Summary

哺乳動物細胞におけるヒトグランザイムの高収量およびコスト効率の高い発現システム

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

Gzmsは、CTLおよびNK細胞1の専門リソソームに局在高度に相同性セリンプロテアーゼのファミリーです。これらのキラー細胞の細胞傷害性顆粒はまた、排除2,3宛の標的細胞の認識にGzmsと同時にリリースされる膜破壊するタンパク質PFNとGNLYが含まれています。 ( – G、K、MおよびN GZMA)ヒトにおける5 Gzms(GZMA、B、H、KおよびM)、およびマウスでの10 Gzmsがあります。 GZMAとGZMBは最も豊富で広くヒトおよびマウス1で研究されています。しかし、最近の研究は、細胞死経路、ならびに健康と病気4の他、いわゆるオーファンGzmsによって媒介される追加の生物学的効果を検討し始めています。

PFN 5,6によって標的細胞に送達されたときGzmsの最もよく知られている機能は、GZMAおよびGZMBの、特に哺乳動物細胞におけるプログラム細胞死の誘導です。しかしながら、より最近の研究はまた、PFN 7,8によって独立細胞質ゾルデリバリーの、免疫調節および炎症に計り知れない影響を与えGzmsの細胞外効果を実証しました。 Gzmsの細胞質ゾルのエントリの後に効率的に殺された細胞のスペクトルはまた、最近、細菌9,10、さらには特定の寄生虫11に、哺乳動物細胞から広がりました。これらの最近の発見は、Gzmの研究者のための全く新しい分野を開きました。そのため、コスト効率、高収量哺乳動物発現系は、かなりのもの、将来の研究のための方法を容易にします。

天然ヒト、マウス、ラットGzmsが正常にCTLおよびNK細胞株12-14の顆粒画分から精製されています。しかし、我々の手で、このような精製技術の収量は0.1mg / L未満の細胞培養物(未発表の観察及び12)の範囲内です。また、パーソナルプラグインによる汚染のない単一Gzmのクロマトグラフィー分割R Gzmsおよび/ ​​または顆粒中にも存在するタンパク質は、(未発表データと12,14)に挑戦されています。組換えGzms 16は、酵母、昆虫細胞は17とでさえ、このようなHEK 293 18,19などの哺乳動物細胞において、細菌15で製造しました。のみが哺乳動物発現系は、天然の細胞毒性タンパク質と同じ翻訳後修飾を有する組換え酵素を産生する可能性を負います。翻訳後修飾は、エンドサイトーシスによる特異的な取り込みおよび標的細胞20-22内のプロテアーゼの細胞内局在に関与しています。したがって、Gzm発現のためのプラスミド骨格としてpHLsec 23(ラドゥAricescuとイヴォンヌ·ジョーンズの寄贈、オックスフォード、英国の大学)を使用することにより、我々は、高収量のタンパク質産生のための簡単な、時間とコスト効率の高いシステムを構築しましたHEK293T細胞。 pHLsecは、ニワトリΒアクチンプロモーターとCMVエンハンサーを組み合わせました。一緒に、これらの要素はdemonstraテッド種々の細胞株24最強のプロモーター活性。また、プラスミドは、ウサギΒグロビンイントロン、最適化されたKozakおよび分泌シグナル、Lysの-の6xHisタグおよびポリAシグナルが含まれています。インサートは分泌シグナル、適切なN末端 ​​ドメインを欠くタンパク質の最適な発現および分泌の効率を確保するのLys-の6xHisタグ( 図1)との間で簡便にクローニングすることができます。 EK処理が分泌Gzmsを活性化(アクティブGzmsは、N末端で始まるようにGzmsの発現のために、我々は、エンテロキナーゼ(EK)のサイト(DDDDK)、続いて、ベクターが提供する分泌シグナルと内因性の分泌シグナル配列を置換しアミノ酸配列IIGG 25)。さらに、この方法のために有利なように、HEK293T細胞は、ダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)で、低価格媒体中で急速に成長し、コスト効率の高いカルシウムリン酸トランスフェクション法に適しています。

Protocol

発現プラスミドpHLsec-Gzm 1.生産適切なRNA単離法を用いて、ヒトNK細胞(一次細胞は、すべての5人のGzmsを発現するNK-92 26またはNK細胞株のように調製した)からの総RNAを調製し、第一鎖cDNAを合成しキットを用いての逆転写反応、manufacturer`以下の提言。 23(ラドゥAricescuとイヴォンヌ·ジョーンズの種類のギフト、オックスフォード、英国の大学)に記載されているように?…

Representative Results

次のセクションでは、この方法を照明するGZMA準備の完全なドキュメントを紹介します。また、正常に精製効率および活性に関して同様の結果を生成する、GZMBとGzmMを精製しました。しかし、それらの後に調製物から、我々は、データの選択したいくつかの作品が表示されます。現在のプロトコルに従って293T細胞からGZMB調製物は、様々な生物学的ア ​​ッセイ系9,29,31-34でそれらの活?…

Discussion

GZMAとGZMBの古典と広範囲に研究の役割は、孔形成タンパク質PFN 1によるそれらのサイトゾル送達後、哺乳動物細胞におけるアポトーシスの誘導です。最近、Gzmsの細胞傷害性スペクトルは、細菌9,10、ならびに特定の寄生虫11に、哺乳動物細胞から大幅に広がりました。また、GZMAとGZMBの非古典的、細胞外の機能だけでなく、様々な孤児Gzmsの生物学的意義は依然として不?…

Declarações

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

Referências

  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/pt/52911?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
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