懸濁液中のHEK293細胞の一過性トランスフェクションによる組換えヒトタンパク質のハイ・イールド式
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
複雑な翻訳後修飾を有する組換えタンパク質を生産する技術は、構造と機能の研究のための主要な課題です。迅速な確立と一過性にトランスフェクト哺乳動物細胞株からの高回収はこの障壁に対処し、自然にERおよびゴルジ体媒介分泌経路を通って流れるされているタンパク質を発現する有効な手段です。ここで、高いタンパク質収率のために設計された哺乳動物発現ベクターでトランスフェクトしたヒトHEK293FおよびHEK293S細胞株を用いて、タンパク質発現のための1つのプロトコルです。このシステムの適用は、培養物1リットル当たり、回収、精製したタンパク質の95から120 mgの間の収率で表される3つの代表的な糖タンパク質を用いて実証されています。これらのタンパク質は、ヒトのFcγRIIIAおよびラットα2-6シアル酸転移酵素、ST6GalI、N末端GFP融合だけでなく、変更されていないヒト免疫グロブリンG1のFcと表現の両方です。この堅牢なシステムUTI質量分析および核磁気共鳴分光法を用いて、構造研究のための同位体濃縮タンパク質および炭水化物の発現のために適合可能である無血清培地をlizes。さらに、N-グリカンの組成物は、収率を低下させないようにして特定のグリカンの改変を防止するための小分子を添加することによって調整することができます。
Introduction
構造および機能の詳細な分析のために適切に折り畳まれ、翻訳後修飾されたヒトタンパク質を高収率で製造することは重要な課題です。発現系が多数天然様の機能と動作を有する組換えタンパク質を産生すること可能です。酵母、植物、昆虫および哺乳動物系でもある1-4を説明しても細菌発現系、主に大腸菌株は、原因でこれらの発現系のシンプルさに、研究の分野で最もアクセスし、一般的に使用されるツールを表しています。しかしながら、これらのシステムの大部分は、標的タンパク質の適切な翻訳後修飾することができません。バーブとMoremen研究所の基本的な関心は、適切なグリコシル化と真核生物のタンパク質を生産しています。多くのヒトタンパク質（5を参照）適切な機能のために適切なグリコシル化を必要とします。
真核生物グリコシル化機構が広範かつ両方アスパラギン（N）を含む、修飾の多様を作成することが可能である-セリン/スレオニン（O）は、複雑なグリカン6 -結合しました。これは、ヒトタンパク質の> 50％がN-グリコシル化7であると推定されています。グリカンは、少数を示すために、本質的な治療用モノクローナル抗体を含む多くのタンパク質の構成成分、エリスロポエチン、および第IX因子などの血液凝固因子です。複数のメソッドは、11-14または操作された組換えシステム15-20からの回復を化学酵素には、純粋に合成8-10から適切にN-グリコシル化タンパク質および範囲を準備するために存在するが、驚くことではないが、人間の発現系は、これまでで最も堅牢であることが証明されましたヒトタンパク質を生成するための方法。
多くの治療用のヒト糖タンパク質は、哺乳動物細胞を用いた組換え系において産生されます。ノートのシステムは、チャイニーズハムスター卵巣（CHO）、マウス骨髄腫（NS0）、ベビーハムスターKidneですY（BHK）、ヒト胚性腎臓（HEK-293）及びタンパク質産生のために4,21,22接着または懸濁培養で使用されるヒト網膜細胞株。しかし、哺乳動物タンパク質発現系は、安定な細胞株の生成、高価な増殖培地と基板補助トランスフェクション手順23を必要としています。
哺乳動物細胞のトランスフェクションは、リン酸カルシウム24,25、カチオン性ポリマー（DEAE-デキストラン、ポリブレン、ポリリジン、ポリエチ（PEI））または正に荷電したカチオン性リポソーム26-29を含む多くの薬の助けを借りて達成されます。 PEIは26ポリカチオン性、荷電、直鎖状または分岐鎖状のポリマー（25 kDaの）であるDNAと安定な複合体を形成し、エンドサイトーシスされます。エンドソームの酸性化の際に、PEIは、エンドソームおよび細胞質26,30へのDNAの放出の破裂につながる、膨潤すると考えられています。
suspensiで最近まで、一過性トランスフェクション文化に細胞培養29に加え、続いて前に、DNA / PEI複合体形成することにより実施しました。しかし、ワームおよび共同研究者らは 、in situ 31,32 で DNA / PEI複合体を形成されたHEK293細胞における組換えタンパク質産生のために最適化された非常に効率的なプロトコルを報告しました。これは、培養培地中に調製、複合体の滅菌、および緩衝液交換を回避します。大幅な収量増加につながった33の発現増強プラスミドを含むことにより、さらなる最適化。ここでは、これらの進歩の上に構築し、広く適用可能である方法です。発現条件はまた、Nグリカン合成に影響を与えるように変更されてもよいです。
中間段階でのN-グリカンの処理を停止し、遺伝子欠失を有するHEK293S細胞株は、、グルコサミン（GlcNAc 2 の Man 5）34 2、N-アセチルグルコサミン残基に加えて5マンノース残基からなる均一なN-グリカンを有するタンパク質の発現をもたらします35。これらの細胞N-アセチルトランスフェラーゼI（GNTI）下流N-グリカン処理36,37のために必要とされる遺伝子を欠いています。キフネンシン、シアル酸類似体およびフコース類似体及び2-デオキシ-2-フルオロフコースなどのグリコシルトランスフェラーゼ阻害剤の使用は、同様の効果と、N-グリカンプロセッシング38-41限界があります。
プロトコルは、ここで報告された、図1 42,43、PEI支援過渡哺乳類細胞株（HEK293FまたはHEK293S細胞）へのトランスフェクション、および適切なグリコシル化タンパク質の高収量の回復に示すようにPGEN2ベクトルを使用しています。このシステムは堅牢であり、組換えタンパク質の大規模な力価の生産のための同位体標識およびグリカンエンジニアリングを含む様々な要因に対応することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、S又はHEK293F細胞の一過性トランスフェクションを介してタンパク質発現を示す図です。バーブとMoremen研究室で確立最適なトランスフェクション条件は、高効率のトランスフェクションを達成するために、細胞密度および試薬濃度の重要な組み合わせを採用します。このプロトコルを実装する重要な考慮事項は次のとおりです（一貫性のある文化が倍加時間で）トランスフ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、財政補助金K22AI099165（AWB）により、P41GM103390（KWM）と国立衛生研究所からP01GM107012（KWM）、アイオワ州立大学の生化学、生物物理学＆分子生物学のロイ・J・カーバー部門からの資金によってサポートされていました。この作品の内容はもっぱら著者の責任であり、必ずしもNIHの公式見解を示すものではありません。
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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