Summary

High Yield Ekspression af rekombinant human Proteiner med transient transfektion af HEK293-celler i suspension

Published: December 28, 2015
doi:

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

Kunsten at producere rekombinante proteiner med komplekse post-translationelle modifikationer er en stor udfordring for studier af struktur og funktion. Den hurtige etablering og høj nyttiggørelse fra kortvarigt transficeret pattedyrcellelinier adresser denne barriere, og er et effektivt middel til at udtrykke proteiner, som er naturligt kanaliseres gennem ER og Golgi-medieret sekretorisk vej. Her er en protokol for proteinekspression anvendelse af den humane HEK293F og HEK293S cellelinier transficeret med en mammal ekspressionsvektor konstrueret til høje proteinudbytter. Anvendeligheden af ​​dette system demonstreres ved hjælp af tre repræsentative glycoproteiner, der har givet udtryk for med udbyttet mellem 95-120 mg renset protein udvundet per liter kultur. Disse proteiner er den humane FcγRIIIa og rotte α2-6 sialyltransferase ST6GalI, begge udtrykt med en N-terminal GFP fusion, samt umodificeret humant immunoglobulin G1 Fc. Denne robust system UTIlizes et serum-frit medium, der er passende til ekspression af isotopisk beriget proteiner og kulhydrater til strukturelle studier ved hjælp af massespektrometri og kernemagnetisk resonansspektroskopi. Desuden kan sammensætningen af ​​N-glycan indstilles ved tilsætning af et lille molekyle for at undgå visse glycan ændringer på en måde, der ikke mindsker udbyttet.

Introduction

Producerer høje udbytter af passende foldede og posttranslationelt modificerede humane proteiner til detaljeret analyse af struktur og funktion er fortsat en stor udfordring. Et stort antal ekspressionssystemer er tilgængelige, der producerer rekombinante proteiner med nativ-lignende funktion og opførsel. Bakterielle ekspressionssystemer, hovedsagelig Escherichia coli stammer, repræsenterer de mest tilgængelige og almindeligt anvendte værktøjer i forskning arena, på grund af enkelheden af disse ekspressionssystemer, selvom gær-, plante-, insekt- og mammale systemer er også beskrevet 1-4. Men de fleste af disse systemer er i stand til passende post-translationel modifikation af målproteiner. En grundlæggende interesse for Barb og Moremen laboratorier producerer eukaryote proteiner med passende glycosylering. Mange humane proteiner kræver passende glykosylering for korrekt funktion (se 5).

Den eukaryoteglycosylerings maskiner er omfattende og i stand til at gøre en bred vifte af ændringer, herunder både asparagin (N) – og serin / threonin (O) -bundet komplekse glykaner 6. Det anslås, at> 50% af humane proteiner er N-glycosyleret 7. Glykaner er væsentlige elementer i mange proteiner, herunder terapeutiske monoklonale antistoffer, erythropoietin, og blod koagulationsfaktorer som faktor IX, for at nævne et par stykker. Selvom flere metoder eksisterer for at forberede passende N-glycosylerede proteiner og spænder fra rent syntetisk 8-10, at chemoenzymatic 11-14 eller nyttiggørelse fra manipuleret rekombinante systemer 15-20, ikke overraskende, har menneskelige ekspressionssystemer hidtil vist sig at være den mest robuste metoder til at generere humane proteiner.

Mange terapeutiske humane glycoproteiner fremstillet i rekombinante systemer, der anvender pattedyrceller. Systemer af note er den kinesiske hamster ovarie (CHO), musemyelom (NS0), Baby Hamster Kidney (BHK), humane embryonale Nyre (HEK-293) og human retinale cellelinier, der er ansat i vedhæftning eller suspension kultur til proteinproduktion 4,21,22. Imidlertid har pattedyrprotein ekspressionssystemer kræves dannelse af stabile cellelinier, dyre vækstmedier og substrat assisteret transfektion procedurer 23.

Pattedyrcelle transfektion opnås ved hjælp af talrige midler, herunder calciumphosphater 24,25, kationiske polymerer (DEAE-dextran, polybren, polylysin, polyethylimin (PEI)) eller positivt ladede kationiske liposomer 26-29. PEI er en polykationisk, opladet, lineær eller forgrenet polymer (25 kDa) 26, der danner et stabilt kompleks med DNA og endocytose. Efter syrning af endosomet, er PEI syntes at svulme op, hvilket fører til sprængning af endosomer og frigivelse af DNA'et i cytoplasmaet 26,30.

Indtil for nylig, forbigående transfektion i suspensiom kultur blev udført ved forudgående DNA / PEI kompleksdannelse efterfulgt af tilsætning til cellekulturen 29. Men Würm og medarbejdere rapporterede en yderst effektiv protokol optimeret til rekombinant proteinproduktion i HEK293-celler, der dannede et DNA / PEI-kompleks in situ 31,32. Dette undgås fremstilling, sterilisering af komplekset, og bufferudskiftning i et dyrkningsmedium. Yderligere optimering ved at inkludere udtryk-styrke plasmider førte til betydelige rentestigninger 33. Heri er en fremgangsmåde, der bygger på disse fremskridt og er bredt anvendelig. Ekspressionsbetingelser kan også ændres for at påvirke den N-glycan sammensætning.

Den HEK293S cellelinje, med en gendeletion der stopper N-glycan behandling på et mellemstadium, fører til ekspression af proteiner med ensartede N-glycaner bestående af 2 N-acetylglucosamin rester plus fem mannoserester (Man 5 GIcNAc 2) 34, 35. Disse cellermangler den N-acetylglucosaminyltransferase I (GNTI) gen, som er nødvendig for downstream N-glycan behandling 36,37. Anvendelsen af glycosyltransferase inhibitorer herunder kifunensine, sialinsyrereceptorer analoger og fucose analoge og 2-deoxy-2-fluor-fucose har lignende virkninger, og grænser N-glycan forarbejdning 38-41.

Protokollen rapporterede her anvender pGEN2 vektoren som vist i figur 1 42,43, PEI assisteret transient transfektion i mammale cellelinjer (HEK293F eller HEK293S celler), og genvinding af høje udbytter af passende glycosyleret protein. Dette system er robust og kan rumme forskellige faktorer, herunder isotop mærkning og glycan teknik til produktion af store titere af rekombinante proteiner.

Protocol

Denne protokol er tilstrækkelig til udtryk ved hjælp af enten HEK293F eller HEK293S celler. 1. Cell Etablering Kultur Podning Bemærk: Alle manipulation procedurer kultur skal udføres i en BSL-2 facilitet og hvert element bringes ind i biosikkerhed kabinet skal steriliseres ved at sprøjte med en 70% ethanol i vand løsning. Betjene inkubatorryster ved 135 rpm, 80% fugtighed og ved 8,0% CO2 og 37 ° C. Slå "on" UV-lampen i biosikkerhed kabinet mindst 1 time fø…

Representative Results

Højt niveau proteinekspression og renhed Denne optimerede ekspressionssystem gav et højt udbytte af glycosylerede proteiner. Et typisk mønster er vist i ekspressionen af IgG1-Fc (figur 1). I dette tilfælde Dag 0 er transfektion dag, efterfulgt af dag 1 (fortynding) og efterfølgende kultur dage op til dag 5. Protein ekspression analyseret ved anvendelse af opløselige fraktion ekspression i rå medium. En …

Discussion

Denne protokol illustrerer proteinekspression via transient transfektion af HEK293F eller S-celler. De optimale transfektion betingelserne i Barb og Moremen labs ansætte en kritisk kombination af celle tæthed og reagenskoncentrationer at opnå høj effektivitet transfektion. Kritiske overvejelser, når anvendelsen af ​​denne protokol omfatter: opretholde en stabil kultur forud for transfektion (med konsekvent kultur fordobling gange); transfektion af aktivt voksende celler (opnået ved at fortynde celler til 1 x 1…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af de tilskud K22AI099165 (AWB), P41GM103390 (KWM) og P01GM107012 (KWM) fra National Institutes of Health, og ved midler fra Roy J. Carver Institut for Biokemi, Biofysik & Molekylær Biologi på Iowa State University . Indholdet af dette arbejde er alene forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter 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

Referências

  1. Terpe, K. Overview of bacterial expression systems for heterologous protein production: from molecular and biochemical fundamentals to commercial systems. Appl Microbiol Biotechnol. 72 (2), 211-222 (2006).
  2. Sorensen, H. P., Mortensen, K. K. Advanced genetic strategies for recombinant protein expression in Escherichia coli. J Biotechnol. 115 (2), 113-128 (2005).
  3. Contreras-Gomez, A., Sanchez-Miron, A., Garcia-Camacho, F., Molina-Grima, E., Chisti, Y. Protein production using the baculovirus-insect cell expression system. Biotechnol Prog. 30 (1), 1-18 (2014).
  4. Bandaranayake, A. D., Almo, S. C. Recent advances in mammalian protein production. FEBS Lett. 588 (2), 253-260 (2014).
  5. Varki, A. . Essentials of Glycobiology. , (2009).
  6. Moremen, K. W., Tiemeyer, M., Nairn, A. V. Vertebrate protein glycosylation: diversity, synthesis and function. Nat Rev Mol Cell Biol. 13 (7), 448-462 (2012).
  7. Apweiler, R., Hermjakob, H., Sharon, N. On the frequency of protein glycosylation, as deduced from analysis of the SWISS-PROT database. Biochim Biophys Acta. 1473 (1), 4-8 (1999).
  8. Payne, R. J., Wong, C. H. Advances in chemical ligation strategies for the synthesis of glycopeptides and glycoproteins. Chemical Comm. 46 (1), 21-43 (2010).
  9. Wang, P., et al. Erythropoietin derived by chemical synthesis. Science. 342 (6164), 1357-1360 (2013).
  10. Yamamoto, N., Tanabe, Y., Okamoto, R., Dawson, P. E., Kajihara, Y. Chemical synthesis of a glycoprotein having an intact human complex-type sialyloligosaccharide under the Boc and Fmoc synthetic strategies. J Am Chem Soc. 130 (2), 501-510 (2008).
  11. Huang, W., Giddens, J., Fan, S. Q., Toonstra, C., Wang, L. X. Chemoenzymatic glycoengineering of intact IgG antibodies for gain of functions. J Am Chem Soc. 134 (29), 12308-12318 (2012).
  12. Schwarz, F., et al. A combined method for producing homogeneous glycoproteins with eukaryotic N-glycosylation. Nat Chem Biol. 6 (4), 264-266 (2010).
  13. Smith, E. L., et al. Chemoenzymatic Fc glycosylation via engineered aldehyde tags. Bioconj Chem. 25 (4), 788-795 (2014).
  14. Zou, G., et al. Chemoenzymatic synthesis and Fcgamma receptor binding of homogeneous glycoforms of antibody Fc domain. Presence of a bisecting sugar moiety enhances the affinity of Fc to FcgammaIIIa receptor. J Am Chem Soc. 133 (46), 18975-18991 (2011).
  15. Cox, K. M., et al. Glycan optimization of a human monoclonal antibody in the aquatic plant Lemna minor. Nat Biotech. 24 (12), 1591-1597 (2006).
  16. Jarvis, D. L. Baculovirus-insect cell expression systems. Methods Enzymol. 463, 191-222 (2009).
  17. Li, H., et al. Optimization of humanized IgGs in glycoengineered Pichia pastoris. Nature Biotech. 24 (2), 210-215 (2006).
  18. Palmberger, D., Wilson, I. B., Berger, I., Grabherr, R., Rendic, D. SweetBac: a new approach for the production of mammalianised glycoproteins in insect cells. PLoS One. 7 (4), e34226 (2012).
  19. Toth, A. M., Kuo, C. W., Khoo, K. H., Jarvis, D. L. A new insect cell glycoengineering approach provides baculovirus-inducible glycogene expression and increases human-type glycosylation efficiency. J Biotech. 182-183, 19-29 (2014).
  20. Yamane-Ohnuki, N., et al. Establishment of FUT8 knockout Chinese hamster ovary cells: an ideal host cell line for producing completely defucosylated antibodies with enhanced antibody-dependent cellular cytotoxicity. Biotechnol Bioeng. 87 (5), 614-622 (2004).
  21. Dalton, A. C., Barton, W. A. Over-expression of secreted proteins from mammalian cell lines. Protein Sci. 23 (5), 517-525 (2014).
  22. Legendre, J. Y., Szoka, F. C. Cyclic amphipathic peptide-DNA complexes mediate high-efficiency transfection of adherent mammalian cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 90 (3), 893-897 (1993).
  23. Wurm, F. M. Production of recombinant protein therapeutics in cultivated mammalian cells. Nat Biotech. 22 (11), 1393-1398 (2004).
  24. Jordan, M., Schallhorn, A., Wurm, F. M. Transfecting mammalian cells: optimization of critical parameters affecting calcium-phosphate precipitate formation. Nucleic Acids Res. 24 (4), 596-601 (1996).
  25. Kingston, R. E., Chen, C. A., Okayama, H. Calcium phosphate transfection. Curr Protoc Immunol. Chapter 10, Unit 10.13 (2001).
  26. Boussif, O., et al. A versatile vector for gene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo: polyethylenimine. Proc Natl Acad Sci U S A. 92 (16), 7297-7301 (1995).
  27. Pagano, J. S., McCutchan, J. H., Vaheri, A. Factors influencing the enhancement of the infectivity of poliovirus ribonucleic acid by diethylaminoethyl-dextran. J Virol. 1 (5), 891-897 (1967).
  28. Fraley, R., Subramani, S., Berg, P., Papahadjopoulos, D. Introduction of liposome-encapsulated SV40 DNA into cells. J Biol Chem. 255 (21), 10431-10435 (1980).
  29. Schlaeger, E. J., Christensen, K. Transient gene expression in mammalian cells grown in serum-free suspension culture. Cytotechnology. 30 (1-3), 71-83 (1999).
  30. Longo, P. A., Kavran, J. M., Kim, M. S., Leahy, D. J. Transient mammalian cell transfection with polyethylenimine (PEI). Methods Enz. 529, 227-240 (2013).
  31. Backliwal, G., Hildinger, M., Hasija, V., Wurm, F. M. High-density transfection with HEK-293 cells allows doubling of transient titers and removes need for a priori DNA complex formation with PEI. Biotechnol Bioeng. 99 (3), 721-727 (2008).
  32. Backliwal, G., et al. Rational vector design and multi-pathway modulation of HEK 293E cells yield recombinant antibody titers exceeding 1 g/l by transient transfection under serum-free conditions. Nucleic Acids Res. 36 (15), e96 (2008).
  33. Vink, T., Oudshoorn-Dickmann, M., Roza, M., Reitsma, J. J., de Jong, R. N. A simple, robust and highly efficient transient expression system for producing antibodies. Methods. 65 (1), 5-10 (2014).
  34. Unson, C. G. Expression of glucagon receptors in tetracycline-inducible HEK293S GnT1- stable cell lines: an approach toward purification of receptor protein for structural studies. Biopolymers. 90 (3), 287-296 (2008).
  35. Reeves, P. J., Callewaert, N., Contreras, R., Khorana, H. G. Structure and function in rhodopsin: high-level expression of rhodopsin with restricted and homogeneous N-glycosylation by a tetracycline-inducible N-acetylglucosaminyltransferase I-negative HEK293S stable mammalian cell line. Proc Natl Acad Sci U S A. 99 (21), 13419-13424 (2002).
  36. Stanley, P., Narasimhan, S., Siminovitch, L., Schachter, H. Chinese hamster ovary cells selected for resistance to the cytotoxicity of phytohemagglutinin are deficient in a UDP-N-acetylglucosamine–glycoprotein N-acetylglucosaminyltransferase activity. Proc Natl Acad Sci U S A. 72 (9), 3323-3327 (1975).
  37. Schachter, H. The joys of HexNAc. The synthesis and function of N- and O-glycan branches. Glycoconjugate J. 17 (7-9), 465-483 (2000).
  38. Elbein, A. D., Tropea, J. E., Mitchell, M., Kaushal, G. P. Kifunensine, a potent inhibitor of the glycoprotein processing mannosidase I. J Biol Chem. 265 (26), 15599-15605 (1990).
  39. Rillahan, C. D., et al. Global metabolic inhibitors of sialyl- and fucosyltransferases remodel the glycome. Nat Chem Biol. 8 (7), 661-668 (2012).
  40. Okeley, N. M., et al. Development of orally active inhibitors of protein and cellular fucosylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (14), 5404-5409 (2013).
  41. Chang, V. T., et al. Glycoprotein structural genomics: solving the glycosylation problem. Structure. 15 (3), 267-273 (2007).
  42. Barb, A. W., et al. NMR characterization of immunoglobulin G Fc glycan motion on enzymatic sialylation. Bioquímica. 51 (22), 4618-4626 (2012).
  43. Subedi, G. P., Hanson, Q. M., Barb, A. W. Restricted motion of the conserved immunoglobulin G1 N-glycan is essential for efficient FcgammaRIIIa binding. Structure. 22 (10), 1478-1488 (2014).
  44. Barb, A. W., Brady, E. K., Prestegard, J. H. Branch-specific sialylation of IgG-Fc glycans by ST6Gal-I. Bioquímica. 48 (41), 9705-9707 (2009).
  45. Anumula, K. R., Taylor, P. B. A Comprehensive Procedure for Preparation of Partially Methylated Alditol Acetates from Glycoprotein Carbohydrates. Anal Biochem. 203 (1), 101-108 (1992).
  46. Parekh, R. B., et al. Association of rheumatoid arthritis and primary osteoarthritis with changes in the glycosylation pattern of total serum IgG. Nature. 316 (6027), 452-457 (1985).
  47. Yagi, H., et al. Backbone H, C, and N resonance assignments of the Fc fragment of human immunoglobulin G glycoprotein. Biomol NMR Assign. , (2014).
  48. Al-Rubeai, A. B. A. M. Effects of Serum and Growth Factor on HEK 293 Proliferation and Adenovirus Productivity. Animal Cell Tech: Basic & Appl Aspects. 15, 19-23 (2009).
  49. Kaufman, S. M. A. A. R. J., Makrides, S. C. Ch. 13, Gene Transfer and Expression in Mammalian Cells. New Comprehensive Biochemistry. 38, 411-432 (2003).
  50. Berlec, A., Strukelj, B. Current state and recent advances in biopharmaceutical production in Escherichia coli, yeasts and mammalian cells. J Ind Microbiol Biotechnol. 40 (3-4), 257-274 (2013).
  51. Nothaft, H., Szymanski, C. M. Bacterial protein N-glycosylation: new perspectives and applications. J Biol Chem. 288 (10), 6912-6920 (2013).
  52. Barb, A. W. Intramolecular N-glycan/polypeptide interactions observed at multiple N-glycan remodeling steps through [(13)C,(15)N]-N-acetylglucosamine labeling of immunoglobulin G1. Bioquímica. 54 (2), 313-322 (2015).
check_url/pt/53568?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Subedi, G. P., Johnson, R. W., Moniz, H. A., Moremen, K. W., Barb, A. W. High Yield Expression of Recombinant Human Proteins with the Transient Transfection of HEK293 Cells in Suspension. J. Vis. Exp. (106), e53568, doi:10.3791/53568 (2015).

View Video