Memeli hücrelerinde İnsan Granzymes bir Yüksek Verimli ve Maliyet-etkin İfade Sistemi
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 özel CTL lizozomlar ve NK hücrelerinin 1 lokalize yüksek ölçüde homolog serin proteaz ailesidir. Bu katil hücreler ve sitotoksik zerreler, aynı zamanda ortadan kaldırılması 2,3 için olan bir hedef hücrenin tanınması üzerine Gzms ile eşzamanlı olarak serbest bırakılır membran kesintiye proteinleri PFN ve GNLY içerir. (- G, K, M ve N GzmA), insanlarda (GzmA, B, H, K ve M,), beş Gzms ve farelerde 10 Gzms vardır. GzmA ve GzmB en bol ve yaygın insan ve farelerde 1 çalışılmıştır bulunmaktadır. Ancak, daha yeni çalışmalar hücre ölümü yollar yanı sıra sağlık ve hastalık 4 diğer, sözde yetim Gzms aracılık ettiği ek biyolojik etkilerini araştırmak başladı.
PFN 5,6 hedef hücrelere verilebilir olduğunda Gzms en iyi bilinen işlevi, GzmA ve GzmB, özellikle de memeli hücrelerinde programlanmış hücre ölümü meydana gelmesidir. AncakDaha yeni çalışmalar da PFN 7,8 bağımsız Sitozolik teslimat, bağışıklık düzenleme ve inflamasyon üzerinde derin etkisi olan Gzms dışı etkilerini göstermiştir. Gzms sitozolik girmesinden sonra verimli öldürüldüğü hücrelerin spektrumu yakın zamanda bakterilerin 9,10 ve hatta bazı parazitler 11 memeli hücrelerinden genişletilmiştir. Bu yeni keşifler Gzm araştırmacılar için yepyeni bir alan açtı. Bu nedenle, maliyet-etkin, yüksek verim memeli sentezleme sistemi önemli ölçüde o gelecek çalışmalar için yol kolaylaştıracaktır.
Ana insan, fare ve sıçan Gzms başarılı bir CTL ve NK hücre hatları 12-14 granül fraksiyonundan saflaştırılmıştır. Bununla birlikte, elimizdeki tür saflaştırma tekniklerinin verimi daha az, 0.1 mg / L hücre kültürü (yayınlanmamış gözlem ve 12) aralığındadır. Bundan başka, tasarımlarıyla ile kirlenme olmadan, tek bir GZM kromatografik çözünürlüğür Gzms ve / veya granül halinde de mevcut proteinler (yayınlanmamış veriler ve 12,14) meydan okuyor. Rekombinant Gzms hatta HEK 293 18,19 gibi memeli hücrelerinde bakteriler 15, maya 16, böcek hücreleri 17 ve üretildi. Sadece, memeli ekspresyon sistemleri nativ sitotoksik protein aynı translasyon sonrası modifikasyonlar ile, rekombinan enzimler meydana potansiyeli taşımaktadır. Posttranslasyonel değişiklikler endositoz belirli alımı ve hedef hücrelerin 20-22 içinde proteaz hücre içi lokalizasyonu ile suçlanmıştır. Bu nedenle, pHLsec 23 kullanılarak Gzm ifade plazmid omurgası olarak (Radu Aricescu ve Yvonne Jones, Oxford, UK Üniversitesi bir tür hediye), biz yüksek verim protein üretimi için basit, zaman ve maliyet-etkin bir sistem kurdu HEK293T hücreleri. pHLsec tavuk Β-aktin promoteri ile bir CMV artırıcı birleştirir; Birlikte, bu elemanlar gösterilerted çeşitli hücre hatlarında 24 güçlü promotör aktivitesi. Buna ek olarak, plazmid, bir tavşan Β-globin intronu, optimize edilmiş bir Kozak ve sekresyon sinyalleri, bir Lys-6xHis-tag ve bir poli-A sinyali içerir. Uçlar sekresyon sinyali ve uygun N-terminal etki alanları yoksun proteinler için uygun bir ifade ve sekresyon etkinliğin sağlanması Lys-6xHis etiketi (Şekil 1) arasında uygun bir klonlanabilir. Gzms ekspresyonu sağlamak için, böylece EK tedavisi salgılanan Gzms (aktif Gzms N-terminali ile başlayan aktive bir enterokinaz (EK) Alanı (DDDDK) ve ardından vektör tarafından sağlanan salgılama sinyal ile endojen salgılama sinyal dizisi yerine amino asit sekansı IIGG 25). Buna ek olarak, bu yöntem için lehine HEK293T hücreleri, Dulbecco Modifiye Eagle Ortamı (DMEM) gibi düşük fiyatlı bir ortam içinde hızlı bir şekilde büyümesi ve maliyet-etkin bir kalsiyum fosfat transfeksiyon yöntemi için de uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
GzmA ve GzmB klasik ve yaygın olarak çalışılan bir rol gözenek oluşturucu protein PFN 1 kendi sitosolik doğumdan sonra memeli hücrelerinde apoptosisin olduğu. Son zamanlarda, Gzms sitotoksik spektrumu bakteri 9,10, ve de bazı parazitler 11 için memeli hücrelerinden önemli ölçüde genişletildi. Ayrıca, GzmA ve GzmB olmayan klasik, hücre dışı fonksiyonları yanı sıra çeşitli yetim Gzms biyolojik önemi hala karanlıktır. Bu protokol tarafından sağlanan nedenle,…
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
- Chowdhury, D., Lieberman, J. Death by a thousand cuts: granzyme pathways of programmed cell death. Annu Rev Immunol. 26, 389-420 (2008).
- Thiery, J., Lieberman, J. Perforin: a key pore-forming protein for immune control of viruses and cancer. Subcell Biochem. 80, 197-220 (2014).
- Krensky, A. M., Clayberger, C. Biology and clinical relevance of granulysin. Tissue Antigens. 73, 193-198 (2009).
- Bovenschen, N., Kummer, J. A. Orphan granzymes find a home. Immunol Rev. 235, 117-127 (2010).
- Lieberman, J. Granzyme A activates another way to die. Immunol Rev. 235, 93-104 (2010).
- Ewen, C. L., Kane, K. P., Bleackley, R. C. A quarter century of granzymes. Cell death and differentiation. 19, 28-35 (2012).
- Hiebert, P. R., Granville, D. J. Granzyme B in injury, inflammation, and repair. Trends Mol Med. 18, 732-741 (2012).
- 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).
- Walch, M., et al. Cytotoxic cells kill intracellular bacteria through granulysin-mediated delivery of granzymes. Cell. 157, 1309-1323 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shi, L., Yang, X., Froelich, C. J., Greenberg, A. H. Purification and use of granzyme B. Methods Enzymol. 322, 125-143 (2000).
- Masson, D., Tschopp, J. A family of serine esterases in lytic granules of cytolytic T lymphocytes. Cell. 49, 679-685 (1987).
- 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).
- Sun, J., et al. Expression and purification of recombinant human granzyme B from Pichia pastoris. Biochem Biophys Res Commun. 261, 251-255 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jacquemin, G., et al. Granzyme B-induced mitochondrial ROS are required for apoptosis. Cell death and differentiation. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Luthman, H., Magnusson, G. High efficiency polyoma DNA transfection of chloroquine treated cells. Nucleic Acids Res. 11, 1295-1308 (1983).
- 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).
