Süspansiyon HEK293 hücrelerinin kısa süreli transfection ile Rekombinant İnsan Proteinlerinin Yüksek Verimli İfadesi
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
Karmaşık post-translasyonel modifikasyonlar ile rekombinant proteinlerin üretilmesi teknolojisi yapı ve fonksiyon çalışmaları için büyük bir sorun teşkil etmektedir. Geçici olarak transfekte memeli hücre dizilerinden hızla oluşturulması ve yüksek geri kazanım doğal ER ve Golgi dolayımlı salgılama yolundan kanalize proteinleri ifade için etkili bir vasıta, bu bariyer ele alan ve bir. Burada, insan HEK293F ve yüksek protein verimine için tasarlanmış bir memeli ifade vektörü ile transfekte edilmiş HEK293S hücre çizgileri kullanılarak protein ifadesi için tek bir protokoldür. Bu sistemin uygulanabilirliği kültürünün litresi başına geri kazanılan saflaştırılmış proteinin 95-120 mg arasında verimleri ile eksprese üç temsilci glikoproteinleri kullanılarak araştınlır. Bu proteinler, insan FcyRIIIA ve sıçan α2-6 sıyalıltransferaz, ST6GalI, hem bir N-terminal GFP füzyon ifade, hem de rekombinant insan immünoglobülin Fc G1 bulunmaktadır. Bu sağlam sistem utiizotopik olarak zenginleştirilmiş proteinler ve kütle spektrometrisi, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi kullanılarak yapı çalışmaları için de karbonhidrat ekspresyonu için uyarlanabilir bir serumsuz ortam lizes. Ayrıca, N-glıkan bileşimi verimi azaltır olmayan bir şekilde belirli bir glıkan değişiklikleri önlemek için küçük bir molekül eklenerek ayarlanabilir.
Introduction
Yapı ve fonksiyonunun ayrıntılı analizi için uygun katlanmış ve translasyon sonrası değiştirilmiş insan proteinlerinin yüksek verim üreten önemli bir sorun olmaya devam etmektedir. Ekspresyon sistemleri çok sayıda yerel benzeri fonksiyonu ve davranışı ile yeniden birleştirici proteinlerin üretmek mevcuttur. Maya, bitki, böcek ve memeli sistemleri, aynı zamanda 1-4 tarif olsa Bakteriyel ekspresyon sistemleri, esas olarak, Escherichia coli suşu, bağlı, bu sentezleme sistemlerinden basitliği, araştırma alanında en kolay ve yaygın olarak kullanılan araçlar temsil etmektedir. Bununla birlikte, bu sistemler büyük çoğunluğu hedef proteinlerin uygun post-translasyonel modifikasyon, Ulus. Barb ve Moremen laboratuvarlarının temel bir ilgi uygun glikosilasyona ile ökaryotik proteinleri üretiyor. Birçok insan proteinleri (5 bakınız) düzgün işlev için uygun glikozilasyonu gerektirir.
Ökaryotglikosilasyon makineleri yaygın ve her iki asparagin (N) de dahil olmak üzere, modifikasyon bir yelpazede yapma yeteneğine sahiptir – ve serin / treonin (O) kompleksi glikanları 6 -bağlı. İnsan proteinlerinin>% 50 7, N-glikosile olduğu tahmin edilmektedir. Glıkanlar birkaç isim faktör IX gibi terapötik monoklonal antikorlar, eritropoietin ve kan pıhtılaşma faktörleri gibi birçok proteinin temel bileşenleri vardır. Birden çok yöntem uygun N-glikosile proteinlerin hazırlamak için var ve 8-10 tamamen sentetik aralığı olsa da, en sağlam olması şaşırtıcı insan ifade sistemleri bugüne kadar kanıtlanmış değil mühendislik rekombinant sistemlerinden 15-20, 11-14 den veya kurtarma chemoenzymatic için insan proteinlerini üretmek için yöntemler.
Bir çok tedavi edici insan glikoproteinleri, memeli hücreleri kullanılarak yeniden birleştirici sistemlerde üretilmektedir. Not sistemleri Çin Hamster Yumurtalık (CHO), fare miyelom (ns0), bebek hamster Kidne olany (BHK), insan embriyonik böbrek (HEK-293), ve protein üretimi 4,21,22, yapıştırma veya süspansiyon kültürü içinde kullanıldığında insan retinal hücre çizgileri. Ancak, memeli protein ekspresyon sistemleri Kararlı hücre çizgileri, pahalı bir büyüme ortamı ve alt-tabaka destekli transfeksiyon prosedürleri 23 nesil gerektirmiştir.
Memeli hücre transfeksiyonu, kalsiyum fosfat 24,25, katiyonik polimerler (DEAE-dekstran, polibren, polilisin, polyethylimine (PEI)) ya da pozitif yüklü katyonik lipozomlar 26-29 dahil olmak üzere sayısız maddelerin yardımı ile elde edilmektedir. PEI, bir polikatyonik yüklü, doğrusal ya da DNA ile kararlı bir kompleks oluşturur ve endositoz dallı bir polimer (25 kDa) 26 dır. Endozomun asitleştirme üzerine, PEI sitoplazma 26,30 içine endozomlarda DNA salım yırtılmasına yol şişmeye düşünülmektedir.
Suspensi yakın zamana kadar, geçici transfeksiyonkültürü, hücre kültürü 29 ek olarak, ardından önceden DNA / PEI kompleks formasyon ile gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, Würm ve çalışma arkadaşları, in situ 31,32 bir DNA / PEI kompleks oluşturduğu HEK293 hücrelerinde rekombinant protein üretim için optimize edilmiş bir yüksek verimli bir protokol bildirilmiştir. Bu kültür ortamı içine hazırlanmasını, kompleks sterilizasyon ve tamponu değiştirmek kaçınılmalıdır. Önemli verim artışları 33 neden ifade arttırıcı plazmidler dahil ederek daha ileri optimizasyon. Burada, bu ilerlemelere üzerine inşa ve geniş çapta uygulanabilir bir yöntemdir. İfade koşulları da N-glikan bileşimin etkisi için değiştirilebilir.
Bir ara aşamasında N-glikan işlem durur bir gen silme ile HEK293S hücre çizgisi, (GIcNAc 2 Adam 5) 34 2, N-asetilglukozamin bakiyelerine artı beş mannoz kalıntılarının oluşturduğu homojen N-glikanların proteinlerin ekspresyonuna yol açar 35. Bu hücreler,N-asetilglukosaminiltransferaz I transferaz (GntI) alt N-glikan işleme 36,37 için gerekli olan geni içermezler. Kifunensine, sialik asit analoglarının ve fukoz analog ve 2-deoksi-2-floro-fukoz içeren glıkosıltransferaz inhibitörlerinin kullanımı benzer etkiler ve N-glikan işlem 38-41 sınırları vardır.
Protokol Burada bildirilen, Şekil 1 'de gösterildiği gibi 42,43 pGEn2 vektörü kullanır PEI yardımıyla geçici memeli hücreleri çizgileri (HEK293F ya HEK293S hücreleri) transfeksiyon, ve uygun bir şekilde glikosile protein, yüksek verimlerle geri kazanılması. Bu sistem, sağlamdır ve rekombinant proteinlerin büyük titrelerinin üretimi için izotop işaretleme ve glikan mühendisliği de dahil olmak üzere çeşitli faktörler barındırabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, HEK293F veya S hücrelerinin kısa süreli transfection ile protein ifadesini gösterir. Barb ve Moremen laboratuarlarında kurulan optimum transfeksiyon koşulları yüksek verim elde etmek için transfeksiyon hücre yoğunluğu ve reaktif konsantrasyonları kritik bir kombinasyonunu kullanır. Bu protokolü uygulayan Kritik hususlar şunlardır: (tutarlı kültür süreleri katlama) ile transfeksiyon öncesinde istikrarlı bir kültür muhafaza etmek; % 95'den daha büyük hücre yaşayabilirliği ile…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali hibe K22AI099165 (AWB) tarafından, P41GM103390 (KWM) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri P01GM107012 (KWM) ve Iowa State Üniversitesi Biyokimya, Biyofizik ve Moleküler Biyoloji Roy J. Carver Bölümü fonları tarafından desteklenen . Bu çalışmanın içeriği sadece yazarların sorumluluğundadır ve mutlaka NIH resmi görüşlerini temsil etmemektedir.
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
- 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).
- Sorensen, H. P., Mortensen, K. K. Advanced genetic strategies for recombinant protein expression in Escherichia coli. J Biotechnol. 115 (2), 113-128 (2005).
- 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).
- Bandaranayake, A. D., Almo, S. C. Recent advances in mammalian protein production. FEBS Lett. 588 (2), 253-260 (2014).
- Varki, A. . Essentials of Glycobiology. , (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, P., et al. Erythropoietin derived by chemical synthesis. Science. 342 (6164), 1357-1360 (2013).
- 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).
- 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).
- Schwarz, F., et al. A combined method for producing homogeneous glycoproteins with eukaryotic N-glycosylation. Nat Chem Biol. 6 (4), 264-266 (2010).
- Smith, E. L., et al. Chemoenzymatic Fc glycosylation via engineered aldehyde tags. Bioconj Chem. 25 (4), 788-795 (2014).
- 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).
- 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).
- Jarvis, D. L. Baculovirus-insect cell expression systems. Methods Enzymol. 463, 191-222 (2009).
- Li, H., et al. Optimization of humanized IgGs in glycoengineered Pichia pastoris. Nature Biotech. 24 (2), 210-215 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dalton, A. C., Barton, W. A. Over-expression of secreted proteins from mammalian cell lines. Protein Sci. 23 (5), 517-525 (2014).
- 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).
- Wurm, F. M. Production of recombinant protein therapeutics in cultivated mammalian cells. Nat Biotech. 22 (11), 1393-1398 (2004).
- 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).
- Kingston, R. E., Chen, C. A., Okayama, H. Calcium phosphate transfection. Curr Protoc Immunol. Chapter 10, Unit 10.13 (2001).
- 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).
- 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).
- Fraley, R., Subramani, S., Berg, P., Papahadjopoulos, D. Introduction of liposome-encapsulated SV40 DNA into cells. J Biol Chem. 255 (21), 10431-10435 (1980).
- Schlaeger, E. J., Christensen, K. Transient gene expression in mammalian cells grown in serum-free suspension culture. Cytotechnology. 30 (1-3), 71-83 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schachter, H. The joys of HexNAc. The synthesis and function of N- and O-glycan branches. Glycoconjugate J. 17 (7-9), 465-483 (2000).
- 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).
- Rillahan, C. D., et al. Global metabolic inhibitors of sialyl- and fucosyltransferases remodel the glycome. Nat Chem Biol. 8 (7), 661-668 (2012).
- 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).
- Chang, V. T., et al. Glycoprotein structural genomics: solving the glycosylation problem. Structure. 15 (3), 267-273 (2007).
- Barb, A. W., et al. NMR characterization of immunoglobulin G Fc glycan motion on enzymatic sialylation. Bioquímica. 51 (22), 4618-4626 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yagi, H., et al. Backbone H, C, and N resonance assignments of the Fc fragment of human immunoglobulin G glycoprotein. Biomol NMR Assign. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nothaft, H., Szymanski, C. M. Bacterial protein N-glycosylation: new perspectives and applications. J Biol Chem. 288 (10), 6912-6920 (2013).
- 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).
