利用适当的翻译后修饰在实验室规模生产真核蛋白仍面临重大障碍。本文提供了一种基于哺乳动物表达系统的蛋白质表达方案,具有建立迅速、周期短的优点。该系统支持氨基酸选择性标记、蛋白质选择性标记以及糖链组成的小分子调节剂。
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利用适当的翻译后修饰在实验室规模生产真核蛋白仍面临重大障碍。本文提供了一种基于哺乳动物表达系统的蛋白质表达方案,具有建立迅速、周期短的优点。该系统支持氨基酸选择性标记、蛋白质选择性标记以及糖链组成的小分子调节剂。
制备具有复杂翻译后修饰的重组蛋白是结构与功能研究中面临的主要挑战之一。通过瞬时转染哺乳动物细胞系实现快速建立并获得高表达量,可有效克服这一障碍,尤其适用于天然经由内质网和高尔基体介导的分泌途径转运的蛋白质表达。本文介绍一种利用人源HEK293F和HEK293S细胞系表达蛋白的方案,该方法采用专为高产量蛋白表达设计的哺乳动物表达载体。该系统的适用性通过三种代表性糖蛋白的表达得以验证,每升培养液可纯化获得95–120 mg蛋白。这些蛋白包括人FcγRIIIa和大鼠α2-6唾液酸转移酶ST6GalI(两者均带有N端GFP融合标签),以及未经修饰的人免疫球蛋白G1 Fc片段。该高效表达系统采用无血清培养基,适用于制备用于质谱和核磁共振波谱结构研究的同位素标记蛋白与糖类。此外,通过添加小分子化合物可调控N-聚糖的组成,以阻止特定的糖链修饰,且不影响蛋白表达产量。
要获得大量正确折叠且经过适当翻译后修饰的人类蛋白质,以进行结构与功能的详细分析,仍然是一个重大挑战。目前已有多种表达系统可用于生产具有天然样功能和行为的重组蛋白。其中,细菌表达系统(主要是大肠杆菌Escherichia coli菌株)由于其操作简便,成为科研领域中最易获取且最常用的工具,尽管也已有酵母、植物、昆虫和哺乳动物表达系统的相关报道1-4。然而,这些系统中的大多数无法对目标蛋白进行恰当的翻译后修饰。Barb 和 Moremen 实验室的一个核心研究兴趣是生产具有正确糖基化修饰的真核蛋白。许多人类蛋白需要正确的糖基化才能发挥正常功能(见5)。
真核生物的糖基化机制十分复杂,能够进行多种修饰,包括天冬酰胺(N)连接和丝氨酸/苏氨酸(O)连接的复杂聚糖6。据估计,超过>50%的人类蛋白质具有N-糖基化修饰7。聚糖是许多蛋白质的重要组成部分,例如治疗性单克隆抗体、促红细胞生成素以及凝血因子IX等。尽管目前已存在多种制备适当N-糖基化蛋白质的方法,范围从完全化学合成8-10、化学-酶法合成11-14,到从基因工程重组系统中回收获得15-20,但毫不意外的是,人类表达系统迄今为止仍被证明是生成人源蛋白质最可靠的方法。
许多治疗性人类糖蛋白是利用哺乳动物细胞的重组系统生产的。常用的系统包括中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、小鼠骨髓瘤(NS0)细胞、幼年仓鼠肾(BHK)细胞、人胚胎肾(HEK-293)细胞以及人视网膜细胞系,这些细胞系可通过贴壁培养或悬浮培养用于蛋白质生产4,21,22。然而,哺乳动物蛋白表达系统需要建立稳定细胞系,使用昂贵的培养基,并依赖基质辅助的转染方法23。
借助多种试剂可实现哺乳动物细胞转染,这些试剂包括磷酸钙24,25、阳离子聚合物(DEAE-葡聚糖、聚凝胺、聚赖氨酸、聚乙烯亚胺(PEI))或带正电荷的阳离子脂质体26-29。PEI 是一种多聚阳离子、带电荷的线性或支化聚合物(25 kDa)26,可与 DNA 形成稳定的复合物,并通过内吞作用进入细胞。当内体酸化后,PEI 被认为会膨胀,导致内体破裂,从而将 DNA 释放到细胞质中26,30。
直到最近,悬浮培养中的瞬时转染仍需先形成DNA/PEI复合物,再将其加入细胞培养物中29。然而,Würm及其同事报道了一种在HEK293细胞中优化用于重组蛋白表达的高效方案,该方案在细胞培养体系中就地(in situ)形成DNA/PEI复合物31,32。这种方法避免了复合物的预先制备、灭菌以及缓冲液置换至培养基的步骤。通过进一步优化,加入可增强表达的质粒,显著提高了表达产量33。本文所述方法在此基础上发展而来,具有广泛的适用性。此外,还可通过改变表达条件来影响N-糖链的组成。
HEK293S 细胞系携带一个基因缺失,可使 N-聚糖的加工过程停滞在中间阶段,从而表达出具有均一 N-聚糖的蛋白质,其结构包含 2 个 N-乙酰葡糖胺残基和 5 个甘露糖残基(Man5GlcNAc2)34,35。这些细胞缺乏 N-乙酰葡糖胺基转移酶 I(GntI)基因,而该基因是下游 N-聚糖加工所必需的36,37。使用糖基转移酶抑制剂(包括千金藤素、唾液酸类似物、岩藻糖类似物 2-脱氧-2-氟-岩藻糖)也可产生类似效果,限制 N-聚糖的加工过程38-41。
本方案采用如图142,43所示的pGEn2载体,通过PEI辅助的瞬时转染法将质粒转入哺乳动物细胞系(HEK293F或HEK293S细胞),并获得大量正确糖基化的蛋白产物。该系统具有良好的稳定性,可适用于多种因素的调控,包括同位素标记和糖链工程,以实现高滴度重组蛋白的生产。
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本方案适用于使用HEK293F或HEK293S细胞进行表达。
1. 细胞建立
2. 准备转染所需材料
3. 建立瞬时转染
4. 蛋白质纯化
5. 通过SDS-PAGE分析蛋白质
6. 质谱法分析糖类
7. 特殊情况下的方案调整
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高水平的蛋白表达与纯度
该优化表达系统可高效产出糖基化蛋白。图中展示了IgG1-Fc表达的典型模式(图1)。在此情况下,第0天为转染日,随后为第1天(稀释)及持续培养至第5天。通过粗培养基中的可溶性表达组分分析蛋白表达。在第1天观察到极少量的蛋白表达,因为培养物稀释后3小时即取样。若使用GFP标记的蛋白,则可通过培养基中明显的绿色更直观地观察表达情况。从第2天到第5天,GFP-FcγRIIIa和GFP-ST6GalI的表达均呈现此类上升趋势。在第4天与第5天之间未观察到表达量的显著增加。第5天时,细胞被 <50% 存活率,因此收获培养物以限制蛋白水解。使用 Protein A 柱对 IgG1 Fc 进行亲和纯化,或使用镍柱对 GFP-FcγRIIIa 进行亲和纯化,均获得高纯度蛋白(>99%; 图2),产率(表1)以及完全的糖基化(数据未显...
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本方案通过瞬时转染HEK293F或S细胞来实现蛋白表达。Barb和Moremen实验室建立的最优转染条件,采用细胞密度与试剂浓度的关键组合,以实现高效的转染效果。实施本方案时需考虑的关键因素包括:转染前维持稳定的细胞培养状态(保持一致的细胞倍增时间);转染时使用生长活跃的细胞(通过在转染前24小时将细胞稀释至1 × 106 个细胞/ml获得),且细胞活力需高于95%;转染时的细胞密度应为每毫升2.5–3.0 × 106 个活细胞,细胞活力>95%(即转染密度),培养体系中含90%培养基A和10%培养基B;DNA的加入应先于PEI,两者的终浓度分别为3 μg/ml和9 μg/ml31;转染后24小时,用含有4.4 mM丙戊酸的培养基将培养物按1:1稀释,使稀释后培养物中丙戊酸浓度为2.2 mM;随后在37 °C、8% CO2条件下,于湿润摇瓶中继续培养4–5天以进行蛋白生产阶段。本文所述载体经过优化,是可溶性蛋白表达系统的一个重要特征32,42。
如果目标蛋白未能表达...
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所有作者声明本稿件不存在竞争性经济利益。
本工作获得了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助项目 K22AI099165(AWB)、P41GM103390(KWM)和 P01GM107012(KWM),以及爱荷华州立大学罗伊·卡弗生物化学、生物物理与分子生物学系(Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics & Molecular Biology at Iowa State University)资金的支持。本研究内容仅由作者负责,不一定代表NIH的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生物安全柜 | NuAire, Inc. | CellGard ES NU-S475-400 | II级A2型生物安全柜 |
| 恒温振荡培养箱 | INFORS HT | Multitron Cell | |
| 培养基A:FreeStyle表达培养基 | Life Technologies | 12338-018 | |
| 培养基B:ExCell 293无血清培养基 | SIGMA | 14571C | |
| 125 mL带通气盖的锥形瓶 | Corning Incorporated/Life Sciences | 431143 | |
| 250 mL带通气盖的锥形瓶 | Corning Incorporated/Life Sciences | 431144 | |
| FreeStyle HEK 293F细胞 | Life Technologies | R790-07 | |
| 1 mL一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-676-10B | |
| 10 mL一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-676-10J | |
| 25 mL一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-676-10K | |
| 移液器(Pipet-Aid XP) | Drummond Scientific | 161263 | |
| 台盼蓝溶液 | Thermo Scientific | SV30084.01 | |
| 细胞计数板 | Bio-Rad | 145-0011 | |
| TC20全自动细胞计数仪 | Bio-Rad | 145-0102 | |
| 聚乙烯亚胺(PEI) | Polysciences Inc. | 23966 | 用含25 mM 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES)和150 mM NaCl(pH 7.5)的缓冲液配制浓度为1 mg/mL的储存液。完全溶解PEI后,经0.22 μm针头滤器除菌,于-20 °C保存。 |
| 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES) | EMD Chemicals Inc. | 7365-45-9 | |
| 25 mm针头滤器,0.22 μm | Fisher Scientific | 09-719A | |
| 三羟甲基氨基甲烷(Tris碱) | Fisher Scientific | BP152-1 | |
| XL1-Blue | Stratagene | 222249 | |
| 胰蛋白胨 | Fisher Scientific | BP1421-2 | |
| 酵母提取物 | Fluka Analytical | 92144 | |
| 氯化钠 | BDH chemicals | BDH8014 | |
| 质粒纯化试剂盒 | QIAGEN | 12145 | |
| 丙戊酸(VPA) | SIGMA | P4543 | 用水配制220 mM 的储存液,经无菌0.22 mm滤器过滤除菌后,于-20 °C保存 |
| 离心机 | Thermo Scientific | EW-17707-65 | |
| 蛋白A-Sepharose柱 | SIGMA | P9424 | |
| Ni-NTA superflow | QIAGEN | 30430 | |
| 3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS) | Fisher Scientific | BP308-500 | |
| 甘氨酸 | Fisher Scientific | BP381-500 | |
| 10 kDa截留分子量Amicon®超滤离心管 | Millipore | UFC901096 | |
| 十二烷基硫酸钠 | ALDRICH | L3771 | |
| β-巯基乙醇 | ALDRICH | M6250 | |
| 甘油 | SIGMA | G5516 | |
| Precision Plus Protein All Blue标准蛋白 | Bio-Rad | 161-0373 | |
| 冰乙酸 | Fisher Scientific | 64-19-7 | |
| 考马斯亮蓝 | Bio-Rad | 161-0406 | |
| MALDI-TOFMS Voyager-DE PRO | Applied Biosystems | ||
| 15N标记的L-酪氨酸 | ALDRICH | 332151 | |
| 15N标记的L-赖氨酸 | ALDRICH | 592900 | |
| 未标记的L-苯丙氨酸 | SIGMA-ALDRICH | P2126 | |
| 13C6-葡萄糖 | ALDRICH | 389374 | |
| 2-脱氧-2-氟-L-岩藻糖 | SANTA CRUZ Biotechnology | sc-283123 |
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An erratum was issued for: High Yield Expression of Recombinant Human Proteins with the Transient Transfection of HEK293 Cells in Suspension. The Authors section was updated. from:
Ganesh P. Subedi1
Roy W. Johnson2
Heather A. Moniz2
Kelley W. Moremen2
Adam Barb1
1The Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology, Iowa State University
2Complex Carbohydrate Research Center, University of Georgia
to
Ganesh P. Subedi1
Roy W. Johnson2
Heather A. Moniz2
Kelley W. Moremen2
Adam W. Barb1
1The Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology, Iowa State University
2Complex Carbohydrate Research Center, University of Georgia