Characterisation of a secretory serine protease inhibitor (SjB6) from Schistosoma japonicum

BACKGROUND: Proteins belonging to the serine protease inhibitor (serpin) superfamily play essential physiological roles in many organisms. In pathogens, serpins are thought to have evolved specifically to limit host immune responses by interfering with the host immune-stimulatory signals. Serpins are less well characterised in parasitic helminths, although some are thought to be involved in mechanisms associated with host immune modulation. In this study, we cloned and partially characterised a secretory serpin from Schistosoma japonicum termed SjB6, these findings provide the basis for possible functional roles.

METHODS: SjB6 gene was identified through database mining of our previously published microarray data, cloned and detailed sequence and structural analysis and comparative modelling carried out using various bioinformatics and proteomics tools. Gene transcriptional profiling was determined by real-time PCR and the expression of native protein determined by immunoblotting. An immunological profile of the recombinant protein produced in insect cells was determined by ELISA.

RESULTS: SjB6 contains an open reading frame of 1160 base pairs that encodes a protein of 387 amino acid residues. Detailed sequence analysis, comparative modelling and structural-based alignment revealed that SjB6 contains the essential structural motifs and consensus secondary structures typical of inhibitory serpins. The presence of an N-terminal signal sequence indicated that SjB6 is a secretory protein. Real-time data indicated that SjB6 is expressed exclusively in the intra-mammalian stage of the parasite life cycle with its highest expression levels in the egg stage (p < 0.0001). The native protein is approximately 60 kDa in size and recombinant SjB6 (rSjB6) was recognised strongly by sera from rats experimentally infected with S. japonicum.

CONCLUSIONS: The significantly high expression of SjB6 in schistosome eggs, when compared to other life cycle stages, suggests a possible association with disease pathology, while the strong reactivity of sera from experimentally infected rats against rSjB6 suggests that native SjB6 is released into host tissue and induces an immune response. This study presents a comprehensive demonstration of sequence and structural-based analysis of a secretory serpin from a trematode and suggests SjB6 may be associated with important functional roles in S. japonicum, particularly in parasite modulation of the host microenvironment.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Therapeutic Potential of RNAi Through Endocytotic Methods

The ability to manipulate gene expression promises to be an important tool for the management of infectious diseases and genetic disorders. However, a major limitation to effective delivery of therapeutic RNA to living cells is the cellular toxicity of conventional techniques. Team PANACEA’s research objective was to create new reagents based on a novel small-molecule delivery system that uses a modular recombinant protein vehicle consisting of a specific ligand coupled to a Hepatitis B Virus-derived RNA binding domain (HBV-RBD). Two such recombinant delivery proteins were developed: one composed of Interleukin-8, the other consisting of the Machupo Virus GP1 protein. The ability of these proteins to deliver RNA to cells were then tested. The non-toxic nature of this technology has the potential to overcome limitations of current methods and could provide a platform for the expansion of personalized medicine.

Effets de l’environnement lumineux et de l’âge foliaire sur la croissance, la capacité photosynthétique et la production protéique chez "Nicotiana benthamiana"

Cette étude visait à caractériser la croissance, la capacité photosynthétique, la concentration en azote et protéines totales solubles, la production de protéines recombinantes (HA) ainsi que la quantité de lumière interceptée à différents stades de développement de plants de Nicotiana benthamiana afin d’optimiser la production de vaccins. L’évolution des réponses physiologiques étudiées fut similaire chez toutes les feuilles primaires, suggérant que le processus de sénescence s’initie et progresse de façon semblable indépendamment de leur ordre d’initiation. Toutefois, la superposition des patrons temporels de sénescence et de croissance foliaire a mené à un rendement HA maximal se situant invariablement dans la partie médiane du plant lorsqu’exprimé sur une base foliaire. À l’échelle du plant entier, nos résultats suggèrent qu’il est possible d’augmenter la production de vaccins en récoltant les plants à un stade de développement plus tardif, ou en augmentant la densité de culture et en récoltant ces plants plus tôt.

Comparing the expression of human DNA topoisomerase I in KM71H and X33 strains of Pichia pastoris

Background: Human is an essential cellular enzyme that is found in all human cells. As this enzyme is upregulated in cancer cells exceedingly, it is used as a target for cancer chemotherapeutic drug development. As such, producing the in-house enzyme for the purpose to speed up the search for more cost-effective and target specific hTopoI inhibitors is warranted. This study aims to compare the optimised conditions for the expression of hTopoI in KM71H (MutS) and X33 (Mut+) strains of Pichia pastoris P. pastoris transfected with an hTopoI recombinant vector was used for the optimization of a higher level of hTopoI expression. Results: In the process, fed-batch cultivation parameters that influence the expression of hTopoI, such as culture temperature, methanol induction and feeding strategy, were optimised in the transfected KM71H and X33 P. pastoris strains in a shake flask system. The cell density and total protein concentration (protein level) of transfected P. pastoris were compared to determine the optimum culture conditions for each transfected P. pastoris strain. A higher hTopoI level was observed in the transfected KM71H culture supernatant (2.26 ng/mL) when the culture was incubated in the optimum conditions. Conclusions: This study demonstrated that MutS strain (KM71H) expressed and secreted a higher level of hTopoI heterologous protein in the presence of methanol compared to the Mut+ strain; X33 (0.75 ng/mL). However, other aspects of optimization, such as pH, should also be considered in the future, to obtain the optimum expression level of hTopoI in P. pastoris.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Beyond the natural proteome:nondegenerate saturation mutagenesis - methodologies and advantages

Beyond the natural proteome, high-throughput mutagenesis offers the protein engineer an opportunity to “tweak” the wild-type activity of a protein to create a recombinant protein with required attributes. Of the various approaches available, saturation mutagenesis is one of the core techniques employed by protein engineers and in recent times, nondegenerate saturation mutagenesis is emerging as the approach of choice. This review compares the current methodologies available for conducting nondegenerate saturation mutagenesis with traditional, degenerate saturation and briefly outlines the options available for screening the resulting libraries, to discover a novel protein with the required activity and/or specificity.

Characterization of a new toxin from the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae: the ribotoxin anisoplin

Metarhizium anisopliae is an entomopathogenic fungus relevant in biotechnology with applications like malaria vector control. Studies of its virulence factors are therefore of great interest. Fungal ribotoxins are toxic ribonucleases with extraordinary efficiency against target ribosomes and suggested as potential insecticides. Here, we describe this ribotoxin characteristic activity in M. anisopliae cultures. Anisoplin has been obtained as a recombinant protein and further characterized. It is structurally similar to hirsutellin A, the ribotoxin from the entomopathogen Hirsutella thompsonii. Moreover, anisoplin shows the ribonucleolytic activity typical of ribotoxins and cytotoxicity against insect cells. How Metarhizium uses this toxin and possible applications are on perspective.

Understanding the yeast host cell response to recombinant membrane protein production

Membrane proteins are drug targets for a wide range of diseases. Having access to appropriate samples for further research underpins the pharmaceutical industry's strategy for developing new drugs. This is typically achieved by synthesizing a protein of interest in host cells that can be cultured on a large scale, allowing the isolation of the pure protein in quantities much higher than those found in the protein's native source. Yeast is a popular host as it is a eukaryote with similar synthetic machinery to that of the native human source cells of many proteins of interest, while also being quick, easy and cheap to grow and process. Even in these cells, the production of human membrane proteins can be plagued by low functional yields; we wish to understand why. We have identified molecular mechanisms and culture parameters underpinning high yields and have consolidated our findings to engineer improved yeast host strains. By relieving the bottlenecks to recombinant membrane protein production in yeast, we aim to contribute to the drug discovery pipeline, while providing insight into translational processes.

Mapping the yeast host cell response to recombinant membrane protein production:relieving the biological bottlenecks

Understanding the structures and functions of membrane proteins is an active area of research within bioscience. Membrane proteins are key players in essential cellular processes such as the uptake of nutrients, the export of waste products, and the way in which cells communicate with their environment. It is therefore not surprising that membrane proteins are targeted by over half of all prescription drugs. Since most membrane proteins are not abundant in their native membranes, it is necessary to produce them in recombinant host cells to enable further structural and functional studies. Unfortunately, achieving the required yields of functional recombinant membrane proteins is still a bottleneck in contemporary bioscience. This has highlighted the need for defined and rational optimization strategies based upon experimental observation rather than relying on trial and error. We have published a transcriptome and subsequent genetic analysis that has identified genes implicated in high-yielding yeast cells. These results have highlighted a role for alterations to a cell's protein synthetic capacity in the production of high yields of recombinant membrane protein: paradoxically, reduced protein synthesis favors higher yields. These results highlight a potential bottleneck at the protein folding or translocation stage of protein production.

Hijacked then lost in translation:the plight of the recombinant host cell in membrane protein structural biology projects

Membrane protein structural biology is critically dependent upon the supply of high-quality protein. Over the last few years, the value of crystallising biochemically characterised, recombinant targets that incorporate stabilising mutations has been established. Nonetheless, obtaining sufficient yields of many recombinant membrane proteins is still a major challenge. Solutions are now emerging based on an improved understanding of recombinant host cells; as a 'cell factory' each cell is tasked with managing limited resources to simultaneously balance its own growth demands with those imposed by an expression plasmid. This review examines emerging insights into the role of translation and protein folding in defining high-yielding recombinant membrane protein production in a range of host cells.

Biophysical characterization of the recombinant merozoite surface protein-3 of Plasmodium vivax

Plasmodium vivax Merozoite Surface Protein-3 alpha and 3 beta are members of a family of related merozoite surface proteins that contain a central alanine-rich domain with heptad repeats that is predicted to form alpha-helical secondary and coiled-coil tertiary structures. Seven recombinant proteins representing different regions of MSP-3 alpha and MSP-3 beta of P. vivax were generated to investigate their structure. Circular dichroism spectra analysis revealed that some proteins are folded with a high degree of alpha-helices as secondary structure, whereas other products contain a high content of random coil. Using size exclusion chromatography, we found that the two smaller fragments of the MSP-3 alpha, named CC4 and CC5, predicted to form coiled-coil (CC) structures, eluted at volumes corresponding to molecular weights larger than their monomeric masses. This result suggests that both proteins are oligomeric molecules. Analytical ultracentrifugation experiments showed that the CC5 oligomers are elongated molecules. Together, these data may help to understand important aspects of P. vivax biology. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Post translational modifications of recombinant human Papillomavirus type 6b major capsid protein

We have determined the post-translational modifications of the major capsid protein, L1 of human papillomavirus (HPV) type 6b. Since this virus cannot be cultured in the laboratory to obtain sufficient material for a study, a recombinant L1 protein produced in a vaccinia virus expression system was used in this investigation. Our results show that this protein is phosphorylated at serine residues and is also glycosylated. No myristoylation or palmitoylation was detected. The fraction of L1 protein incorporated into virus-like particles was not glycosylated. Since recombinant L1 protein is a potential human vaccine candidate, knowledge of the post-translation modifications of this protein may prove useful for the design of anti-HPV vaccines. (C) 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Evaluation of Maxillary Alveolar Reconstruction Using a Resorbable Collagen Sponge with Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 in Cleft Lip and Palate Patients

Introduction: A resorbable collagen matrix with recombinant human bone morphogenetic protein (rhBMP-2) was compared with traditional iliac crest bone graft for the closure of alveolar defects during secondary dental eruption. Methods: Sixteen patients with unilateral cleft lip and palate, aged 8 to 12 years, were selected and randomly assigned to group 1 (rhBMP-2) or group 2 (iliac crest bone graft). Computed tomography was performed to assess both groups preoperatively and at months 6 and 12 postoperatively. Bone height and defect volume were calculated through Osirix Dicom Viewer (Pixmeo, Apple Inc.). Overall morbidity was recorded. Results: Preoperative and follow-up examinations revealed progressive alveolar bone union in all patients. For group 1, final completion of the defect with a 65.0% mean bone height was detected 12 months postoperatively. For group 2, final completion of the defect with an 83.8% mean bone height was detected 6 months postoperatively. Dental eruption routinely occurred in both groups. Clinical complications included significant swelling in three group 1 patients (37.5%) and significant donor-site pain in seven group 2 patients (87.5%). Conclusions: For this select group of patients with immature skeleton, rhBMP-2 therapy resulted in satisfactory bone healing and reduced morbidity compared with traditional iliac crest bone grafting.

Investigation of the relationship between protein, message and inducer concentrations in recombinant E-coli cells

Chloramphenicol acetyl transferase (CAT) protein and mRNA levels in E. coli were determined following induction of a tac::cat construct by isopropyl-beta-thiogalactopyranoside (IPTG). High cat mRNA levels did not directly reflect CAT protein levels, in either shakeflask experiments or fermentations. Furthermore, concentrations of IPTG resulting in the highest levels of expression of cat mRNA, were different to those resulting in highest levels of CAT protein. The data suggest that high transcriptional activities lead to limitations at the translational level.