Baculovirüs ekspresyon vektör sistemi (BEVS), biyokimyasal, biyofiziksel ve yapısal çalışmalarda kullanılacak protein arginin metiltransfenazlarının (PRMT) ekspresyon taraması ve üretimi için sağlam bir platformdur. Milligram miktarda malzeme, ökaryotik bir ifade platformu gerektiren PRMT’lerin ve diğer ilgi proteinlerinin çoğunluğu için üretilebilir.
Protein arginin metiltransfenazlar (PRMTs) çok sayıda hücresel işlemde rol oynayan çok çeşitli proteinler üzerinde metillat arginin kalıntıları. PRMT’ler simetrik veya asimetrik olarak mono veya dimetilit arginin guanidino grupları olabilir. Bu proteinlerin enzmolojisi, miligram miktarlarda yüksek kaliteli rekombinant protein gerektiren karmaşık ve yoğun bir şekilde araştırılan bir alandır. Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) ve Spodoptera frugiperda 9 (Sf9) böcek hücrelerini kullanan baculovirus ekspresyon vektör sistemi (BEVS), PRMT 1, 2 ve 4 ile 9 arasında birçok PRMT’nin ekspresyon taraması ve üretimi için kullanılmıştır. Etki alanları ve kesilmiş parçaların yanı sıra tam uzunlukta proteinler de dahil olmak üzere bu proteinlerin birden fazla yapılarının ifadesini aynı anda taramak için, 24 ve 96 kuyu plakaları ve blokları ile birlikte ayarlanabilir ve programlanabilir çok kanallı pipetler kullanarak ölçeklenebilir yöntemler uyguladık. Genel olarak, bu yöntem ayarlamaları büyük ölçekli bir bakteri DNA’sı, rekombinant virüsler ve protein ekspresyon taramasının üretilmesini sağladı. Yüksek dolu hacimli Sf9 hücre süspansiyonu ile kültür gemilerinin kullanılması, tek parti büyük ölçekli protein üretimi için üretim boru hattındaki alan sınırlamalarının aşılmasına yardımcı oldu. Burada, biyokimyasal, biyofiziksel ve yapısal çalışmalar için fonksiyonel PRMT’lerin verimli ve uygun maliyetli ekspresyosu için ayrıntılı protokoller açıklıyoruz.
Protein arginin metiltransfenazlar (PRMT’ler) monometrik veya simetrik/asimetrik dimetil tarzında metillat arginin kalıntıları. Tekrarlayan RG/RGG/GRG dizileri çoğu PRMT tarafından çok tercih edilir ve çok çeşitli proteinlerde bulunur1,2. Histonlar veya transkripsiyon faktörleri ve birleştirme faktörleri gibi arginin metillenmiş proteinler transkripsiyon, birleştirme ve kromatin yapısını düzenler3,4. PRMT’lerin substrat ve kofaktör kullanımı, cirosu ve kinetiğinin çeşitli düzenlenmesi ve seçici inhibitörlerin üretimi hakkında artan bilgi, bu enzimlere ve komplekslerine mekanistik ışık tutmaktadır5,6. Ancak, tüm PRMT aile üyeleri aynı ölçüde çalışılmamıştır; örneğin, PRMT9’un PRMT ailesinin bir üyesi olduğu yeni keşfedildi1. Bu proteinler için yapı ve enzim fonksiyon çalışmaları yeterli, genellikle miligram, miktarlarda rekombinant proteinin mevcut olmasını gerektirir.
Escherichia coli (E. coli) prokaryotik ifade sistemi genellikle belirli bir protein7,8,9için birden fazla yapı kullanılarak ifade taraması için ilk tercihtir. Bununla birlikte, E. colibazlı ekspresyon, özellikle PRMT5 ve PRMT7 için belirttiğimiz gibi, aktif formlarında her zaman yeterli miktarda PRMT proteini ile sonuçlanmamıştır (aşağıya bakın). Böylece E. coli’de ifade edemeyen veya ökaryotik ekspresyon makineleri tarafından üretilmesi gereken PRMT’ler alternatif baculovirüs ekspresyon vektör sisteminde (BEVS) ekspresyon taramasına uygun vektörlere alt kavun haline getirildi. E. coli PRMT1, PRMT3 ve PRMT8 örneklerini in vitro tahliller ve kristalografi için yoğun olarak kullanırken, çift metiltransfenaz alanının MEP50 bağlayıcı ortağı gerektiren PRMT5 ve PRMT7 ve 9 gibi PRMT’ler gibi diğer PRMT’ler yeterli miktarda aktif protein elde etmek için böcek hücresi ekspresyonunu gerektirir. Genel olarak, PRMT4, 5, 6, 7 ve 9 için standartlaştırılmış orta verimli metiltransfenaz tahlilleri BEVS’i böcek hücrelerinde kullanmıştır6. Baculovirüs ekspresyon vektör sistemi (BEVS), biyokimyasal, biyofiziksel ve yapısal çalışmalar için gerekli olan çeviri sonrası modifikasyonları sağlayan ökaryotik ekspresyon makineleri gerektiren rekombinant proteinler üretmek için çok yönlü bir platformdur10,11,12. Birkaç BEVS, 1983’te protein ekspresyonu için bildirilen ilk baculovirüs kullanımından bu yana ticari olarak kullanılabilir halegelmiştir 13. Bu protokollerin çoğu, ifade plazmidinin böcek hücrelerine aktarılması için farklı stratejiler kullanmaktadır. Bunlar Bac-to-Bac, flashBAC, BaculoGOLD Bright, BacVector-3000, BacMagic, BacPAK, vb. Protokolümüz, BEVS’te en sık kullanılan sistem olan Bac-to-Bac sistemi14’edayanmaktadır, ilgi proteinini kodlayan geni / cDNA kodlamasını (POI, burada PRMT’ler) meydana özgü bir E. coli suşunda tutulan baculovirüs genomuna aktarmak için tasarlanmıştır15.
Kısaca, ilgi genini içeren plazmid transfer vektörü, rekombinant viral bacmid DNA’sı oluşturmak için DH10Bac E. coli yetkin hücrelerine dönüştürüldü. Daha sonra yandaş Sf9 hücrelerine bacmid DNA’sı bulaştı. Transfeksiyondan dört ila beş gün sonra, hücre kültürü ortamına salgılanan ilk rekombinant baculovirüsler kurtarıldı ve P1 virüsü olarak etiketlendi. P1 baculovirus stokları daha sonra virüs amplifikasyonu (yani P2 baculovirus stoklarının üretimi) ve protein ekspresyon taraması için kullanıldı. İfade tarama sonuçlarına dayanarak, proteinin en iyi ifade yapısı için P2 virüsleri tanımlanmış ve büyük ölçekli protein üretimi için baculovirüs ile enfekte böcek hücrelerinin (SCBIIS) süspansiyon kültürlerini oluşturmak için kullanılmıştır. Burada, istenen rekombinant proteinlerin yeterli miktarda elde etmek için daha zaman verimli, uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir metodoloji geliştirme stratejimizi desteklemek için reaktif ve kültür gemisi seçimlerimizin arkasındaki mantığı açıklıyoruz.
Bevs’in böcek hücrelerindeki avantajlarından biri, fosforilasyon, miristosilasyon ve glikosilasyon gibi daha karmaşık modifikasyonları sağlamak için çeviri sonrası modifikasyon makinelerinin yeteneğine odaklanmaktadır. Memeli proteinlerinin yüksek verimli katlama ile birlikte, bu değişiklikler fizyolojik olarak ilgili aşağı akış deneyleri için uygun yüksek miktarda modifiye edilmiş ve katlanmış proteini kolaylaştırır16.
Burada, BACULOVIRUS ekspresyon platformunda BIRDEN fazla PRMT proteini ve büyük ölçekli PRMT protein üretiminin başarılı bir şekilde ifade taranması için kritik unsurları vurgulayan BEVS’in ayrıntılı protokollerini açıkladık: 1) Biyolojik malzemeleri 24 ila 96 arasında aktarmak için düzenli, ayarlanabilir ve programlanabilir çok kanallı pipetlerin kullanılması – bakteri DNA’sı ve virüs üretimi aşamalarında iyi hücre kültürü plakaları ve blokları; rekombinant virüslerin toplanması, rekombinant virüslerin viral hacimlerinin amplifikasyonu ve protein ekspresyon tarama bloklarının hazırlanması. 2) Rekombinant virüslerin üretimi için yüksek performanslı ve uygun maliyetli transfeksiyon reaktifleri. 3) Büyük ölçekli protein üretimi için baculovirüs ile enfekte böcek hücrelerinin (SCBIIC) süspansiyon kültürü. 4) Sf9 süspansiyon kültürünü korumak için yüksek dolgu hacmi 2.8 L Fernbach sallama şişelerinin ve büyük ölçekli protein üretimi için 2.5 L Tunair sallama şişelerinin ve 5 L reaktif şişelerinin kullanımı.
Dönüşüm ve transfection adımları için özel hususlar ve gerekçeler.
Ticari bir protokol bir dönüşüm için 100 μL yetkin hücre kullanılmasını önerse de14, ticari DH10Bac E. coli yetkin hücrelerinin dönüşüm verimliliği 1 x 108 cfu / μg DNA kadar yüksektir, bu nedenle sadece 4 μL kullanırız. Bu, her dönüştürücünün bacmid DNA izolasyonu için izole edilmiş beyaz rekombinant koloniler elde etmesi için yeterlidir. 24 kuyu transfeksiyon plakasındaki yapışan Sf9 hücreleri, Serumsuz Böcek Ortamı’nın 0,5mL’sinde 2 x 10 5 /mL hücre yoğunluğunda tohumlandı. Bu hacim, kuyunun çalışma yüzeyinin eşit olarak kapsamasını sağlamak için yeterlidir. Aynı zamanda, transfeksiyon karışımını çok fazla seyreltmez, bu da transfeksiyon verimliliğini arttırır. Transfeksiyon reaktifleri Sf9 hücreleri için toksik değildir ve ortam değişimi gerekli değildir. Medya değişikliği yerine, hücre büyümesini kolaylaştırmak için transfeksiyon plakasına 4-5 saat sonra %10 (v/v) FBS içeren ek 1,5 mL ortam eklenir. Her iki transfeksiyon reaktifinin transfeksiyon verimliliği yüksektir. Yine de, X-tremeGene 9 ile, transfected hücrelerde enfeksiyon belirtileri (Şekil 2) JetPrime reaktifinden 10-12 saat daha erken görünür, bu nedenle protokollerdeki sonraki adımların çalışma programına bağlı olarak bu reaktifler arasında seçim yapıyoruz, bu da genel süreçte biraz esneklik sağlıyor.
Transfeksiyon plakasından toplanan ve P1 olarak etiketlenen ilk rekombinant virüslerin miktarı protein ekspresyon taraması için kullanılacak sınırlayıcı bir faktörse, protein testi ekspresyon taraması P2 virüsleri ile ayarlanabilir.
Küçük kültür hacimlerinden büyük kültür hacimlerine geçerken dikkat edilmesi gereken noktalar.
Tarihsel olarak, optimal hücre büyümesinin Sf9 hücre bakımı ve ölçek büyütme üretimlerinin süspansiyon kültüründe yüksek bir hava alanı gerektirdiğine inanılmıştır. Bununla birlikte, 2014 yılında, kültür gemilerindeki yüksek hava alanının daha önce düşünülenden daha az kritik olduğu bildirildi17. Sallama platformunun yörünge atışına uygun şekilde ayarlanmış sallama hızı kullanılarak kurulan bir kültür gemisi, küçük hava kabarcıkları oluşturarak ve daha uzun süre koruyarak yüksek dolgu hacimli süspansiyon kültüründe bile yeterli oksijen transferi sağlayacaktır. Bu yaklaşımla, ticari olarak mevcut böcek hücreleri, yüksek hücre canlılığından ödün vermeden hücrelerin iki katına çıkması süresinin normal bir aralığında daha yüksek bir sallama hızında kültürlenebilir.
Böylece 6 yıl önce hücre bakımı sırasında sallanan bir şişede süspansiyon kültürü hacmini artırmaya başladık ve sallama koşullarını ayarlayıp izlerken protein üretimi için farklı bir kültür damarı türü tanıttık (Şekil 6). Bu kültür damarlarında en uygun koşulları sağlamak için, hücre canlılığı, boyutu ve şekli, toplama durumu ve hücrelerin enfekte edilebilirliği ile birlikte hücrenin iki katına çıkması gibi Sf9 hücre kültürü parametrelerini izledik.
Örneğin, Sf9 hücre bakımı için, 2.8 L Fernbach sallama şişelerinde, 27 ° C’de 150 rpm’de sallanan Sf9 süspansiyon hücrelerinin 0.8 L yerine 2 L’yi kültürlüyoruz ve hücre canlılığı çoğu zaman% 99’a yakındır, eşit şekilli sağlıklı bölme hücreleri ile. Ölçek büyütme üretimi için, 25 °C’lik daha düşük bir sıcaklıkta 145 rpm olarak yüksek hızda sallanan 5 L reaktif şişelerde 4 L hücre enfekte ediyoruz. Dahili sallama platformuna sahip en yaygın kullanılan inkübatörler 6 x 2,8 L sallama şişeleri veya 6 x 5 L reaktif şişeleri veya 10 x 2,5 L Tunair sallama şişelerini tutabilir. Bu nedenle, fernbach sallama şişelerini ve reaktif şişelerini damarların yüksek dolum hacmine karşı 1/3’e doldurursak, bir sallama platformunun kapasitesi 4,8 L’ye karşı 12 L’dir ve 2,8 L Fernbach sallama şişeleri ve 5 L reaktif şişeler kullanarak 10 L’ye karşı 24 L’dir (Şekil 6). Süspansiyon hücre kültürü bakımı ve yüksek dolum hacmine sahip kültür gemilerinde ölçek büyütme üretimi, üretim hacimlerindeki sınırlamaların üstesinden gelmemize ve büyük ölçekli bir platform benimsememize yardımcı oldu. Bu nedenle, bu, biyoreaktörlere erişimi olmayan ve/veya üretim boru hatlarında sınırlı alana sahip laboratuvarlar için son derece yararlıdır.
Bu protokol, uygun reçineler kullanılarak ve SGC tarafından yayınlanan PRMT4, 7, 9 ve His etiketli PRMT5-MEP50 kompleksi ve PRMT6’nın Bayrak etiketli tam uzunluktaki proteinleri için6. PRMT protein ailesi için bir BEVS protokolü tarif etsek de, aynı yaklaşım başka herhangi bir protein ailesine de uygulanabilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, Dalia Barsyte-Lovejoy’a makale hakkında değerli geri bildirimler ve eleştirel yorumlar sunmak için zaman ayıran ve Baculovirus Expression Vector System’den ifade edilen PRMT protein ailesi ile çalışan tüm SGC meslektaşlarımıza teşekkür etmek istememektedir.
SGC, AbbVie, Bayer AG, Boehringer Ingelheim’dan fon alan kayıtlı bir yardım kuruluşudur (1097737 numarası), Genentech, Ontario Genomik Enstitüsü aracılığıyla Genom Kanada [OGI-196], Yenilikçi İlaç Girişimi 2 Ortak Girişimi aracılığıyla AB ve EFPIA [EUbOPEN hibesi 875510], Janssen, Merck KGaA (Kanada ve ABD’de EMD), Pfizer, Takeda ve Wellcome Trust [106169/ZZ14/Z].
2.8L Nalgene Fernbach Culture Flask, Polycarbonate, | Nalgene | 29171-854 | For large scale maintenance of suspension culture of Sf9 cells |
24-Well Blocks RB | Qiagen | 19583 | For incubation of 4ml of suspension Sf9 cells for protein expression screening |
4-20 Criterion TGX Gel 26W 15 ul | Biorad | 5671095 | For SDS-PAGe analysis of the purified proteins |
50ml Reagent Reservoir | Celltreat Scientific Products | 229290 | Reservoir used for diluted transfection reagent and Sf9 cells suspension |
96-well cap mat, for use with square well, 2 mL | Greiner Bio-One | 381080 | Used to cover 96 well block |
96 well PCR plate | Eppendorf | 30129300 | |
Bacto agar | BD | 214010 | For LB-agar selection paltes |
Airpore Tape Sheets | Qiagen | 19571 | To cover 24 well blocks for protein expression screening |
Allega X-15R Centrifuge | Beckman Coulter | 392932 | |
Antibiotic Antimycotic (100x) | Gibco | 15240112 | |
Bacmid DNA | in-house | non-catalog item | Bacmid DNA for baculovirus production |
Bluo-Gal, 1g | Thermo Fisher | 15519028 | |
Beckman JLA 8.1000 | |||
Cell Culture Plates, 24-Well, with lid, flat bottom, sterile | Eppendorf | 30722116 | Tissue culture treated plate |
Cell Resuspension Solution 0.5 L | Millipore Sigma | LSKCRS500 | For Bacmid DNA extraction |
Cell Lysis Solution 0.5 L | Millipore Sigma | LSKCLS500 | For Bacmid DNA extraction |
CELLSTAR Tissue Culture Plates, 96 well | Greiner Bio-One | 655180 | For transfection mix |
ClipTip 1250, filter reload, sterile | ThermoFisher Scientific | 94420818 | Tips for programmable and adjustable multichannel pipette |
dNTP Mix (25 mM each) | Thermo Fisher Scientific | R1121 | |
E1-ClipTip Electronic Adjustable Tip Spacing Multichannel Equalizer Pipette, 15 to 1250 μL | ThermoFisher Scientific | 4672090BT | Programmable and adjustable multichannel pipette |
E4 XLS adjustable spacer 6-channel pipette, 20-300 μL | Ranin | LTS EA6-300XLS | Ranin adjustable multichannel pipette |
Filter microplate, 96-well, polypropylene, with 25 µm ultra high molecular weight polyethylene membrane | Agilent | 201005-100 | For protein purification in expression screening |
Full-Baffle Flask Kit Tunair, 2.5L | IBI Scientific | SS-6003C | For large scale protein production in suspension culture of SF9 cells |
Gentamicin 10x10ml | BioShop | 15750078 | |
Heat Inactivated Fetal Bovine Serum | Wisent Biocenter | 080-450 | |
I-Max Insect Media W/ L-Glutamine, 1 L | Wisent Biocenter | 301-045-LL | Serum free insect cells growth medium |
InstantBlue, Ultrafast Protein Stain | Expedeon Protein Solutions | ISB1L-1L | For protein gel (SDS-PAGE) staining |
Iptg, Ultra Pure, Dioxane Free, Min 99.5% | BioShop | IPT001.100 | |
JetPRIME Transfection Reagent Provided with jetPRIME buffer | POLYPLUS TRANSFECTION Inc | 114-01 | For Sf9 cells transfection to generate baculovirus |
Kanamycin Monosulfate | BioShop | KAN201.100 | |
Lb Broth (Lennox), Powder Microbial Gro& | Sigma | L3022-1KG | |
Masterblock 96 deep well 2.4mL | Greiner Bio-One | 780285-FD | Used in the transformation and expression screening procedures |
Max Efficiency DH10Bac Competent Cells , 0.5ml | Thermo Fisher | 10361012 | Competent cells for bacmid DNA generation |
mLINE 12-Channel Pipette, adjustable 30 – 300 uL | Sartorius | Sartorius 725240 | 12 channel pipette |
Neutralization Solution, 0.5 L | Millipore Sigma | LSKNS0500 | For bacmid DNA extraction |
New Brunswick Innova 44R, 120V, orbit 2.5 cm (1 in) | Eppendorf | M1282-0004 | Shaker incubator for incubaion of suspension of Sf9 cells |
Ni-NTA Agarose | Qiagen | 30250 | For protein purification |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Gibco | LS15140122 | |
PYREX Delong Shaker Erlenmeyer Flask with Baffles, Corning 500ml | Pyrex | 4444-500 | For suspension culture of Sf9 cells |
PYREX Delong Shaker Erlenmeyer Flask with Baffles, Corning 125ml | Pyrex | 4444-125 | For suspension culture of Sf9 cells |
PYREX Delong Shaker Erlenmeyer Flask with Baffles, Corning 250ml | Pyrex | 4444-250 | For suspension culture of Sf9 cells |
RedSafe Nucleic Acid Staining Solution | Froggabio | 21141 | |
RNase A, 0.9 mL | Millipore Sigma | LSKPMRN30 | For suspension buffer for bacmid DNA extraction |
Roll & Grow Spherical Glass Plating Beads | MP Biomedicals | 115000550 | For spread of bacterial cells across the surface of an agar plate. |
RT-LTS-A-300μL-768/8 (tips) | Ranin | 30389253 | Tips for ranin multichannel pipette |
S.O.C. Medium | Thermo Fisher Scientific | 15544034 | |
Serum, Cell Culture, Fetal Bovine Serum (Fbs), Hyclone, Characterized Canadian | cytivalifesciences | SH3039602 | Addition to the serum free medim for the transfected cells |
Sf9 cells | Thermo Fisher | 12659017 | Insect cells |
Sfx-Insect Cell Culture Media | Cytiva (Formerly GE Healthcare Life Sciences) | SH3027802 | Serum free insect cells growth medium |
Tape Pad | Qiagen | 19570 | Tape Pad |
Taq DNA Polymerase with ThermoPol Buffer – 2,000 units | New England Biolabs | M0267L | |
Tetracycline Hcl | BioShop | TET701.10 | |
Trypan Blue 0.4% Solution | Gibco | 15250061 | For assessment of cell viability |
VITLAB Reagent Bottles, PP with Screw Caps, PP, BrandTech, 5L | VITLAB | V100889 | For large scale protein production in suspension culture of Sf9 cells |
VWR Digital Mini Incubator | VWR | 10055-006 | Incubator for adherent Sf9 cells |
VWR Incubating Microplate Shaker | VWR | 97043-606 | Incubator for suspension culture of Sf9 cells in 24 well blocks |
VWR Petri Dishes | VWR | CA73370-037 | |
X-tremeGene 9 DNA Transfection Reagent 1.0 M | Roche | 6365787001 | For Sf9 cells transfection to generate recombinant baculovirus |