Method Article
Очистка рекомбинантных белков из растительных систем обычно осложняется растительными белками. В данной работе представлен метод эффективного извлечения и очистки секретируемого рекомбинантного белка из апопласта Nicotiana benthamiana.
Растения являются недавно развивающейся эукариотической системой экспрессии, которая исследуется для производства терапевтических белков. Очистка растений от рекомбинантных белков является одним из наиболее важных этапов производственного процесса. Как правило, белки очищали от общего количества растворимых белков (TSP), и присутствие различных внутриклеточных белков и цитохромов создает проблемы для последующих этапов очистки белков. Более того, большинство терапевтических белков, таких как антигены и антитела, секретируются для получения надлежащего гликозилирования, а присутствие не полностью модифицированных белков приводит к несогласованным структурам антигенов или антител. В данной работе представлен более эффективный метод получения высокоочищенных рекомбинантных белков из апопластического пространства растений. Рекомбинантный зеленый флуоресцентный белок (GFP) секретируется в апопласт Nicotiana benthamiana , а затем экстрагируется методом инфильтрации-центрифугирования. GFP-His из экстрагированного апопласта затем очищается с помощью аффинной хроматографии никеля. В отличие от традиционных методов из TSP, при очистке от апопластов образуются высокоочищенные рекомбинантные белки. Это представляет собой важное технологическое усовершенствование для систем растениеводства.
В настоящее время изучаются различные рекомбинантные терапевтические белки растительного происхождения, включая антитела, вакцины, биоактивные белки, ферменты и малые полипептиды 1,2,3,4,5,6. Растения становятся все более используемой платформой для производства терапевтических белков благодаря их безопасности, низкой стоимости и способности быстро масштабировать производство 7,8. Экспрессия и модификация белка в растительных системах, наряду с очисткой белка, являются критическими факторами, определяющими производительность растительных биореакторов 9,10. Повышение продуктивности растений и получение целевых белков высокой чистоты являются основными задачами, стоящими перед производственными системами на растительной основе11,12.
Субклеточная локализация и модификация рекомбинантных белков зависит от специфического сигнального пептида, кодируемого на N-конце, который нацелен на белок до его конечного назначения в органелле во время экспрессии генов. Рекомбинантные белки предназначены для локализации в апопласте, эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), хлоропласте, вакуоле или цитоплазме на основе их уникальных свойств13. В отношении антигенов и антител предпочтение отдается секретируемым белкам. Перед секрецией белки проходят через ER и Гольджи для правильного сворачивания и посттрансляционных модификаций 14,15,16.
После производства в растениях рекомбинантные белки должны быть очищены от растительных экстрактов. Как правило, белки очищаются от общих растворимых растительных экстрактов, которые содержат большое количество внутриклеточных белков, неправильно свернутых и немодифицированных продуктов, а также цитохромов17. Для удаления примесей растительные экстракты подвергаются обширному фракционированию, включающему рибулоз-1,5-бисфосфаткарбоксилазу/оксигеназу (RuBisCO)-специфическую аффинную хроматографию, осаждение фитатов, осаждение полиэтиленгликоля, а также регулировку температуры и pH18,19. Такие этапы удаления примесей трудоемки и могут ухудшить качество белка.
Компартмент растительной клетки за пределами плазматической мембраны определяется как апопласт, охватывающий клеточную стенку, межклеточные пространства и ксилему20. Водная фаза обычно называется апопластной промывочной жидкостью (AWF). AWF содержит молекулы, секретируемые клетками для регуляции многочисленных биологических процессов, таких как транспорт, метаболизм клеточной стенки и реакции на стресс21,22. В отличие от TSP, молекулярные составляющие AWF менее сложны. Экстракция рекомбинантных белков из AWF может предотвратить контаминацию внутриклеточными белками, неправильно свернутыми продуктами и цитоплазматическими остатками. Вкратце, экстракционный липид поступает в листья через устьица под отрицательным давлением, а AWF собирается путем щадящего центрифугирования23. В то время как выделение AWF широко используется для изучения биологического прогресса внутри apoplast 24,25,26,27, оно не использовалось в системах производства на растительной основе.
Повышение продуктивности растений и получение целевых белков высокой чистоты являются центральными задачами для систем растениеводства28. Как правило, белки очищают от общих растворимых растительных экстрактов, содержащих большое количество внутриклеточных белков, неправильно свернутых и немодифицированных продуктов, а также цитохромов29, которые требуют больших затрат на последующую очистку30. Использование методов экстракции белка AWF для экстракции экзогенных рекомбинантных белков, секретируемых в апопласт, позволяет эффективно улучшить гомогенность рекомбинантных белков и снизить затраты на очистку белков. В данной работе мы используем сигнальный пептид PR1a для обеспечения секреции экзогенного белка в апопластное пространство и представляем подробный метод очистки рекомбинантного белка из AWF N. benthamiana.
1. Подготовка растений N. benthamiana
2. Построение рекомбинантного GFP-HIS
3. Производство GFP-His в N. benthamiana
4. Наблюдение за субклеточной локализацией GFP
5. Извлечение GFP из растения
6. Очистка GFP-His с помощью никель(Ni)-аффинной хроматографии
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполняйте все шаги при температуре 4 °C.
7. Кумасси синий окрашивание белков
8. Вестерн-блоттинг белков
9. Определение концентрации белка
10. Количественное определение белка 31
GFP-His предназначен для секреции в апопластическое пространство N. benthamiana
GFP клонировали в плазмиду pCAMBIA1300 с N-концевым сигнальным пептидом PR1a для секреции и C-концевой His-меткой для очистки, генерируя p35s-PR1a-GFP-His (рис. 1A). Рекомбинантный белок был временно экспрессирован в N. benthamiana, и полоса в 30 кДа была обнаружена с помощью вестерн-блоттинга с использованием антител против His через 3 дня после агроинфильтрации (рис. 1B). Плазмолиз – это лечение листьев с помощью гипертонического раствора для отделения клеточной стенки от клеточной мембраны32. Чтобы определить, находится ли GFP в апопласте, мы использовали 30% сахарозу для проведения плазмолиза листьев. Флуоресцентная микроскопия показала присутствие GFP-His в апопласте (рис. 1C). Белки AWF, экстрагированные вакуумной инфильтрацией-центрифугированием, также содержали GFP-His (рис. 1D). Эти результаты демонстрируют секрецию GFP-His в AWF листьев N. benthamiana , из которых его можно извлечь для последующей очистки.
Очистка белка от AWF
Эффективность экстракции AWF сильно влияет на конечный выход GFP. Основываясь на опубликованных протоколах экстракции AWF 24,25,26,27, мы протестировали различные решения для оптимизации восстановления секретируемых GFP-His. Здесь были исследованы восемь экстракционных растворов: 25 мМ Tris-HCl (pH 7,4), 100 мМ2PO4 (pH 4,5), 50 мМ NaCl (pH 7,1), 40 мМ KCl (pH 7,0), 20 мМ CaCl2 (pH 5,7), 100 мМ PB (pH 7,0), 10 мМ MES (pH 5,6) и ddH2O (pH 7,0). PB извлекал наибольшее количество AWF и GFP-His, превосходя другие решения более чем в 4 раза (рис. 2A, B). Сравнение PB при различных значениях pH показало улучшение экстракции AWF и GFP-His при нейтральных и слабощелочных условиях (pH 6,0, 6,5, 7,0, 7,5 и 8,0; Рисунок 2C,D). Кроме того, сравнивали ПБ с концентрациями 50 мМ, 100 мМ и 150 мМ по эффективности экстракции. Результаты показали, что 100 мМ PB показали максимальную эффективность для восстановления как AWF, так и GFP-His (Рисунок 2E, F).
На основе этих экспериментов по оптимизации был выбран 100 мМ PB с pH 7,0 для крупномасштабной экстракции AWF из N. benthamiana. С помощью этого буфера из апопласта было извлечено 495 мкг общих белков AWF на грамм свежего листового материала (рис. 2G). Экстрагированный AWF содержал 10 г GFP-His (Рисунок 2H), что соответствовало примерно 18% от общего количества GFP-His в TSP (Рисунок 2I). После хроматографии Ni-affinity чистота GFP-His достигла 84,3% от экстракции AWF, что значительно выше, чем чистота 44,9%, достигнутая при экстракции общего растворимого белка (рис. 2J).
Рисунок 1: GFP-His предназначен для секреции в апопласт N. benthamiana. (A) Схема конструкции PR1a-GFP-His в векторе экспрессии растений pCAMBIA1300. (Б) Вестерн-блоттинг с обнаружением продукции GFP-His у N. benthamiana. Здесь было загружено и обнаружено 10 мкл образцов белка. Листья N. benthamiana, одновременно вводимые с ММА, использовали в качестве отрицательного контроля. Тот же объем образцов исследовали и окрашивали с использованием крупных субъединиц растений в качестве контроля нагрузки (С) Конфокальная микроскопия, показывающая субклеточную локализацию GFP-His (зеленый). Листья N. benthamiana были плазмолизированы 30% сахарозой. Белыми пунктирными линиями обозначена плазматическая мембрана. Красными стрелками обозначены GFP-Его накопление в апопласте. (D) Вестерн-блоттинг, демонстрирующий присутствие GFP-His в экстрагированной апопластической жидкости. Здесь было загружено и обнаружено 10 мкл образцов белка. Листья N. benthamiana, одновременно вводимые с ММА, использовали в качестве отрицательного контроля. Сокращения: 35s = 2x промотор вируса мозаики цветной капусты 35s; PR1a = сигнальный пептид, связанный с патогенезом табака 1a; Его = в 6 раз больше его тега; Nos = терминатор нопалинсинтазы. BS = перед плазмолизом; PS = постплазмолиз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Оптимизация метода экстракции белка из AWF. (A-B) Экстракция белков из AWF с использованием различных буферов. Для экстракции белка из AWF были протестированы восемь растворов: 25 мМ Tris-HCl (pH 7,4), 100 мМ2PO4 (pH 4,5), 50 мМ NaCl (pH 7,0), 40 мМ KCl (pH 7,0), 20 мМ CaCl2 (pH 5,7), 100 мМ PB (pH 7,0), 10 мМ MES (pH 5,6) и ddH2O (pH 7,0). Эффективность экстракции анализировали с помощью SDS-PAGE (A), а GFP-His детектировали с помощью вестерн-блоттинга с использованием антител против His (B). (К-Д) Экстракция с использованием ПБ при различных значениях рН. Для экстракции из AWF использовали PB с pH 6,0, 6,5, 7,0, 7,5 и 8,0. Эффективность экстракции определяли с помощью SDS-PAGE (C), а GFP-His определяли с помощью вестерн-блоттинга анти-His антителами (D). (Э-Ж) Экстракция с использованием ПБ в различных концентрациях. Для извлечения из AWF использовали PB в концентрациях 50 мМ, 100 мМ и 150 мМ. Эффективность экстракции анализировали с помощью SDS-PAGE (E), а GFP-His детектировали с помощью вестерн-блоттинга антителами против His (F). (Г-Х) Количественный анализ экстрагированных белков. Белки экстрагировали с использованием 100 мМ PB (pH 7,0). Общий растворимый белок (G) и GFP-His (H) были количественно определены для статистического анализа. i) Статистический анализ доли АЖФ в общем объеме ОФВ. (J) Очистка GFP-His от общего количества растворимых белков N. benthamiana или AWF. Белки экстрагировали с использованием 100 мМ PB (pH 7,0), а GFP-His очищали с помощью Ni-аффинной хроматографии. Очистка была проанализирована с помощью SDS-PAGE. Крайняя правая полоса движения соответствует стандарту 1 μg BSA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Использование растений для производства терапевтических белков в последние годы быстро расширилось 1,2,3,4,5,6. Гены, кодирующие белки, клонируются в векторы экспрессии и доставляются в ткани растений с помощью агроинфильтрации. После производства растительными клетками белки очищаются для последующего применения. Как правило, рекомбинантные белки очищаются из экстрактов TSP. Однако большое количество растительных белков и цитохромов, выделяемых растительными клетками во время экстракции, может препятствоватьочистке. С одной стороны, растительные цитохромы могут закупоривать разделительные колонки, замедляяпроцесс17; с другой стороны, высокораспространенные белки, такие как RuBisCO, трудно удаляются, что снижает чистоту18,19. Эти проблемы становятся более проблематичными, когда целевые белки экспрессируются на низких уровнях. Очистка из AWF позволяет избежать этих проблем, обеспечивая более высокую чистоту (Рисунок 2J).
В то время как экстракция AWF широко используется в биологии растений 24,25,26,27, она редко используется в молекулярном сельском хозяйстве. Здесь мы используем растительную модель GFP для демонстрации очистки белка на основе AWF. Экстракцию GFP из AWF проводили путем добавления сигнального пептида, позволяющего секреции GFP в пространство апопластов. Этот метод позволяет извлекать белки с более высокой однородностью и снижает затраты на последующую обработку белка. Несколько соображений заслуживают дальнейшего изучения для внедрения очистки AWF в биореакторах на заводах. Во-первых, эффективная секреция требует слияния специфических N-концевых сигнальных пептидов. Во-вторых, для сохранения качества AWF неповрежденные листья должны быть быстро обработаны после сбора урожая без замораживания, что приводит к высвобождению внутриклеточного содержимого. В-третьих, PB эффективно экстрагирует белки AWF34, но буферный pH и концентрация соли должны быть адаптированы к отдельным рекомбинантным белкам (рисунок 2C-D). В-четвертых, мы получили очищенный белок из 200 г N. benthamiana многократно в лабораторных условиях со стабильной чистотой и выходом. Для масштабирования для использования на заводе требуются более крупные емкости и вакуумные насосы, а также более эффективный метод очистки, а также могут потребоваться такие условия, как продолжительность вакуума, количество рекупераций и т. д.
Этот метод ограничен тем, что экзогенные белки секретируются в AWF, а белки внутри плазматической мембраны покидают (рисунок 2H-I). Это дает преимущество в получении более очищенных белков с правильной модификацией, но при более высокой стоимости выхода. Основным техническим узким местом для очистки на основе AWF является повышение целевого уровня белка внутри AWF. Сочетание с сильными промоторами и оптимизированными системами секреции улучшит платформы экспрессии растений для обеспечения высокой чистоты и увеличения урожайности. Чтобы преодолеть это узкое место, в будущей работе требуется более высокая система производства и более эффективная система секреции.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта работа поддерживается Ассоциацией содействия инновациям молодежи CAS (2021084) и Фондом поддержки ключевых проектов развертывания Трехлетнего плана действий Института микробиологии Китайской академии наук.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 mesh nylon fine mesh yarn | Guangzhou Huayu Trading limited company | hy-230724-2 | For AWF protein extraction |
50 ml centrifuge tubes | Vazyme | TCF00150 | For centrifuge |
ClonExpress II one step cloning kit | Vazyme | C112-02 | For clone |
FastDigest Sac1 | NEB | R3156S | For clone |
FastDigest XbaI | NEB | FD0685 | For clone |
ImageJ 1.5.0 | / | / | For greyscale analysis |
Large filter | Thermo Fisher | NEST | For filtering |
Laser scanning confocal microscopy | Leica SP8 | For subcellular localization | |
Ni sepharose excel | Cytiva | 10339806 | For protein purification |
Precast protein plus gel | YEASEN | 36246ES10 | For SDS-PAGE |
Small filter | Nalgene | 1660045 | For filtering |
SuperSignal West Femto Substrate Trial Kit | Thermo Fisher | 34076 | For western blotting |
Triton X-100 | SCR | 30188928 | To configure the extraction buffer |
Type rotaryvang vacuum pump | Zhejiang taizhouqiujing vacuum pump limited company | 2XZ-2 | For vacuum infiltration |
Vertical mixer | Haimen Qilinbel Instrument Manufacturing limited company | BE-1200 | For mixing |
β-mercaptoethanol | SIGMA | BCBK8223V | To configure the extraction buffer |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены