Basierend HeLa Zellfreie Expressionssysteme zur Expression von<em> Plasmodium</em> Rhoptry Proteine

Summary

Expression des Malaria-Proteinen in zellbasierten Systemen bleibt eine Herausforderung. Wir zeigen zwei Schritt und einen Schritt IVT (in vitro-Translation) zellfreie Expressionssysteme zur Expression von rekombinanten Malaria-rhoptry Proteine ​​aus HeLa-Zellen. Wir verwenden eine Ni-Harz Affinität Kläranlage, die rhoptry Proteine ​​zu reinigen.

Abstract

Malaria verursacht erhebliche globale Morbidität und Mortalität. Keine Routine-Impfstoff ist derzeit verfügbar. Einer der wichtigsten Gründe für die mangelnde eines Impfstoffes ist die Herausforderung der Identifizierung geeigneter Impfstoffkandidaten. Malariaproteine ​​exprimiert mit prokaryotischen und eukaryotischen Zellen basierenden Expressionssystemen schlecht glycosyliert allgemeinen unlöslich und unterliegen falsche Faltung führt zu verringerten Immunogenizität. Die Weizenkeime, Kaninchenretikulocytlysat und Escherichia coli Lysat zellfreie Expressionssysteme sind derzeit für die Expression des Malaria-Proteine ​​verwendet. Jedoch ist die Länge des Expressionszeit und unsachgemäße Glykosylierung von Proteinen immer noch eine Herausforderung. Wir zeigen die Expression von Plasmodium Proteinen in vitro unter Verwendung von HeLa-Zelle basierend freie Expressionssysteme, die als "in vitro menschliche Zelle freie Expressionssysteme". Die 2 HeLa anhand zellfreie Expressionssysteme transkribieren mRNA in 75 min und 3 ul transcribed mRNA reicht aus, um Proteine ​​in 90 min zu übersetzen. Die 1-Schritt-Expressionssystem ist eine Transkription und Translation gekoppelt Expressionssystem; die Transkription und Co-Übersetzung erfolgt in 3 Stunden. Das Verfahren kann auch für 6 Stunden, indem zusätzliche Energie erweitert werden. In der 2-Schritt-Expressionssystem wird mRNA transkribiert erste und dann in die Übersetzung Mischung für die Proteinexpression zugegeben. Wir beschreiben, wie die Malaria-Proteine ​​zu exprimieren; eine hydrophobe PF3D7_0114100 Maurers Cleft – 2 Transmembran (PFMC-2TM) Protein, ein hydrophiles PF3D7_0925900 Protein und ein Gürteltier wiederholt mit Protein PF3D7_1361800, mit der HeLa anhand zellfreien Expressionssystem. Die Proteine ​​werden in Mikrovolumina unter Verwendung 2-Schritt und 1-step-Ausdruck Strategien ausgedrückt. Ein Affinitätsreinigungsverfahren zur Reinigung von 25 ul exprimierten Proteine ​​unter Verwendung des in vitro menschliche Zelle frei Expressionssystem wird ebenfalls beschrieben. Proteinausbeute durch Bradford-Assay bestimmt und die zum Ausdruckund gereinigte Proteine ​​durch Western-Blot-Analyse bestätigt werden. Exprimierten rekombinanten Proteine ​​können für Impfungen, Immunoassays und Proteinsequenzierung verwendet werden.

Introduction

Malariaforschung, Expression von immunogenen Proteinen unter Verwendung von prokaryotischen oder eukaryotischen Systemen auf Zellbasis bleibt eine Herausforderung. Die AT Reichtum des Plasmodium Genom und unbekannte posttranslationale Mechanismen ^14,7, auf die Schwierigkeiten bei der Beschaffung richtig gefaltet und immunogene Proteine ​​zur Antikörperproduktion und Impfstoffstudien assoziiert beitragen. Prokaryontischen Systemen wie Escherichia coli für die rekombinante Proteinexpression verwendet. Prokaryotische Systeme sind kostengünstig, effektiv, erzeugen hohe Ausbeuten an rekombinantem Protein und mehrere Klonierungsvektoren. Host E. coli-Zellen sind leicht zu transformieren und Zellen schnell wachsen. Jedoch haben prokaryotischen Systemen Einschränkungen wie der Mangel an Aminosäure-Substitution, eine posttranslationale Modifikation, Verschmutzungsgefahr heterogene Produkte und Akkumulation von rekombinanten Proteinen in Einschlusskörpern ^24.

In einemStudie Mehlin et al. (2006) wurden 1000 offenen Leserahmen (ORF) ausgedrückt. Etwa 7% der exprimierten Proteine ​​waren löslich ^14. Die beobachtete Unlöslichkeit ist aufgrund der vorgespannten Natur der Gene und der hohen Frequenz von Codons, die idealerweise durch die AT-reiche Plasmodium Genom ¹⁴ verwendet. Eine alternative Strategie zur Überwindung dieses Problems wurde durch die Verwendung von Plasmiden oder Wirtszellen, tRNAs, die seltenen Codons oder Codons, die Frequenzen ³ entsprechen erkennen entwickelt. Selbst nach der Durchführung dieser Optimierungen werden sehr kleine Teile von Proteinen als lösliche, aktive und immunogenen ¹⁴ ausgedrückt. Die zellfreie Expressionssysteme enthalten sämtliche zur Transkription und Translation notwendigen Komponenten wie Ribosomen, Initiationsfaktoren, Elongationsfaktoren (Übersetzungen Faktoren), tRNA und Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Beide Transkription und Translation Reaktionen werden in einem einstufigen Verfahren ^11,29 gekoppelt. Die transcription Reaktion in einem Röhrchen durchgeführt werden, bevor entsprechende Menge an mRNA mit Translationsmaschinerie in einem anderen Rohr ^11,29 inkubiert. Obwohl diese Verfahren in Plasmodium sp. Protein Expression erfolgreich sind, ein großer Nachteil ist die Länge der Zeit für die Proteinexpression, die etwa 22 Stunden ²⁹ ist. Darüber hinaus ist die hohen Kosten der Versorgung für die Aufnahme in den Protokollen ^29, die arbeitsintensiven Vorbereitungen des Zelllysats und Inkonsistenzen in der Komponente Zubereitungen, stellen diese Systeme unerreichbar. Das Hauptaugenmerk der Forscher für die Entwicklung einer zellfreien Expressionssystem ist abhängig von Faktoren wie schnelle genetische Veränderung, schnelle Erträge mit hohen Konzentrationen und geradlinig Lysat Vorbereitungen ^1.

Eukaryontischen Systemen wie Hefe, Säugerzelllinien, Baculovirus-Expressionssystem vermittelt, Tetrahymena thermophilia, Dictyostelium discoideum und parasitären Expressionssysteme such wie Leishmania wurden für die rekombinante Proteinexpression ⁷ verwendet. Eukaryotische Systeme teilen phylogenetische Verwandtschaft und damit Eigenschaften wie Glykosylierung, Acylierung, Disulfid-Bindungsbildung, Chaperon-Wechselwirkung, Proteolyse und subzellulären Kompartimentierung teilen auch. Proteinsekretion Veranstaltungen in Eukaryoten zu verhindern Anhäufung und verringert die Toxizität für Expressionssysteme ^13. Die Verwendung von Hefe-Systemen wird bevorzugt, da sie für die Proteinexpression in großem Maßstab und zur Erzielung hoher Ausbeuten ⁴ sind. Zwei P. falciparum Proteine ​​PFCP-29 und Pvs25 wurden unter Verwendung des Hefe-System ⁴ erzeugt. , Ein großer Nachteil bei der Synthese der meisten der Proteine ​​wurde jedoch unregelmäßige N und O-Glykosylierungsmuster, unsachgemäße Falten und Abschneiden von Proteinen aus ihrer nativen Form ^4.

Die Verwendung von Säugetierzellen für die Synthese von rekombinanten Proteinen ist arbeitsintensiv und es ist Expensive zu stabilen rekombinanten Zelllinien ⁴ aufrecht zu erhalten. Daher wurden Säugerzellen für die Analyse von Protein-Signalisierung, Protein-Interaktionen und Parasit-Wirt-Wechselwirkungen beschränkt und auch für das Testen von DNA-Impfstoffen ^4. Die menschliche DNA und mRNA in vitro-Proteinexpression zellfreies System ist hierin ein HeLa-Zell-abgeleitete Säugetier-basiertes System, das Proteine ​​in 3 h ausdrückt. Proteine ​​exprimiert Verwendung pT7CFE1-ChiS Expressionsvektor haben einen C-terminalen Tag erleichtert Identifizierung und Reinigung. Die HeLa basiertes System mit Translationsinitiationsfaktoren und einem Übersetzungsregler ergänzt, wodurch die Effizienz des Übersetzungssystems zu verbessern. Proteine ​​können schnell umgesetzt werden, abgeschirmt, überprüft und für den Einsatz in verschiedenen immunologischen und Strukturanwendungen ¹⁵ verarbeitet.

Eukaryotischen zellfreie Expressionssysteme wie Weizenkeime und Kaninchen-Retikulozyten sind zur Zeit für die Expression von var verwendetious eukaryotischen Proteinen einschließlich Plasmodium Proteine ^​​11,29. Zusätzlich E. coli basiert zellfreie Systeme sind auch für eukaryotische Proteinexpression. ¹¹ verwendeten Tabelle 1 fasst verschiedene zellfreie Expressionssysteme durch Vergleichen von Merkmalen der Systeme sowie die Leichtigkeit der Verwendung der Systeme für die Proteinexpression. Der menschliche zellfreien System im Vergleich zu den anderen hat die Fähigkeit, Pfosten und co-translationale Modifikationen durchzuführen und ist weniger teuer. Codon-Optimierung ist möglich, und alle Reaktionen in 3 Stunden durchgeführt werden. Die HeLa-System ist eine ideale Übersetzungssystem für die Proteinsynthese in der Laborumgebung.

Ein Hauptvorteil der menschlichen Zelle freie Expressionssysteme gegenüber anderen zellfreien Systemen ist die Verfügbarkeit von mehreren verschiedenen Zelllinien aus verschiedenen Organen und Geweben abgeleitet ist. Mehrere Sorten von zellfreien Systemen können in Abhängigkeit von der Zelllinie ausgebildet sein. Der Extrakts aus Säugerzellen haben einen höheren Wirkungsgrad, große Proteine ​​zu synthetisieren als andere zellfreie Expressionssysteme. Diese zellfreie Expressionssysteme können auch in diagnostischen und Proteincharakterisierung Anwendungen wie Mikro-Arrays ³⁰ verwendet werden. Die beliebten HeLa-Zelllinien werden am häufigsten verwendet, um die Durchführung der Expression von Proteinen, ^33. Das endoplasmatische Retikulum in den HeLa-Zelllinien unterentwickelt, was zu einer Abwesenheit von posttranslationalen Glykosylierung Modifikation Aktivität ^33. Allerdings ist dieses System glaubten für Plasmodium Proteinsynthese als vorteilhaft, als Plasmodium fehlt auch Glykosylierung Übersetzungs- Änderung ^29. Der HeLa-Zell-freien Transkriptions-Translations-Protokoll ist einfach auszuführen, preisgünstig und Proteine ​​können in 90 min ausgedrückt werden, bereit für die Reinigung und Downstream Applikationen.

Protocol

1. Herstellung von Parasite Zellkulturen, Sammlung von Parasite Pellets Vorbereitung RPMI-1640-HEPES Medien durch Zugabe von 10 g RPMI-1640-Pulver, 66 mg Gentamicinsulfat, 2 g Natriumbicarbonat, 5,9 g HEPES-Puffer, 50 mg Hypoxanthin und 3,8 g Dextrose in 1 l sterilem dH 2 O. Mischen Sie mit Hilfe der Tabelle Magnetrührer, bis das Pulver löst sich in 1 L destilliertem Wasser. Zuführen Mikrofiltration von Medien unter Verwendung von 0,22 um Filter. Lagern Sie das Material in sterile Flaschen. </li…

Representative Results

Validierung der exprimierten rekombinanten Proteine ​​durch Reaktivität mit spezifischen Antikörpern ist ein wichtiger erster Schritt bei der Bestätigung der korrekten Faltung der exprimierten Proteine. Rekombinanten Malaria-Proteine ​​wurden mit dem einen Schritt und zwei Schritt in vitro menschliche Zelle frei Expressionssystemen exprimiert. Die rekombinanten Proteine ​​werden gereinigt Ni-Chelat-Affinitäts-Verfahren. Dann verwendeten wir Antiseren gegen ganze Merozoiten Rhoptrien in Western-Blotting v…

Discussion

Die wichtigsten Schritte zur erfolgreichen Expression von Proteinen unter Verwendung von zweistufigen in vitro menschliche Zelle frei Expressionssystem und Reinigung sind: 1) eine erfolgreiche Amplifikation und Klonierung von Genen in pT7CFE-ChiS Plasmidvektor; 2) Transkription RNA bei 30 ^o C; 3) Übersetzung von Protein bei 30 ° C in Gegenwart von RNAse-Inhibitor; 4) Entwicklung der Affinität basiert Reinigungsprotokoll mit Harzkügelchen mit Ni und 5 beschichtet) Analyse der Ergebnisse auf Western-Blot un…

Materials

Two-step in vitro human cell free expression system	Thermo fischer	88856	Discontinued. Always store at -80oC. Do not thaw in warm water
One-step in vitro coupled translation system	Thermo fischer	88860	Always store at -80oC. Do not thaw in warm water
ProBond Purification system	Invitrogen	K850-01	Store at room temperature
Probond Nickel-Chelating Resin	Invitrogen	R801-01	Store at 4oC.
A+ Human Blood	Interstate Blood Bank		Store at 4oC.