Recombinant expression of Munc18c in a baculovirus system and interaction with syntaxin4

Two protein families that are critical for vesicle transport are the Syntaxin and Munc18/Sec1. families of proteins. These two molecules form a high affinity complex and play an essential role in vesicle docking and fusion. Munc18c was expressed as an N-terminally His-tagged fusion protein from recombinant baculovirus in Sf9 insect cells. His-tagged Munc18c was purified to homogeneity using both cobalt-chelating affinity chromatography and gel filtration chromatography. With this simple two-step protocol, 3.5 mg of purified Munc18c was obtained from a 1 L culture. Further, the N-terminal His-tag could be removed by thrombin cleavage while the tagged protein was bound to metal affinity resin. Recombinant Munc18c produced in this way is functional, in that it forms a stable complex with the SNARE interacting partner, syntaxin4. Thus we have developed a method for producing and purifying large amounts of functional Munc18c-both tagged and detagged-from a baculovirus expression system. We have also developed a method to purify the Munc18c:syntaxin4 complex. These methods will be employed for future functional and structural studies. Crown copyright (C) 2003 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Recombinant expression of glycerol-3-phosphate dehydrogenase using the Pichia pastoris system

In the present study, the GPD2 gene from Saccharomyces cerevisiae, which codifies for the enzyme glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPDH), was cloned from the pPICZ-alpha expression vector and used with the purpose of inducing the extracellular expression of the glycerol-3-phosphate dehydrogenase under the control of the methanol-regulated AOX promoter. The presence of the GPD2 insert was confirmed by PCR analysis. Pichia pastoris X-33 (Mut(+)) was transformed with linearized plasmids by electroporation and transformants were selected on YPDS plates containing 100 mu g/mL of zeocin. Several clones were selected and the functionality of this enzyme obtained in a culture medium was assayed. Among the mutants tested, one exhibited 3.1 x 10(-2) U/mg of maximal activity. Maximal enzyme activity was achieved at 6 days of growth. Medium composition and pre-induction osmotic stress influenced protein production. Pre-induction osmotic stress (culturing cells in medium with either 0.35 M sodium chloride or 1.0 M sorbitol for 4h prior to induction) led to an increase in cell growth with sorbitol and resulted in a significant increase in GPDH productivity with sodium chloride in 24h of induction approximately fivefold greater than under standard conditions (without pre-induction). (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Recombinant expression and characterization of a Xylella fastidiosa cysteine protease differentially expressed in a nonpathogenic strain

Xylella fastidiosa is a xylem-limited, Gram-negative bacterium responsible for citrus variegated chlorosis (CVC) in sweet oranges. In the present study, we present the recombinant expression, purification and characterization of an X. fastidiosa cysteine protease (dubbed Xylellain). The recombinant Xylellain ((HIS)Xylellain) was able to hydrolyze carbobenzoxy-Phe-Arg-7-amido-4-methylcoumarin (Z-FR-MCA) and carbobenzoxy-Arg-Arg-7-amido-4-methylcoumarin (Z-RR-MCA) with similar catalytic efficiencies, suggesting that this enzyme presents substrate specificity requirements similar to cathepsin B. The immunization of mice with (HIS)Xylellain provided us with antibodies, which recognized a protein of c. 31 kDa in the X. fastidiosa pathogenic strains 9a5c, and X. fastidiosa isolated from coffee plants. However, these antibodies recognized no protein in the nonpathogenic X. fastidiosa J1a12, suggesting the absence or low expression of this protein in the strain. These findings enabled us to identify Xylellain as a putative target for combating CVC and other diseases caused by X. fastidiosa strains.

Recombinant expression, localization and in vitro inhibition of midgut cysteine peptidase (Sl-CathL) from sugarcane weevil, Sphenophorus levis

A cDNA coding for a digestive cathepsin L, denominated Sl-CathL, was isolated from a cDNA library of Sphenophorus levis larvae, representing the most abundant EST (10.49%) responsible for proteolysis in the midgut. The open reading frame of 972 bp encodes a preproenzyme similar to midgut cathepsin L-like enzymes in other coleopterans. Recombinant Sl-CathL was expressed in Pichia pastoris, with molecular mass of about 42 kDa. The recombinant protein was catalytically activated at low pH and the mature enzyme of 39 kDa displayed thermal instability and maximal activity at 37 degrees C and pH 6.0. Immunocytochemical analysis revealed Sl-CathL production in the midgut epithelium and secretion from vesicles containing the enzyme into the gut lumen, confirming an important role for this enzyme in the digestion of the insect larvae. The expression profile identified by RT-PCR through the biological cycle indicates that Sl-CathL is mainly produced in larval stages, with peak expression in 30-day-old larvae. At this stage, the enzyme is 1250-fold more expressed than in the pupal fase, in which the lowest expression level is detected. This enzyme is also produced in the adult stage, albeit in lesser abundance, assuming the presence of a different array of enzymes in the digestive system of adults. Tissue-specific analysis revealed that Sl-CathL mRNA synthesis occurs fundamentally in the larval midgut, thereby confirming its function as a digestive enzyme, as detected in immunolocalization assays. The catalytic efficiency of the purified recombinant enzyme was calculated using different substrates (Z-Leu-Arg-AMC, Z-Arg-Arg-AMC and Z-Phe-Arg-AMC) and rSl-CathL exhibited hydrolysis preference for Z-Leu-Arg-AMC (k(cat)/K-m = 37.53 mM S-1), which is similar to other insect cathepsin L-like enzymes. rSl-CathL activity inhibition assays were performed using four recombinant sugarcane cystatins. rSl-CathL was strongly inhibited by recombinant cystatin CaneCPI-4 (K-i = 0.196 nM), indicating that this protease is a potential target for pest control. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Recombinant expression of molluscan hemocyanin (KLH) substructures in a prokaryotic system: E. coli

The recombinant expression of 19 different substructures of KLH in the prokaryotic sys-tem E. coli has been successfully achieved: each one of the eight single FUs a to h of both isoforms, KLH1 and KLH2, two substructures consisting of two consecutive FUs (KLH1-bc and KLH1-gh) as well as a cDNA encompassing KLH1-abc. All recombinant proteins, fused to an N-terminal 6xHis tag, have successfully been detected by immuno precipitation using monoclonal α-His-antibodies and polyclonal α-KLH1- and α-KLH2-antibodies. One exception remained: SP-KLH2-a, which was not detected by the α-His-antibodies. This allows speculations as to whether the coexpressed signal peptide can lead, at one hand, to the secretion of the recombinant protein, and on the other to the simultaneous cut-off of the leader peptide, which results in the splitting off of even more N-terminal 6xHis tag, leading to failed recognition by the appropriate antibodies. The comparison of native KLH with recombinantly expressed prokaryotic (E. coli) and eukaryotic (Sf9 insect cells) KLH was done using FU-1h. The weak detection by the polyclonal α-KLH1-antibodies of both recombinantly expressed proteins showed that the native protein was the best recognized. For the prokaryotic one, both the denaturation applied for solubilisation of the bacterial inclusion bodies and the inability of bacterial cells to add N-linked glycosylation, are the reason for the poor hybridization. In contrast, KLH1-h expressed in eukaryotic insect cells is likely to be glycosylated. The incubation with the α-KLH1-antibodies resulting in the same weak detection, however, revealed that the linked carbohydrate side chains are not those expected. The establishment of SOE-PCR, together with further improvement, has enabled the generation of a clone encompassing the complete subunit KLH1-abcdefgh. The se-quence analysis compared to the original KLH1 sequence showed, however, that the resulting recombinant protein is defective in two histidines, required for the copper bind-ing sites in FU-1b and FU-1d and in three disulfide bridges (FU-1a, FU-1b and FU 1g). This is due to polymerase-related nucleotide exchanges, resulting in a changed amino acid sequence. Nevertheless, all eight potential N-glycosylation sites are present, leading to the speculation that the recombinant protein can in theory be fully glycosylated, which is the most important aspect for the clinical applicability of recombinant KLH as an im-munotherapeutic agent. The improvement of this method elaborated during the present work indicates bright prospects for the future generation of a correct cDNA sequence encoding for the complete KLH2 subunit.

Cytochrome P450 2D18 in the mammalian brain: Recombinant expression, purification, and characterization of xenobiotic and endobiotic metabolism

The cytochromes P450 (P450) comprise a superfamily of hemoproteins that function in concert with NADPH-cytochrome P450 reductase (P450-reductase) to metabolize both endogenous and exogenous compounds. Many pharmacological agents undergo phase I metabolism by this P450 and P450-reductase monooxygenase system. Phase I metabolism ensures that these highly hydrophobic xenobiotics are made more hydrophilic, and hence easier to extrude from the body. While the majority of phase I metabolism occurs in the liver, metabolism in extrahepatic organ-systems like the intestine, kidney, and brain can have important roles in drug metabolism and/or efficacy. ^ While P450-mediated phase I metabolism has been well studied, investigators have only recently begun to elucidate what physiological roles P450 may have. One way to approach this question is to study P450s that are highly or specifically expressed in extrahepatic tissues. In this project I have studied the role of a recently cloned P450 family member, P450 2D18, that was previously shown to be expressed in the rat brain and kidney, but not in the liver. To this end, I have used the baculovirus expression system to over-express recombinant P450 2D18 and purified the functional enzyme using nickel and hydroxylapatite chromatography. SDS-PAGE analysis indicated that the enzyme was purified to electrophoretic homogeneity and Western analysis showed cross-reactivity with rabbit anti-human P450 2D6. Carbon monoxide difference spectra indicated that the purified protein contained no denatured P450 enzyme; this allowed for further characterization of the substrates and metabolites formed by P450 2D18-mediated metabolism. ^ Because P450 2D18 is expressed in brain, we characterized the activity toward several psychoactive drugs including the antidepressants imipramine and desipramine, and the anti-psychotic drugs chlorpromazine and haloperidol. P450 2D18 preferentially catalyzed the N-demethylation of imipramine, desipramine, and chlorpromazine. This is interesting given the fact that other P450 isoforms form multiple metabolites from such compounds. This limited metabolic profile might suggest that P450 2D18 has some unique function, or perhaps a role in endobiotic metabolism. ^ Further analysis of possible endogenous substrates for P450 2D18 led to the identification of dopamine and arachidonic acid as substrates. It was shown that P450 2D18 catalyzes the oxidation of dopamine to aminochrome, and that the enzyme binds dopamine with an apparent KS value of 678 μM, a value well within reported dopamine concentration in brain dopaminergic systems. Further, it was shown that P450 2D18 binds arachidonic acid with an apparent KS value of 148 μM, and catalyzes both the ω-hydroxylation and epoxygenation of arachidonic acid to metabolites that have been shown to have vasoactive properties in brain, kidney, and heart tissues. These data provide clues for endogenous roles of P450 within the brain, and possible involvement in the pathogenesis of Parkinson's disease. ^

Recombinant expression of Aryl Hydrocarbon Receptor for quantitative ligand-binding analysis

Recombinant expression of the Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) yields small amounts of ligand- binding competent AhR. Therefore, Spodoptera frugiperda (Sf9) cells and baculovirus have been evaluated for high level and functional expression of AhR. Rat and human AhR were expressed as soluble protein in significant amounts. Expression of ligand-binding competent AhR was sensitive to the protein concentration of Sf9 extract, and co-expression of the chaperone p23 failed to affect the yield of functional ligand-binding AhR. The expression system yielded high levels of functional protein, with the ligand-binding capacity (Bmax) typically 20- fold higher than that obtained with rat liver cytosol. Quantitative estimates of the ligand-binding affinity of human and rat AhR were obtained; the Kd for recombinant rat AhR was indistinguishable from that of native rat AhR, thereby validating the expression system as a faithful model for native AhR. The human AhR bound TCDD with significantly lower affinity than the rat AhR. These findings demonstrate high-level expression of ligand-binding competent AhR, and sufficient AhR for quantitative analysis of ligand-binding.

Les gènes et protéines BSP chez la souris et l’humain : clonage, caractérisation, expression sous forme recombinante et étude des fonctions biologiques

L’infertilité affecte environ 15% des couples en âge de se reproduire. Dans près de la moitié des cas, des facteurs masculins sont à la base de l’infertilité, quoique les causes exactes demeurent souvent inconnues. Les spermatozoïdes de mammifères subissent une série d’étapes de maturation avant d’acquérir la capacité de féconder un ovocyte. Les premiers changements ont lieu à l’intérieur de l’épididyme, où les spermatozoïdes gagnent la capacité de se mouvoir ainsi que de reconnaître et d’interagir avec l’ovocyte. Suite à l’éjaculation, ils doivent subir une seconde série de modifications à l’intérieur du tractus génital femelle, nommée capacitation. Nous avons préalablement démontré que chez le bovin, la famille de protéines BSP (Binder of SPerm) est essentielle à la capacitation. Des homologues des BSP ont aussi été isolés du fluide séminal de porc, de bouc, de bélier, de bison et d’étalon. Malgré la détection d’antigènes apparentés aux BSP dans le fluide séminal de souris et d’humain, les homologues des BSP n’ont jamais été caractérisés chez ces espèces. Nous avons émis l’hypothèse que des homologues des BSP seraient exprimés chez la souris et l’humain et joueraient un rôle dans la maturation des spermatozoïdes. Nous avons démontré que des séquences homologues aux BSP sont présentes dans les génomes murin et humain. Le génome murin contient trois séquences; Bsph1, Bsph2a et Bsph2b, tandis qu’une seule séquence (BSPH1) a été identifée chez l’humain. Les séquences d’ADNc de Bsph1, Bsph2a et BSPH1 ont été clonées, tandis que Bsph2b serait probablement un pseudogène. Les trois gènes sont exprimés uniquement dans l’épididyme et font partie d’une sous-famille distincte à l’intérieur de la famille des BSP. Chez les ongulés, les BSP sont exprimées par les vésicules séminales, sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et représentent une proportion significative des protéines du plasma séminal. Au contraire, les BSP épididymaires ne sont retrouvées qu’en faibles quantités dans le fluide séminal. L’étude de leur rôle dans les fonctions spermatiques était donc plus difficile que chez les ongulés, où l’isolement des protéines natives du plasma séminal à l’aide de techniques de chromatographie était possible. Afin d’étudier sa fonction, nous avons exprimé BSPH1 recombinante dans E. coli. Les ponts disulfure des domaines de type-II caractéristiques de ces protéines ont fait en sorte que l’expression de BSPH1 fusionnée à une étiquette hexahistidine ou glutathion-S-transférase a donné lieu à des protéines insolubles dans les corps d’inclusion. La production de BSPH1 soluble a été possible grâce à l’ajout d’une étiquette thiorédoxine et l’expression dans une souche au cytoplasme oxidatif. BSPH1 a été purifiée par affinité et sa liaison aux partenaires connus des BSP, la phosphatidylcholine, les lipoprotéines de faible densité et la membrane des spermatozoïdes, suggérait que la protéine recombinante possédait sa conformation native et pouvait être utilisée pour des essais fonctionnels. La forme native de BSPH1 a été détectée dans le plasma séminal humain suite au fractionnement par gel filtration. La liaison de BSPH1 native à une colonne d’affinité à l’héparine a indiqué qu’elle partage aussi cette propriété de liaison avec la famille des BSP, et pourrait lier les GAGs semblables à l’héparine du tractus génital féminin. Une colonne d’immunoaffinité anti-BSPH1 a été préparée à l’aide d’anticorps générés contre des protéines recombinantes, et a permis d’isoler BSPH1 native à partir d’extraits de spermatozoïdes humains. Nos résultats montrent que BSPH1 native serait localisée dans les microdomaines « rafts » de la membrane. Sa masse moléculaire apparente était de 32 kDa, ce qui est supérieur à la masse prédite selon sa séquence en acides aminés, indiquant la présence probable de modifications post-traductionnelles, ou d’une migration anormale. L’effet de BSPH1 recombinante et des anticorps anti-BSPH1 sur la motilité, la viabilité et la capacitation a aussi été étudié. Les deux dernières variables ont été mesurées par un essai de cytométrie en flux, optimisé dans cette étude. Aucun effet des protéines recombinantes ou des anticorps sur la motilité et la viabilité des spermatozoïdes n’a été noté. Quoiqu’une stimulation modeste, quoique significative, de la capacitation ait été observée à la plus faible concentration de BSPH1, les concentrations plus élevées n’ont pas montré d’effet. De la même manière, les anticorps anti-BSPH1 n’ont pas eu d’effet significatif sur la capacitation. Ces résultats suggèrent que BSPH1 produite dans E. coli n’affecte pas la capacitation de façon marquée. Cependant, puisque BSPH1 native possède probablement des modifications post-traductionnelles, une protéine recombinante produite dans des cellules de mammifères pourrait affecter les fonctions spermatiques. De manière alternative, les BSP épididymaires remplissent peut-être un rôle différent dans les fonctions spermatiques que celles sécrétées par les vésicules séminales des ongulés. Les résultats décrits dans cette thèse pourraient contribuer à améliorer le diagnostic de l’infertilité masculine, ainsi que les techniques de reproduction assistée et éventuellement, pourraient mener au développement de contraceptifs masculins.

Expression-system-dependent modulation of HIV-1 envelope glycoprotein antigenicity and immunogenicity.

Recombinant expression systems differ in the type of glycosylation they impart on expressed antigens such as the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) envelope glycoproteins, potentially affecting their biological properties. We performed head-to-head antigenic, immunogenic and molecular profiling of two distantly related Env surface (gp120) antigens produced in different systems: (a) mammalian (293 FreeStyle cells; 293F) cells in the presence of kifunensine, which impart only high-mannose glycans; (b) insect cells (Spodoptera frugiperda, Sf9), which confer mainly paucimannosidic glycans; (c) Sf9 cells recombinant for mammalian glycosylation enzymes (Sf9 Mimic), which impart high-mannose, hybrid and complex glycans without sialic acid; and (d) 293F cells, which impart high-mannose, hybrid and complex glycans with sialic acid. Molecular models revealed a significant difference in gp120 glycan coverage between the Sf9-derived and wild-type mammalian-cell-derived material that is predicted to affect ligand binding sites proximal to glycans. Modeling of solvent-exposed surface electrostatic potentials showed that sialic acid imparts a significant negative surface charge that may influence gp120 antigenicity and immunogenicity. Gp120 expressed in systems that do not incorporate sialic acid displayed increased ligand binding to the CD4 binding and CD4-induced sites compared to those expressed in the system that do, and imparted other more subtle differences in antigenicity in a gp120 subtype-specific manner. Non-sialic-acid-containing gp120 was significantly more immunogenic than the sialylated version when administered in two different adjuvants, and induced higher titers of antibodies competing for CD4 binding site ligand-gp120 interaction. These findings suggest that non-sialic-acid-imparting systems yield gp120 immunogens with modified antigenic and immunogenic properties, considerations that should be considered when selecting expression systems for glycosylated antigens to be used for structure-function studies and for vaccine use.

Facing Hymenoptera venom allergy: from natural to recombinant allergens

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.

Identifizierung, Expression und Charakterisierung des Nanos-verwandten Proteins aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in dem marinen Schwamm Suberites domuncula ein Gen identifiziert werden, dessen C-terminale konservierte Domäne eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den Zinkfingerdomänen der Nanos-Proteine aufweist. Weiter konnte ein N-terminales Sequenzmotiv identifiziert werden, das eine hohe Sequenzidentität zu den konservierten NIM Motiven (CNOT1-interagierendes-Motiv) von Nanos zeigt. Nach der Klonierung der cDNA erfolgte die Expression des als Sd_nrp bezeichneten Proteins in E. coli Bakterien, für dessen 231 Aminosäuren umfassende Polypeptidkette eine theoretische Molekülmasse von 25.8 kDa berechnet wurde. Anschließend gelang ein Nachweis des Proteins mithilfe eines polyklonalen, gegen Sd_nrp gerichteten Antikörpers in drei Gewebetypen, dem Pinacoderm, den Primmorphen (3D-Zellaggregate) und den Gemmulae (Dauerstadien der Schwämme). Dabei konnte die höchste Expression von Sd_nrp in den als totipotent geltenden Stammzellen der Schwämme, den Archaeocyten innerhalb der Gemmulae beobachtet werden. Die Identifizierung der Zellstrukturen, erfolgte dabei aufgrund morphologischer Vergleiche. Speziell die Merkmale der Zellen in den Gemmulae, der große Nukleus, die amöboide Form sowie die granulären Reservesubstanzen, entsprechen den typischen morphologischen Eigenschaften der Archaeocyten, und bestätigen die Interpretation der Ergebnisse. Weiter konnte mit Hilfe des Anti-Sd_nrp Antikörpers das native Protein in Proteinextrakten aus Gewebe adulter Tiere nachgewiesen werden. Die vergleichende Sequenzanalyse von Sd_nrp mit dem Nanos-verwandten Protein der Schwammspezies Ephydatia fluviatilis und die phylogenetische Stammbaum-Analyse mit Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten und Vertebraten lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei dem hier identifizierten Protein Sd_nrp um ein Nanos-verwandtes Protein handelt. Darüber hinaus konnte anhand eines Homologiemodells bestätigt werden, dass es sich bei der konservierten C-terminalen Domäne des Proteins Sd_nrp um die für Nanos-Proteine spezifische Zinkfingerstruktur mit dem konservierten Sequenzmotiv CCHC handelt. Dieses Ergebnis konnte auch bei einem Vergleich der Zinkfingerdomäne von Sd_nrp mit den Zinkfingerdomänen der Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten- und Vertebratenspezies bestätigt werden.