250 (2006).
  24. Fukuchi, K., et al. Activity assays of nine heterogeneous promoters in neural and other cultured cells. In Vitro Cell Dev Biol Anim. 30 A, 300-305 (1994).
  25. Tran, T. V., Ellis, K. A., Kam, C. M., Hudig, D., Powers, J. C. Dipeptidyl peptidase I: importance of progranzyme activation sequences, other dipeptide sequences, and the N-terminal amino group of synthetic substrates for enzyme activity. Arch Biochem Biophys. 403, 160-170 (2002).
  26. Somanchi, S. S., Senyukov, V. V., Denman, C. J., Lee, D. A. Expansion, purification, and functional assessment of human peripheral blood NK cells. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
  27. Barry, M., et al. Granzyme B short-circuits the need for caspase 8 activity during granule-mediated cytotoxic T-lymphocyte killing by directly cleaving Bid. Mol Cell Biol. 20, 3781-3794 (2000).
  28. Darmon, A. J., Nicholson, D. W., Bleackley, R. C. Activation of the apoptotic protease CPP32 by cytotoxic T-cell-derived granzyme B. . Nature. 377, 446-448 (1995).
  29. Rajani, D. K., Walch, M., Martinvalet, D., Thomas, M. P., Lieberman, J. Alterations in RNA processing during immune-mediated programmed cell death. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 8688-8693 (2012).
  30. Domselaar, R., et al. Noncytotoxic inhibition of cytomegalovirus replication through NK cell protease granzyme M-mediated cleavage of viral phosphoprotein 71. J Immunol. 185, 7605-7613 (2010).
  31. Thiery, J., et al. Perforin activates clathrin- and dynamin-dependent endocytosis, which is required for plasma membrane repair and delivery of granzyme B for granzyme-mediated apoptosis. Blood. 115, 1582-1593 (2010).
  32. Thiery, J., et al. Perforin pores in the endosomal membrane trigger the release of endocytosed granzyme B into the cytosol of target cells. Nat Immunol. 12, 770-777 (2011).
  33. Thomas, M. P., et al. Leukocyte protease binding to nucleic acids promotes nuclear localization and cleavage of nucleic acid binding proteins. J Immunol. 192, 5390-5397 (2014).
  34. Jacquemin, G., et al. Granzyme B-induced mitochondrial ROS are required for apoptosis. Cell death and differentiation. , (2014).
  35. Kummer, J. A., Kamp, A. M., Citarella, F., Horrevoets, A. J., Hack, C. E. Expression of human recombinant granzyme A zymogen and its activation by the cysteine proteinase cathepsin C. The Journal of biological chemistry. 271, 9281-9286 (1996).
  36. Hagn, M., Sutton, V. R., Trapani, J. A. A colorimetric assay that specifically measures Granzyme B proteolytic activity: hydrolysis of Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. Journal of visualized experiments : JoVE. , e52419 (2014).
  37. Huang, M. T., Gorman, C. M. Intervening sequences increase efficiency of RNA 3′ processing and accumulation of cytoplasmic RNA. Nucleic Acids Res. 18, 937-947 (1990).
  38. Luthman, H., Magnusson, G. High efficiency polyoma DNA transfection of chloroquine treated cells. Nucleic Acids Res. 11, 1295-1308 (1983).
  39. Magee, A. I., Grant, D. A., Hermon-Taylor, J., Offord, R. E. Specific one-stage method for assay of enterokinase activity by release of radiolabelled activation peptides from alpha-N-[3H]acetyl-trypsinogen and the effect of calcium ions on the enzyme activity. Biochem J. 197, 239-244 (1981).
check_url/kr/52911?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Dotiwala, F., Fellay, I., Filgueira, L., Martinvalet, D., Lieberman, J., Walch, M. A High Yield and Cost-efficient Expression System of Human Granzymes in Mammalian Cells. J. Vis. Exp. (100), e52911, doi:10.3791/52911 (2015).

View Video