本文介绍了一种使用HEK293T细胞的低成本颗粒酶表达系统,该系统可产生高产量、高纯度、完全糖基化且具有酶活性的蛋白酶。
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本文介绍了一种使用HEK293T细胞的低成本颗粒酶表达系统,该系统可产生高产量、高纯度、完全糖基化且具有酶活性的蛋白酶。
当细胞毒性T淋巴细胞(CTL)或自然杀伤(NK)细胞识别到肿瘤细胞或被胞内病原体感染的细胞时,会释放其细胞毒性颗粒内容物,以清除靶细胞及胞内病原体。宿主细胞的死亡以及胞内病原体的清除是由颗粒丝氨酸蛋白酶——颗粒酶(Gzms)所触发的。这些颗粒酶通过成孔蛋白穿孔素(PFN)递送至宿主细胞的细胞质中,或通过原核生物膜破坏蛋白颗粒溶素(GNLY)递送至细菌病原体中。为了在实验性的体外(in-vitro)条件下研究Gzms介导的靶细胞死亡的分子机制,需要能够高效表达并纯化大量活性酶的蛋白质表达与纯化系统。哺乳动物分泌型蛋白表达系统具有潜力,可产生正确折叠、功能完整且带有翻译后修饰(如糖基化)的蛋白质。因此,我们采用了一种成本低廉的钙沉淀法,将克隆至表达质粒pHLsec中的人源Gzms瞬时转染至HEK293T细胞中。通过该载体提供的C端多聚组氨酸标签,利用固定化镍亲和层析从细胞培养上清中实现了Gzm的纯化。在蛋白N端插入肠激酶切割位点,可生成具有活性的蛋白酶,最终通过阳离子交换层析进一步纯化。该系统已成功用于高效表达人源细胞毒性颗粒酶A、B和M,理论上也可用于高效表达人体内的几乎所有酶类。
颗粒酶(Gzms)是一类高度同源的丝氨酸蛋白酶,定位于细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和自然杀伤细胞(NK细胞)的特化溶酶体中1。这些杀伤细胞的细胞毒颗粒中还含有膜破坏蛋白PFN和GNLY,在识别到需要清除的靶细胞时,这些蛋白会与Gzms同时释放2,3。人类中有五种颗粒酶(GzmA、B、H、K和M),小鼠中有十种(GzmA–G、K、M和N)。在人类和小鼠中,GzmA和GzmB含量最丰富,也是研究最为深入的两种颗粒酶1。然而,近年来越来越多的研究开始关注其他被称为“孤儿”颗粒酶在健康与疾病状态下介导的细胞死亡通路及其他生物学效应4。
颗粒酶(Gzms)最广为人知的功能是当其通过穿孔素(PFN)递送至靶细胞内时,可诱导哺乳动物细胞发生程序性细胞死亡,尤其是颗粒酶A(GzmA)和颗粒酶B(GzmB)在这方面的作用5,6。然而,近期研究还发现,颗粒酶在细胞外也具有显著影响免疫调节和炎症反应的作用,且该作用不依赖于穿孔素介导的胞质递送7,8。此外,最近研究还发现颗粒酶进入胞质后能有效杀伤的细胞谱系已从哺乳动物细胞扩展至细菌9,10甚至某些寄生虫11。这些新发现为颗粒酶研究开辟了全新的研究领域。因此,一种成本低廉且产量高的哺乳动物表达系统将极大促进未来相关研究的开展。
已成功从细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和自然杀伤(NK)细胞系的颗粒组分中纯化出天然的人、小鼠和大鼠颗粒酶(Gzms)12-14。然而,据我们观察,此类纯化技术的产量通常低于每升细胞培养物0.1 mg(未发表观察结果及12)。此外,通过层析方法将单一Gzm与其他共存于颗粒中的Gzms或蛋白质分离,以获得无污染的纯品,仍具有挑战性(未发表数据及12,14)。重组Gzms已在细菌15、酵母16、昆虫细胞17以及哺乳动物细胞(如HEK 293细胞)18,19中表达。其中,只有哺乳动物表达系统具备产生具有与天然细胞毒性蛋白完全相同的翻译后修饰的重组酶的潜力。已有研究表明,翻译后修饰与蛋白通过内吞作用的特异性摄取及其在靶细胞内的亚细胞定位密切相关20-22。因此,我们采用pHLsec23(由英国牛津大学Radu Aricescu和Yvonne Jones惠赠)作为Gzm表达的质粒骨架,建立了一种在HEK293T细胞中高效、省时且成本低廉的高产量蛋白表达系统。pHLsec质粒结合了CMV增强子和鸡β-肌动蛋白(Β-actin)启动子,这两种元件在多种细胞系中均表现出最强的启动子活性24。此外,该质粒还包含兔β-珠蛋白(Β-globin)内含子、优化的Kozak序列和分泌信号、Lys-6xHis标签以及poly-A信号。外源基因片段可便捷地克隆于分泌信号与Lys-6xHis标签之间(图1),从而确保缺乏合适N端结构域的蛋白获得最佳的表达与分泌效率。在表达Gzms时,我们用载体提供的分泌信号序列替换其内源性分泌信号,并在其后引入肠激酶(EK)识别位点(DDDDK),以便经EK处理后激活所分泌的Gzms(活性Gzms的N端氨基酸序列为IIGG25)。此外,该方法具有明显优势:HEK293T细胞可在价格低廉的培养基(如Dulbecco改良Eagle培养基,DMEM)中快速生长,且非常适合采用成本较低的磷酸钙转染法进行转染。
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1. 表达质粒 pHLsec-Gzm 的制备
2. 在 HEK293T 细胞中表达颗粒酶
3. 检测颗粒酶活性
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在下文中,我们将完整展示颗粒酶A(GzmA)制备的详细流程,以阐明该方法。我们还成功纯化了颗粒酶B(GzmB)和颗粒酶M(GzmM),在纯化效率和活性方面获得了类似的结果。然而,对于后两者的制备,我们仅展示部分代表性数据。采用本方案从293T细胞中制备的GzmB已在多项已发表的研究中使用,证实其在多种生物学检测体系中具有活性9,29,31-34。
典型的GzmA纯化结果如图2A所示。转染72小时后,通过考马斯亮蓝染色的SDS-PAGE凝胶可检测到明显的Gzm条带,表明转染和表达效率较高,且无需进一步浓缩培养上清液(还原条件下GzmB和GzmM的分子量约为37 kDa;非还原/还原条件下GzmA的分子量分别为约60/34 kDa)。经过IMAC纯化后,样品用肠激酶(EK)处理。与EK处理前的对照样品相比,EK处理后的样品(处理后)出现了明显的条带迁移。随后在S柱上的最终纯化获得了高纯度的Gzm蛋白制剂(GzmA见图2A;GzmB和GzmM见图2B),在考马斯亮蓝...
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颗粒酶A(GzmA)和颗粒酶B(GzmB)的经典且被广泛研究的功能是在穿孔素(PFN)介导其进入细胞质后,诱导哺乳动物细胞发生凋亡1。最近,颗粒酶(Gzms)的细胞毒性作用范围已显著扩展,不仅限于哺乳动物细胞,还包括细菌9,10以及某些寄生虫11。此外,GzmA和GzmB的非经典细胞外功能,以及各种孤儿颗粒酶(orphan Gzms)的生物学意义,目前仍不清楚。因此,本方案所提供的高效、省时且经济的颗粒酶表达与纯化系统,将对未来相关研究提供极大帮助。
该方法的优势主要基于本系统中使用的表达载体pHLsec23。该质粒在大肠杆菌(E. coli)中具有高拷贝数,因而能够实现高效的DNA生产。其增强子/启动子元件在多种细胞系中表现出最强的活性24。该质粒的转录单元内含有一个内含子,而研究表明内含子可使哺乳动物细胞中的基因表达水平提高达100倍37。此外,该质粒还包含Kozak共有序列、优化的分泌信号、Lys-6xHis标签以及poly-A...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了诺华医学-生物学研究基金会和弗里堡大学研究基金(授予 MW)的资助。我们感谢李钊、詹旭和索朗日·哈鲁比·赫斯提供的技术支持,感谢拉杜·阿里切斯库和伊冯·琼斯(英国牛津大学)提供 pHLsec 质粒,以及托马斯·许尔普夫(哈佛医学院)给予的有益讨论。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| TRIzol 试剂 | Invitrogen | 15596-026 | 总 RNA 提取试剂盒 |
| SuperScript II 逆转录酶 | Invitrogen | 18064-014 | |
| Phusion 高保真 DNA 聚合酶 | NEB | M0530L | |
| EndoFree 质粒大提试剂盒 | QIAGEN | 12362 | |
| EX-CELL 293 无血清培养基(用于 HEK 293 细胞) | Sigma | 14571C | |
| DMEM,高糖,含 GlutaMAX 补充物,丙酮酸 | Gibco | 31966-021 | |
| SnakeSkin 透析管,10K 分子量截留值(MWCO) | Thermo Scientific | 68100 | |
| 牛肠来源肠激酶 | Sigma | E4906 | 重组型,≥20 单位/毫克蛋白 |
| HisTrap Excel 5 ml 柱 | GE Healthcare | 17-3712-06 | 镍离子亲和层析柱(IMAC) |
| HiTrap SP HP 5 ml 柱 | GE Healthcare | 17-1152-01 | S 阳离子交换柱 |
| N-α-Cbz-L-赖氨酸硫代苄酯(BLT) | Sigma | C3647 | GzmA 底物 |
| Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl(AAD) | MP Biomedicals | 2193608 _10mg | GzmB 底物 |
| Suc-Ala-Ala-Pro-Leu-p-硝基苯胺(AAPL) | Bachem | GzmM 底物 | |
| 5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB) | Sigma | D8130 | Ellman 试剂 |
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