Các Plasmid Biểu Hiện Protein Được Tối Ưu Hóa Cho Quá Trình Lên Men E. coli Công Nghiệp và Hệ Thống Thực Vật Sản Xuất Yếu Tố Tăng Trưởng Giống Như Insulin ở Người Có Hoạt Tính Sinh Học Trong Các Cây Lúa Gạo và Thuốc Lá Biến Gen

Mitra Panahi1, Zaman Alli1, Xiongying Cheng1, Loubaba Belbaraka2, Jaafar Belgoudi2, Ravinder Sardana1, Jenny Phipps2, Illimar Altosaar1
1Department of Biochemistry, Microbiology and Immunology, Faculty of Medicine, University of Ottawa, Ottawa, Canada
2National Research Council of Canada, Steacie Institute for Molecular Sciences, Ottawa, Canada

Tóm tắt

Yếu tố tăng trưởng giống như insulin ở người (hIGF-1) là một yếu tố tăng trưởng có ý nghĩa lâm sàng trong y học. Tiềm năng điều trị của hIGF-1 tái tổ hợp (rthIGF-1) xuất phát từ thực tế rằng hIGF-1 giống như insulin trong nhiều khía cạnh sinh lý học. Bài báo này báo cáo về sự biểu hiện hIGF-1 trong cây thuốc lá và lúa biến gen bằng cách sử dụng các băng biểu hiện khác nhau. Trong nghiên cứu này, hai trình tự mã hóa đã được kiểm tra, một với trình tự gốc ở người nhưng được tối ưu hóa một phần cho sự biểu hiện trong E. coli và cái còn lại với trình tự tối ưu hóa mã của thực vật mà dự kiến sẽ cho mức độ biểu hiện cao hơn trong hệ thống thực vật. Ba cấu trúc biểu hiện hIGF-1 tái tổ hợp khác nhau đã được tạo ra. Tất cả các cấu trúc biểu hiện đều sử dụng promoter ubiquitin 1 của ngô với hoặc không có trình tự tín hiệu. Các phân tích tiến hành bằng bộ kit ELISA đặc hiệu cho hIGF-1 cho thấy tất cả các cây biến gen đều tạo ra hIGF-1 và lượng hIGF-1 tích tụ tăng từ độ thiên lệch mã của E. coli đến các mức cao hơn khi trình tự mã hóa hIGF-1 được tối ưu hóa mã để phù hợp với protein zeamatin của ngô - gen được phiên mã nhiều nhất trong các tế bào treo nội nhũ của ngô. Các phân tích thêm so sánh chức năng của peptide tín hiệu vi khuẩn Lam B trong thực vật cho thấy peptide dẫn này dẫn đến mức độ biểu hiện thấp hơn khi so với các cây biến gen không chứa trình tự này. Điều này chỉ ra rằng cấu trúc biểu hiện này có chức năng ngay cả khi không loại bỏ trình tự tín hiệu vi khuẩn. Promoter ubiquitin 1 của ngô được phát hiện là hoạt động hơn trong cây lúa so với cây thuốc lá cho thấy rằng trong trường hợp này, có sự ưu tiên lớp mà thiên về một chủ thể đơn bội. Các phân tích sinh học thực hiện bằng cách sử dụng chiết xuất protein từ các cây biến gen cho thấy rthIGF-1 có hiệu quả trong việc kích thích sự phát triển và tăng sinh in vitro của các tế bào thần kinh thần kinh SH-SY5Y ở người. Điều này chỉ ra rằng rthIGF-1 do thực vật sản xuất là ổn định và có hoạt tính sinh học. Vì một số cây được báo cáo đã biểu hiện một protein giống như insulin nội sinh, chúng tôi cũng đã tìm kiếm bất kỳ tác động nào của yếu tố tăng trưởng người trong các cây biến gen, nhưng không phát hiện sự khác biệt về phát triển hay hình thái học so với các cây thuốc lá hoặc lúa dại. Vì insulin và hIGF-1 chia sẻ một số vai trò chồng chéo, hIGF-1 có thể trở thành một tác nhân điều trị thay thế trong các đối tượng mắc một số khiếm khuyết trong tín hiệu thụ thể insulin của họ. Do đó, nếu tiềm năng hữu ích đầy đủ của rthIGF-1 được đạt được, dự kiến rằng trong tương lai nhu cầu sẽ tăng đáng kể.

Từ khóa

#Yếu tố tăng trưởng #IGF-1 #thực vật biến gen #biểu hiện protein #insulin #E. coli

Tài liệu tham khảo

Albani D, Sardana R, Robert LS, Altosaar I, Arnison PG and Fabijanski S (1992) A Brassica napus gene family which shows sequence similarity to ascorbate oxidase is specifically expressed in developing pollen. Molecular characterization and analysis of promoter activity in transgenic tobacco plants. Plant J 2: 332–343. Alli Z (2001) Expression of biologically active human granulocyte macrophage colony stimulating factor in the seeds of transgenic tobacco. Masters Thesis, University of Ottawa. Alli Z, Sardana RK, Andonov A, Robert LS, Schernthaner JP and Altosaar I (2000a) Biological assembly of truncated hepatitis core antigen in transgenic plants: towards oral delivery of low-cost vaccines. Seventh Annual National Conference and Exhibition, Ottawa, Canada, 4–6 December 2000, 31 pp. Ottawa Life Sciences Council, Ottawa, Canada. Alli Z, Sardana RK, Dudani A, Tackaberry E, Ganz PR, Panahi M et al. (2000b) Harvesting of human serum cytokines from endosperm expression systems: evaluation of stability of antecedent and E. coli derived cytokines in biological assays. Seventh Annual National Conference and Exhibition, Ottawa, Canada, 4–6 December 2000, 25 pp. Ottawa Life Sciences Council, Ottawa, Canada. Alli Z, Sardana RK, Andonov A, Robert LS, Schernthaner JP and Altosaar I (2001a) Plant codon optimized hepatitis B core particle gene increases assembly of viral particles in transgenic plants: a technological advancement towards increased antibody titre from oral vaccines. Eighth Annual National Conference and Exhibition, Ottawa, Canada, 5–7 November 2001, 27 pp. Ottawa Life Sciences Council, Ottawa, Canada. Alli Z, Sardana RK, Andonov A, Robert LS, Schernthaner JP and Altosaar I (2001b) β-Glucuronidase protein expressed in three different bioreactor lines of transgenic carrot: towards augmented, therapeutic peptide yields from edible plant tissues. Eighth Annual National Conference and Exhibition, Ottawa, Canada, 5–7 November 2001, 25 pp. Ottawa Life Sciences Council, Ottawa, Canada. Alli Z, Sardana R, Pierre B, Andonov A, Robert LS, Schernthaner JP et al. (2002) Pharming vaccines for hepatitis and cytomegalovirus: towards the development of multivalent and subunit vaccines for oral delivery of antigens. Phytochem Rev 1: 55–66. Berelowitz M, Szabo M, Frohman LA, Firestone S and Hintz RL (1981) Somatomedin-C mediates growth hormone negative feedback by effects on both hypothalamus and the pituitary. Science 212: 1279–1281. Bradford MM (1976) Rapid and quantitative method for quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem 72: 248–252. Brem G, Hartl B, Besenfelder U, Wolf E, Zinovieva N and Pfaller R (1994) Expression of synthetic cDNA sequences encoding human insulin-like growth factor-1 (IGF-1) in the mammary gland of transgenic rabbits. Gene 149: 351–355. Carel JC, Chaussain JL, Chatelain P and Savage MO (1996) Growth hormone insensitivity syndrome (Laron syndrome): main characterization and effects of IGF-1 treatment. Diabetes Metab 22: 251–256. Cheng X, Sardana R and Altosaar I (1997) Rice transformation by Agrobacterium infection. In: Cunningham C and Porter A (eds), Methods in Biotechnology. Vol. 3 Recombinant Proteins from Plants: Production and Isolation of Clinically Useful Compounds (pp. 1–9). Humana Press Inc., Totowa, NJ. Cheng X, Sardana R, Kaplan H and Altosaar I (1998) Agrobacterium-transformed rice plants expressing synthetic cry1A(b) and cry1A (c) genes are highly toxic to yellow stem borer and striped stem borer. Proc Natl Acad Sci USA 95: 2767–2772. Christou P (1995) Particle bombardment. Methods Cell Biol 50: 375–382. Christou P (1997) Rice transformation: bombardment. Plant Mol Biol 35: 197–203. Cramer CL, Weissenborn DL, Oishi KK, Grabau EA, Bennett S, Ponce E et al. (1996) Bioproduction of human enzymes in transgenic tobacco. Ann New York Acad Sci 792: 62–71. Cramer CL, Boothe JG and Oishi KK (1999) Transgenic plants for therapeutic proteins: linking upstream and downstream strategies. Curr Topics Microbiol Immunol 240: 95–118. Cusi K and DeFronzo RA (1995) Treatment of NIDDM, IDDM, and other insulin-resistant states with IGF-1. Diabetes Rev 3: 207–236. Daughaday WH and Rotwein P (1989) Insulin-like growth factors I and II: peptide, messenger ribonucleic acid and gene structures, serum, and tissue concentrations. Endocr Rev 10: 68–91. Dieryck W, Pagnier J, Poyart C, Marden MC, Gruber V, Bournat P et al. (1997) Human haemoglobin from transgenic tobacco. Nature 386: 29–30. During K, Hippe S, Kreuzaler F and Schell J (1990) Synthesis and self assembly of a functional antibody in Nicotiana tabacum. Plant Mol Biol 15: 281–293. Edsjo A, Lavenius E, Nilsson H, Hoehner JC, Simonsson P, Culp LA et al. (2003) Expression of trkB in human neuroblastoma in relation to MYCN expression and retinoic acid treatment. Lab Invest 83: 813–823. Farran I, Sanchez-Serrano JJ, Medina JF, Prieto J and Mingo-Castel AM (2002) Targeted expression of human serum albumin to potato tubers. Transgenic Res 11: 337–346. Fischer R and Emans N (2000) Molecular farming of pharmaceutical proteins. Transgenic Res 9: 279–299. Ganz PR, Dudani AK, Tackaberry ES, Sardana R, Sauder C, Cheng X et al. (1995) Plants as factories for producing human blood proteins. Can Soc Trans Med Bull 7: 112–121. Ganz P, Dudani AK, Tackaberry ES, Sardana R, Sauder C, Cheng X et al. (1996) Expression of human blood proteins in transgenic plants: the cytokine GM-CSF as a model protein. In: Owen MRL and Pen J (eds), Transgenic Plants: A Production System for Industrial and Pharmaceutical Proteins (pp. 281–297). Wiley, New York. Gill R, Verma C, Wallach B, Urso B, Pitts J, Wollmer A et al. (1999) Modeling of the disulphide-swapped isomer of human insulin-like growth factor-1: implications for receptor binding. Protein Eng 2: 297–303. Hirschfeld S (1996) Use of human recombinant growth hormone and human recombinant insulin-like growth factor-1 in patients with human immunodeficiency virus infection. Hormone Res 46: 215–221. Horsch RB, Fry JE, Hoffman NL, Eichholtz D, Rogers SG and Fraley RT (1985) A simple and general method for transferring genes into plants. Science 227: 1229–1231. Horvath H, Huang J, Wong O, Kohl E, Okita T, Kannangara CG et al. (2000) The production of recombinant proteins in transgenic barley grains. Proc Natl Acad Sci USA 97: 1914–1919. Huang J, Wu L, Yalda D, Adkins Y, Kelleher S, Crane M et al. (2002) Expression of functional recombinant human lysozyme in transgenic rice cell culture. Transgenic Res 11: 229–239. Hussain MA and Froesch ER (1995) Clinical uses of insulin-like growth factor I. Adv Endocr Metabol 6: 143–165. Joly JC, Leung WS and Swartz JR (1998) Overexpression of Escherichia coli oxidoreductases increases recombinant insulin-like growth factor-1 accumulation. Proc Natl Acad Sci USA 95: 2773–2777. Jones JH and Clemmons DR (1995) Insulin-like growth factors and their binding proteins: biological actions. Endocr Rev 16: 3–10. Jones PA and Baylin SB (2002) The fundamental role of epigenetic events in cancer. Nat Rev Genet 3: 415–428. Kurihara S, Hakuno F and Takahashi S (2000) Insulin-like growth factor-I-dependent signal transduction pathways leading to the induction of cell growth and differentiation of human neuroblastoma cell line SH-SY5Y: the roles of MAP kinase pathway and PI 3-kinase pathway. Endocr J 47: 739–751. Lanes R, Recker B, Fort P and Lifshitz F (1985) Impaired somatomedin generation test in children with insulin-dependent diabetes mellitus. Diabetes 34: 156–160. Lee RWH, Pool AN, Ziauddin A, Lo RYC, Shewen PE and Strommer JN (2003) Edible vaccine development: stability of Mannheimia haemolytica A1 leukotoxin 50 during post-harvest processing and storage of field-grown transgenic white clover. Mol Breed 11: 259–266. Leite A, Kemper EL, Da Silva J, Luchessi AD, Siloto MP, Bonaccorsi ED et al. (2000) Expression of correctly processed human growth hormone in seeds of transgenic tobacco plants. Mol Breed 6: 47–53. Liu Q, Ning W, Dantzer R, Freund GG and Kelley KW (1998) Activation of protein kinase C-zeta and phosphatidylinositol 3'-kinase and promotion of macrophage differentiation by insulin-like growth factor-I. J Immunol 160: 1393–1401. Lopez-Carballo G, Moreno L, Masia S, Perez P and Barettino D (2002) Activation of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt signaling pathway by retinoic acid is required for neural differentiation of SH-SY5Y human neuroblastoma cells. J Biol Chem 277: 25297–25304. Masumura T, Hibino T, Kidzu K, Mitsukawa N, Tanaka K and Fujii S (1990) Cloning and characterization of a cDNA encoding a rice 13 kDa prolamin. Mol Gen Genet 221: 1–7. Mori H and Cline K (1998) A signal peptide that directs non-sec transport in bacteria also directs efficient and exclusive transport on the thylakoid delta pH pathway. J Biol Chem 273: 11405–11408. Oh K, Cheon BY, Cho SH, Truong HQ, Ok SH, Jeung JU et al. (2003) Expression of the bovine growth hormone alters the root morphology in transgenic tobacco plants. Transgenic Res 12: 363–367. Pahlman S, Meyerson G, Lindgren E, Schalling M and Johansson I (1991) Insulin-like growth factor I shifts from promoting cell division to potentiating maturation during neuronal differentiation. Proc Natl Acad Sci USA 88: 9994–9998. Panahi M (2002) Biological activity of recombinant prohormone precursor insulin-like growth factor-1B (IGF-1B) and the mature form of IGF-1 expressed in transgenic plants. Doctoral Thesis, University of Ottawa. Panahi M, Cheng X, Alli Z, Sardana R, Callaghan M and Altosaar I (2003) Plant-derived recombinant human insulin-like growth factor precursor prohormone IGF-1B caused differentiation of human neuroblastoma cell lines SH-SY5Y. Mol Breed 12: 21–31. Pen J, Molendijk L, Quax WJ, Sijmons PC, Ooyen AJJ, Van den Elzen PJM et al. (1992) Production of active Bacillus licheniformis alpha-amylase in tobacco and its application in starch liquefaction. Bio/Technology 10: 292–296. Perlak FJ, Fuchs RL, Dean DA, McPherson SL and Fischhoff DA (1991) Modification of the coding sequence enhances plant expression of insect control genes. Proc Natl Acad Sci USA 88: 3324–3328. Reddy V, Leelavathi S, Selvapandiyan A, Raman R, Giovanni F, Shukla V et al. (2002) Analysis of chloroplast transformed tobacco plants with cry1Ia5 under rice psb A transcriptional elements reveal high level expression of Bt toxin without imposing yield penalty and stable inheritance of transplastome. Mol Breed 9: 259–269. Sambrook J, Fritsch EF and Maniatis T (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbour Laboratory, Cold Spring Harbour, NY. Sardana R, Dukiandjiev S, Giband M, Cheng X, Cowan K, Sauder C et al. (1996) Construction and rapid testing of synthetic and modified toxin gene sequences Cry IA (b & c) by expressing in maize endosperm culture. Plant Cell Reports 15: 677–681. Sardana R, Alli Z, Dudani A, Tackaberry E, Narayanan M, Panahi M et al. (2002) Biological activity of human granulocyte-macrophage colony stimulating factor is maintained in a fusion with seed glutelin peptide. Transgenic Res 11: 521–531. Schenk P, Sagi L, Remans T, Dietzgen R, Bernard M, Graham M et al. (1999) A promoter from sugarcane bacilliform badnavirus drives transgene expression in banana and other monocot and dicot plants. Plant Mol Biol 39: 1221–1230. Schoenle EJ, Zenobi PD, Toressani T, Werder EA, Zachman M and Froesch ER (1991) Recombinant human insulin-like growth factor I (rhIGF-1) reduces hyperglycemia in patients with extreme insulin resistance. Diabetologia 34: 675–679. Schwander JC, Hauri C, Zapf J and Froesch ER (1983) Synthesis and secretion of insulin-like growth factor and its binding protein by the perfused rat liver: dependence on growth hormone status. Endocrinology 113: 297–305. Sijmons PC, Dekker BMM, Schammeijer B, Verwoed TC, Van den Elzen PJM and Hoekema A (1990) Production of correctly processed human serum albumin in transgenic plants. Bio/Technology 8: 217–222. Stoger E, Vaquero C, Torres E, Sack M, Nicholson L, Drossard J et al. (2000) Cereal crops as viable production and storage systems for pharmaceutical scFv antibodies. Plant Mol Biol 42: 583–590. Stoger E, Sack M, Perrin Y, Vaquero C, Torres E, Twyman RM et al. (2002) Practical considerations for pharmaceutical antibody production in different crop systems. Mol Breed 9: 149–158. Torres E, Vaquero C, Nicholson L, Sack M, Stoger E, Drossard J et al. (1999) Rice cell culture as an alternative production system for functional diagnostic and therapeutic antibodies. Transgenic Res 8: 441–449. Urbina G, Schirmeister-Tichy H, Schernthaner J, Taralp A and Pfleiderer W (2000) Direct immobilization of oligonucleotides on polymer supports. Use of FMOC derivatives in DNA/RNA synthesis. Methods for using immobilized oligonucleotides. In: Epton R (ed), Innovation and Perspectives in Solid Phase Synthesis and Combinatorial Libraries (41 pp.). Collected papers, Sixth International Symposium, York, England, UK. Vaeck M, Reynaerts A, Hofteh H, Jansens S, De Beuckeleer M, Dean C et al. (1987) Transgenic plants protected from insect attack. Nature 328: 33–37. Vakos HT, Burton GW and Kaplan H (1997) Taurocholate-induced dimerization of bovine cholesterol esterase in sodium dodecylsulfate. Biochim Biophys Acta 1342: 103–108. Williams S, Friedrich L, Dincher S, Carozzi N, Kessmann H, Ward E et al. (1992) Chemical regulation of Bacillus thuringiensis delta-endotoxin expression in transgenic plants. Bio/Technology 10: 540–543. Winter RJ, Phillips LS, Klein MN, Traisman HS and Green OC (1979) Somatomedin activity and diabetic control in children with insulin-dependent diabetes. Diabetes 28: 952–954. Zapf J, Schoenle E, Waldvogel M, Sand I and Froesch ER (1981) Effect of trypsin treatment of rat adipocytes on biological effects and binding of insulin and insulin-like growth factors. Further evidence for the action of insulin-like growth factors through the insulin receptor. Eur J Biochem 113: 605–609. Zeidman R, Pettersson L, Sailaja PR, Truedsson E, Fagerstrom S, Pahlman S et al. (1999) Novel and classical protein kinase C isoforms have different functions in proliferation, survival and differentiation of neuroblastoma cells. Int J Cancer 81: 494–501. Zinovieva N, Lassnig C, Schams D, Besenfelder U, Wolf E, Muller S et al. (1998) Stable production of human insulin-like growth factor 1 (IGF-1) in milk of hemi-and homozygous transgenic rabbits over several generations. Transgenic Res 7: 437–447. Zumkeller W and Schwab M (1999) Insulin-like growth factor system in neuroblastoma tumorigenesis and apoptosis: potential diagnostic and therapeutic perspectives. Hormone Metabol Res 31: 138–141.