High Yield Expression von rekombinanten humanen Proteinen mit der transiente Transfektion von HEK293 Zellen in Suspension
Summary
Laboratory-scale production of eukaryotic proteins with appropriate post-translational modification represents a significant barrier. Here is a robust protocol with rapid establishment and turnaround for protein expression using a mammalian expression system. This system supports selective amino acid, selective labeling of proteins and small molecule modulators of glycan composition.
Abstract
Die Kunst der Herstellung von rekombinanten Proteinen mit komplexen post-translationale Modifikationen stellt eine große Herausforderung für die Untersuchung der Struktur und Funktion. Die rasche Einrichtung und hohe Rückgewinnung aus transient transfizierten Säugerzelllinien adressiert diese Barriere und ist ein wirksames Mittel zur Expression von Proteinen, die natürlicherweise durch das ER und Golgi-vermittelte sekretorischen Weg geleitet werden. Hier ist ein Protokoll für die Proteinexpression mit Hilfe der menschlichen HEK293F und HEK293s Zelllinien mit einem Säugetier-Expressionsvektor für hohe Proteinausbeuten entwickelt transfiziert. Die Anwendbarkeit dieses Systems wird gezeigt, unter Verwendung von drei repräsentativen Glycoproteine, die mit Ausbeuten zwischen 95 bis 120 mg gereinigtes Protein gewonnen pro Liter Kultur ausgedrückt. Diese Proteine sind die menschlichen FcγRIIIa und die Ratte α2-6 Sialyltransferase, ST6GalI, beide mit einem N-terminalen GFP-Fusions zum Ausdruck, ebenso wie das unmodifizierte humanen Immunglobulins G1 Fc. Das robuste System utilizes ein serumfreies Medium, das für die Expression von isotopisch angereicherten Proteine und Kohlenhydrate für Strukturuntersuchungen unter Verwendung von Massenspektrometrie und Kernspinresonanzspektroskopie anpassungsfähig ist. Weiterhin kann die Zusammensetzung des N-Glycan durch Zugabe einer kleinen Moleküls an bestimmten Glycans Modifikationen in einer Weise, die Ausbeute nicht verringert verhindern abgestimmt werden.
Introduction
Hohe Ausbeuten an in geeigneter Weise gefaltet und posttranslational modifiziert Humanproteinen für die detaillierte Analyse von Struktur und Funktion wie vor eine große Herausforderung. Eine große Anzahl von Expressionssystemen zur Verfügung, die von rekombinanten Proteinen mit nativ-ähnlichen Funktion und Verhalten zu erzeugen. Bakterielle Expressionssysteme, überwiegend Escherichia coli-Stämme, repräsentieren die am leichtesten zugänglichen und am häufigsten verwendeten Werkzeuge in der Forschung Arena, wegen der Einfachheit dieser Expressionssysteme, obwohl Hefe-, Pflanzen-, Insekten- und Säugersystemen werden ebenfalls beschrieben 1-4. Die meisten dieser Systeme sind jedoch nicht in der Lage geeignete posttranslationale Modifikation der Zielproteine. Ein grundlegendes Interesse der Barb und Moremen Labors produziert eukaryotischen Proteinen mit entsprechenden Glykosylierung. Viele menschliche Proteine erfordern entsprechende Glykosylierung für die richtige Funktion (siehe 5).
Der eukaryotischeGlykosylierungsmaschinerie ist umfangreich und der Lage, eine breite Palette von Modifikationen, einschließlich sowohl Asparagin (N) – und Serin / Threonin (O) -verknüpften komplexer Glykane 6. Es wird geschätzt, dass> 50% der menschlichen Proteine sind N-glycosyliert. 7 Glykane sind wesentliche Bestandteile von vielen Proteinen, einschließlich therapeutischer monoklonaler Antikörper, Erythropoietin und Blutgerinnungsfaktoren, wie Faktor IX, um einige zu nennen. Obwohl mehrere Methoden existieren, um in geeigneter Weise N-glycosylierte Proteine vorzubereiten und reichen von rein synthetischen 8-10, um Chemoenzymatische 11-14 oder Erholung von gentechnisch rekombinanten Systemen 15-20, nicht überraschend, menschliche Expressionssysteme sind bisher bewährt die robusteste zu sein Verfahren zur Erzeugung von menschlichen Proteinen.
Viele therapeutische Human Glykoproteine in rekombinanten Systemen, die Säugetierzellen produziert. Systeme Bemerkenswert sind die Chinese Hamster Ovary (CHO), Maus-Myelom (NS0), Baby-Hamster Niereny (BHK), menschliche embryonale Nieren (HEK-293) und die menschliche Netzhaut-Zelllinien, die in der Haftung oder Suspensionskultur für die Proteinproduktion 4,21,22 eingesetzt werden. Allerdings haben Säugerproteinexpressionssysteme die Erzeugung von stabilen Zelllinien, teure Nährmedien und Substrat unterstützte Transfektion Verfahren 23 erforderlich.
Säugerzelle Transfektion wird mit Hilfe einer Vielzahl von Mitteln, einschließlich Kalziumphosphate 24,25, kationische Polymere (DEAE-Dextran, Polybren, Polylysin, Polyethylimin (PEI)) oder positiv geladene kationische Liposomen 26-29 erreicht. PEI ist ein polykationisches, geladene, lineares oder verzweigtes Polymer (25 kDa) 26, die einen stabilen Komplex bildet mit DNA und wird durch Endozytose. Beim Ansäuern des Endosoms wird PEI gedacht zu quellen, was zu dem Bruch der Endosomen und Freisetzung der DNA ins Zytoplasma 26,30.
Bis vor kurzem war die transiente Transfektion in Sperre wiederauf Kultur wurde durch vorherigen DNA / PEI-Komplexbildung, gefolgt von der Zugabe zu der Zellkultur 29 durchgeführt. Allerdings Würm und Mitarbeiter berichteten über eine hocheffiziente Protokoll für die Produktion rekombinanter Proteine in HEK293-Zellen, die eine DNA / PEI-Komplex in situ gebildet 31,32 optimiert. Dies vermieden Herstellung, Sterilisation der Anlage und Pufferaustausch in einem Kulturmedium. Weitere Optimierung, indem die Expression steigernde Plasmiden führte zu deutlichen Ertragssteigerungen 33. Hierin ist eine Methode, die auf diesen Fortschritten baut und ist breit anwendbar. Expressionsbedingungen können ebenfalls verändert werden, um das N-Glycan-Zusammensetzung auswirken.
Die HEK293s Zelllinie mit einem Gen-Deletion, das N-Glycan Verarbeitung stoppt in einer Zwischenstufe, zur Expression von Proteinen mit einheitlichen N-Glycanen, die aus 2-N-Acetylglucosamin-Reste plus fünf Mannosereste (Man 5 GlcNAc 2) 34, 35. Diese Zellenfehlt das N-Acetylglucosaminyl Transferase I (GntI) Gen, das für nachfolgende N-Glycan Verarbeitungs 36,37 erforderlich. Die Verwendung von Glycosyltransferase-Inhibitoren, einschließlich kifunensine Sialinsäure-Analogen und dem Fucose analogen und 2-Deoxy-2-fluor-Fucose hat ähnliche Wirkungen und Grenzen N-Glycan Verarbeitungs 38-41.
Das Protokoll verwendet die hier berichteten pGEn2 Vektors wie in Figur 1 gezeigt, 42,43, PEI stützten transiente Transfektion in Säugetierzelllinien (HEK293F oder HEK293s Zellen) und die Rückgewinnung von hohen Ausbeuten von geeignet glykosylierte Protein. Das System ist robust und kann von verschiedenen Faktoren, einschließlich Isotopenmarkierung und Glycan Technik für die Herstellung von großen Titern an rekombinante Proteine unterzubringen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll stellt die Proteinexpression über die transiente Transfektion von HEK293F oder S-Zellen. Die in den Barb und Moremen Labors etabliert optimale Transfektionsbedingungen beschäftigen eine kritische Kombination von Zelldichte und Reagenzienkonzentrationen eine hohe Effizienz der Transfektion zu erreichen. Kritische Überlegungen bei der Durchführung dieses Protokolls sind: die Aufrechterhaltung einer stabilen Kultur vor der Transfektion (mit konsistenten Kultur Verdopplungszeiten); Transfektion von akti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von den Zuschüssen K22AI099165 (AWB), P41GM103390 (KWM) und P01GM107012 (KWM) von den National Institutes of Health, und aus Mitteln des Roy J. Carver Lehrstuhl für Biochemie, Biophysik und Molekularbiologie an der Iowa State University unterstützt . Der Inhalt dieser Arbeit ist allein in der Verantwortung der Autoren und nicht notwendigerweise die offizielle Meinung des NIH.
Materials
| Biosafety cabinet | NuAire, Inc. | CellGard ES NU-S475-400 | Class II, Type A2 Biological Safety Cabinet |
| Incubation shaker | INFORS HT | Multitron Cell | |
| Medium A: FreeStyle Expression Medium | Life Technologies | 12338-018 | |
| Medium B: ExCell 293 Serum-Free Medium | SIGMA | 14571C | |
| 125 Erlenmeyer Flask with Vented Cap | Corning Incorporated/Life Sciences | 431143 | |
| 250 Erlenmeyer Flask with Vented Cap | Corning Incorporated/Life Sciences | 431144 | |
| FreeStyle HEK 293F Cells | Life Technologies | R790-07 | |
| 1 ml Disposable serological pipette | Fisher Scietific | 13-676-10B | |
| 10 ml Disposable serological pipette | Fisher Scietific | 13-676-10J | |
| 25 ml Disposable serological pipette | Fisher Scietific | 13-676-10K | |
| Pipettor (Pipet-Aid XP) | Drummond Scientific | 161263 | |
| Trypan Blue Solution | Thermo Scientific | SV30084.01 | |
| Counting slides | Bio-Rad | 145-0011 | |
| TC20 Automated Cell Counter | Bio-Rad | 145-0102 | |
| Polyethylenimine (PEI) | Polysciences Inc. | 23966 | Prepare stock solution at a concentration of 1 mg/ml in a buffer containing 25 mM 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) and 150 mM NaCl (pH 7.5). Dissolve PEI completely; sterilize through 0.22 μM syringe filter and store at -20 °C. |
| 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) | EMD Chemicals Inc. | 7365-45-9 | |
| 25 mm Syringe Filter, 0.22 μM | Fisher Scietific | 09-719A | |
| Trisaminomethane (Tris base) | Fisher Scietific | BP152-1 | |
| XL1-Blue | Stratagene | 222249 | |
| Trypton | Fisher Scietific | BP1421-2 | |
| Yeast extract | Fluka Analytical | 92144 | |
| Sodium chloride | BDH chemicals | BDH8014 | |
| Plasmid Purification Kit | QIAGEN | 12145 | |
| Valproic (VPA) | SIGMA | P4543 | Prepare stock solution of 220 mM in water, sterilize by passage through a sterile 0.22 mm filter and store at -20 °C |
| Corning 250 mL Centrifuge Tube | Corning Incorporated/Life Sciences | 430776 | |
| Centrifuge | Thermo Scientific | EW-17707-65 | |
| Protein A-Sepharose column | SIGMA | P9424 | |
| Ni-NTA superflow | QIAGEN | 30430 | |
| 3-(N-morpholino)propanesulfonic acid (MOPS) | Fisher Scietific | BP308-500 | |
| Glycine | Fisher Scietific | BP381-500 | |
| 10 kDa molecular weight cut-off Amicon® Ultra centrifugal filters | Millipore | UFC901096 | |
| Sodium dodecyl sulfate | ALDRICH | L3771 | |
| Beta-mercaptoethanol | ALDRICH | M6250 | |
| Glycerol | SIGMA | G5516 | |
| Precision Plus Protein All Blue Standards | Bio-Rad | 161-0373 | |
| Acetic Acid, Glacial | Fisher Scietific | 64-19-7 | |
| coomassie brilliant blue | Bio-Rad | 161-0406 | |
| MALDI-TOFMS Voyager-DE PRO | Applied Biosystems | ||
| 15N labeled L-Tyrosine | ALDRICH | 332151 | |
| 15N labeled L-Lysine | ALDRICH | 592900 | |
| Unlabeled L-Phenylalanine | SIGMA-ALDRICH | P2126 | |
| 13C6-Glucose | ALDRICH | 389374 | |
| 2-deoxy-2-fluoro-l-fucose | SANTA CRUZ Biotechnology | sc-283123 |
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