哺乳动物细胞表达系统

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启动子需包含两个识别序列:mRNA转录起始点和TATA 盒。TATA盒位于转录起始位点上游25--30bp处,是引导 RNA聚合酶在正确起始位点转录所必需的序列,即保证转 录的精确起始。其他上游启动子元件常位于TATA盒上游 100~200bp之间,其功能是调节转录的起始频率和提高转 录效率。
真核表达载体-启动子
高等哺乳动物受体细胞的条件
以高效表达外源基因为目标的高等哺乳动物受体细胞应具 备以下条件: 细胞系特征:丧失细胞接触抑制和锚地依赖特征,便于大 规模培养。 遗传稳定性:外源基因多次传代后不至于丢失,易于长期 保存。 合适的标记:便于转化株的筛选和维持。 生长快且齐:分裂周期短,生长均一,便于控制。 安全性能好:不合成分泌致病物质,不致癌。
XGPRT和成 GMP
腺嘌呤核苷脱氨酶
腺嘌呤木酮糖苷 ADA-灭活Xyl-A
宿主细胞
常用的非淋巴细胞类有中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、小仓鼠 肾(BHK)细胞、COS细胞、小鼠NSO胸腺瘤细胞和小鼠骨 髓瘤SP2/0细胞等。
不同宿主细胞表达的重组蛋白其稳定性和蛋白糖基化类型 不同,需根据要表达的目的蛋白选择最佳的宿主细胞。
启动子和增强子受细胞类型的限制,在不同的细 胞系中有很大不同,因此需根据宿主细胞的类型 选择不同的启动子和增强子以便于目的基因的高 效表达。
目前常用的强启动子包括人巨细胞病毒早期启动 子(CMV-IE)、人延伸因子1-亚基启动子和Rous肉 瘤长末端重复序列;Invitrogen公司开发的pcDNA、 pEF和pRL三种系列载体即分别是以这三种启动子 驱动目的基因的表达。
真核表达载体-启动子
另一类杂合启动子是由活性很低的启动子与数个转录激活 因子结合位点串联而成,这些位点与转录激活因子的结合 受细胞外小分子药物的调控;这类启动子主要用作基因的 诱导表达。
如Invitrogen公司的ecdysone(脱皮激素)诱导表达系统, 其负责目的基因转录的启动子是由热休克蛋白启动子核心 序列(minimal promotor)和5个E/GRE元件组成;
哺乳动物细胞表达系统的表达水平从整个水平上看仍偏低, 一般处在杂交瘤细胞单克隆抗体蛋白产率的下限,即130μg/l08细胞/24小时。其限速步骤可能是在工程细胞中重 组蛋白的分泌效率较低。
一、稳定表达细胞系的筛选
构建目的基因的表达载体。 确定受体细胞。 确定筛选方法(抗生素的使用浓度)。 转染后48h,传代铺板 (1 : 100) ,加筛选药物。 3-4d换液1次,直至存活细胞长出岛状细胞簇,约2周。 克隆耐药细胞,检测目基因的存在与表达。
Pei等用该细胞株表达分泌型的基质金属蛋白酶MMPI3,发现 高表达的阳性细胞克隆可占转染细胞的5%~l0%,其中一个 克隆的表达量可占细胞上清总蛋白的l5%~20%,在细胞单层 贴壁培养情况下表达量达10 mg/L。
对细胞株选择性地进行遗传改造
BHK/vl6细胞株是稳定表达单纯疱疹病毒(HSV)VP16蛋白 的BHK细胞,由于VP16的转录激活作用,载体中的HSV 早期启动子在该工程细胞中有很高的活性。
宿主细胞
猴肾细胞(COS)是进行外源基因瞬时表达时用途最广的 宿主,其重组载件易于组建,便于使用,而且对插入DNA 的量或者采用基因组DNA序列的情况都没有什么限制,便 于通过检测表达情况来确证cDNA的阳性克隆,也利于快 速分析引入克隆化cDNA序列中的突变。
宿主细胞
近几年也陆续发现了几种新的有较大应用价值的细胞株:如 来源于MadIin-Darby犬肾的高分化内皮细胞株(MDCK)。
dhfr还可作为共扩增基因使外源基因的表达产物增加。当 培养基中逐渐增加氨甲蝶呤(MTX)的浓度时,随着细胞对 MTX抗性的增加。dhfr基因与外源基因均明显扩增。
据文献报道,在不断提高的选择压力下,dhfr及侧翼序列 能扩增至上千个拷贝,大大增加目的基因的表达水平。
真核表达载体-启动子
外源基因在哺乳动物细胞中的表达与多种因素有关,主要 是启动子和增强子的强弱以及它们之间的搭配。
高等哺乳动物受体细胞的遗传标记
遗传标记 编码产物
筛选药物
作用机理
APH-
氨基糖苷磷酸转移酶 G418
APH灭活G418
DHFR HPHTK-
二氢叶酸还原酶 潮霉素B磷酸转移酶 胸腺嘧啶核苷激酶
氨甲喋呤 潮霉素B 氨甲喋呤
DHFR变体抗氨 甲碟呤
HPH灭活潮霉素 B
TK合成TMP
XGPRTADA-
黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖 霉酚酸 转移酶
二、哺乳动物细胞表达系统
(一)宿主细胞 (二)表达载体的构建 (三)表达细胞株的基因共圹增和筛选方法 (四)可调控的哺乳动物细胞表达系统
高等哺乳动物受体细胞
高等哺乳动物细胞的生长特性 高等哺乳动物受体细胞的条件 高等哺乳动物受体细胞的遗传标记 常用的高等哺乳动物受体细胞
高等哺乳动物细胞的生长特性
正常的哺乳类动物细胞具有下列四大生物学特征: 锚地依赖性:细胞必须附在固体上或固定的表面才能生长分裂 血清依赖性:细胞必须具有生长因子才能生长 接触抑制性:细胞与细胞接触后,生长便受到抑制 形态依赖性:细胞称扁平状,并有长纤维网状结构
上述特征使得正常的哺乳动物细胞在体外培养中,一般只能存 活50代且在培养皿上以平面的形式生长,即单层细胞生长。有 时,正常细胞会改变某些特征而越过生理临界点,继续增殖并 无限制分裂,这种状态称为细胞系形成,此时的细胞成为细胞 系。
据报道红细胞生成素启动子在1%氧浓度比在21%氧浓度下活 性增强100倍。这又是一种新的提高表达量的作用机制。
真核表达载体-增强子
常用的增强子有Rous肉瘤病毒基因长末端重复序列和人巨 细胞病毒增强子。
James等利用糖皮质类固醇诱导的鼠乳房瘤病毒(MMTV)启 动子和鼠乳房瘤病毒长末端重复序列(MMTV-LTR),在 CHO细胞中表达分泌的碱性磷酸酶,产量为利用常规的 SV40和 CMV启动子的10倍,超过0.4mg/ml。
转录终止序列
真核基因的hnRNA的加工过程需要PolyA信号,在目的基因 3’端加上PolyA,表达水平提高10倍以上。 SV40的早期和晚期PolyA. 牛生长激素基因PolyA. 人工合成PolyA.
IRES
IRES(internal Ribosome entry site)内部核糖体切入 位点,可从一个mRNA翻译二个ORF。
对细胞株选择性地进行遗传改造
对细胞其它特性的遗传改造,包括细胞生长周期 的调控、细胞的抗凋亡能力、细胞贴壁能力、蛋 白糖基化的模式等方面,亦有相关报道,其实际 应用价值有待得到更多实验数据的支持。
真核表达载体
哺乳动物细胞表达载体的必要元件包括:一个高活性的启 动子、转录终止序列和一个有效的mRNA翻译信号。
内含子
某些内含子有重要的基因功能调控序列,目的基因以基因 组形式克隆入载体能得到高表达。
为增加转录产物的稳定性,表达载体中一般含有天然的或 人工合成的内含子序列。
mRNA前体的剪切能够促进mRNA 从胞核向胞质的运输。 外显子和内含子接头 每个外显子和内含子接头区都有一
段高度保守的一致序列(consensus sequence),即内含子 5’末端大多数是GT开始,3’末端大多数是AG结束,称为 GT-AG法则,是普遍存在于真核基因中RNA的识别信号。
因而可通过控制 tet 的浓度来控制基因表达的水平。
▪ 应用于研究基因不同水平的表达对细胞,个体发育的影响
有何不同。
作用机制示意图
四环素调控表达系统构成元件
▪ 四环素阻遏子(Tet repressor protein,TetR) ▪ 四环素操纵子(Tet operator DNA Sequence, TetO) ▪ 单纯疱疹病毒Vp16转录活化区(Vp16 activation domain,AD) ▪ 四环素调控反式激活子(Tetracyeline-Controlled
IRES位于小RNA病毒RNA5’非编码区, 约为450bp。 IRES可与它连接的ORF同时翻译,构建双顺反子和 多顺反子真核表达载体。
分泌表达载体
可调控的哺乳动物细胞表达系统
四环素(tet)调控表达系统
▪ 加入或撤除四环素和四环素衍生物来调控基因表达。 ▪ 外源基因表达的水平与所加的 Tc 浓度在一定范围内相关,
原核DNA序列,包括能在大肠杆菌中自身复制的复制子,便 于筛选含重组细菌的抗生素抗性基因,以及便于目的基因 插入的限制性酶切位点。
可视实验需要加入标志基因、内含子、内部核糖体进入位 点等。
真核表达载体
常用的标记基因有胸腺激酶(tk)基因、二氢叶酸还原酶 (dhfr)基因、新霉素(neo)抗性基因、氯霉素乙酰基转移酶 (cat)基因等
哺乳动物细胞表达系统
动物基因工程原理
特点与优势
哺乳动物细胞表达系统的优势在于能够指导蛋白 质的正确折叠,提供复杂的N型糖基化和准确的O型 糖基化等多种翻译后加工功能,因而表达产物在分 子结构、理化特性和生物学功能方面最接近于天然 的高等生物蛋白质分子。
应用领域
哺乳动物细胞表达系统已成为多种基因工程药物 的生产平台。
Clontech公司开发的Tet-off系统中的启动子则由CMV启动 子的核心序列和7个Tet阻遏蛋白结合位点组成。
这些启动子在诱导前后活性可相差4个数量级。
真核表达载体-启动子
在哺乳动物细胞中已发现存在大量在低氧环境中可诱导转录 的基因,如编码红细胞生成素(EPO)、转铁蛋白、血红素加 氧酶-1等的基因,它们都有一个共同的顺式作用元件 (CGTG ),有利于在5’或3’侧翼区的低氧诱导作用因子1(HIF-1)和低氧反应增强子(HRE)结合,激活靶基因的转录, 在低氧浓度下可使重组蛋白大量表达。
哺乳动物细胞表达系统在新基因的发现、蛋白质 的结构和功能研究中亦起了极为重要的作用。
研究现状
部分蛋白在哺乳动物细胞中的表达已从实验室研究迈向生 产或中试生产阶段。
已有许多重要的蛋白及糖蛋白利用哺乳动物细胞系统表达 和大量制备、生产。如人组织型血纤蛋白酶原激活因子、 凝血因子Ⅷ、干扰素、乙肝表面抗原、红血球生成激素、 人生长激素、人抗凝血素Ⅲ,集落刺激因子等。
常用的高等哺乳动物受体细胞
迄今为止,用于医疗用品(药物、抗体、诊断试剂)大规 模生产的高等哺乳动物受体细胞主要还是中国仓鼠卵巢细 胞(CHO),其优势有如下几个方面: 遗传背景清楚,生理代谢稳定 与人的亲缘关系接近,外源蛋白修饰准确 基因转移和载体表达系统完善 耐受剪切力,便于大规模培养 被美国FDA确认为安全的基因工程受体细胞
真核表达载体-启动子
构建杂合的启动子是获得新启动子的一个重要途径。
比如由人ubiquitin C启动区序列与CMV增强子组成 的杂合启动子、由SV40早期启动子和人I型T淋巴 细胞病毒LTR中的增强子序列(R-U5片段)组成的 SR-α启动子的活性均与CMV-IE相当;
由鸡β-肌动蛋白启动子和CMV增强子序列构成的 杂合启动子不仅活性比CMV—IE高,而且具有更 为广谱的宿主细胞范围。Novagen公司的pBacMam 表达系统即是以该杂合启动子驱动目的基因的转录。
已用该细胞株获得了包括人组织纤溶酶原激活剂、生长因ຫໍສະໝຸດ Baidu子等在内的多种蛋白的高效稳定表达。
对细胞株选择性地进行遗传改造
基于腺病毒EIA蛋白可反式激活CMV启动子,Cockett等建 立了稳定表达EIA的CHO细胞株,在该细胞中重组前胶原 酶的产量与CHO细胞相比增加了l2倍;该细胞在多种抗体 的表达中亦取得满意的结果。
真核表达载体-启动子
近年来又发现了一些新的强启动子,如:人 leukosialin基因启动子和鼠3-磷酸甘油激酶l (PGKI) 基因启动子,活性与CMV-IE相当。
人泛素蛋白(ubiquitin)C基因启动子不仅具有较高 的活性,而且比CMV-IE、PGK1等启动子有更广 泛的宿主细胞范围,几乎在转基因小鼠的所有组 织细胞中都具有较高活性。
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