Baeshen, Mohammed N.;Al-Hejin, Ahmed M.;Bora, Roop S.;Ahmed, Mohamed M. M.;Ramadan, Hassan A. I.;Saini, Kulvinder S.;Baeshen, Nabih A.;Redwan, Elrashdy M.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제25권7호
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pp.953-962
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2015
Escherichia coli is the most preferred microorganism to express heterologous proteins for therapeutic use, as around 30% of the approved therapeutic proteins are currently being produced using it as a host. Owing to its rapid growth, high yield of the product, costeffectiveness, and easy scale-up process, E. coli is an expression host of choice in the biotechnology industry for large-scale production of proteins, particularly non-glycosylated proteins, for therapeutic use. The availability of various E. coli expression vectors and strains, relatively easy protein folding mechanisms, and bioprocess technologies, makes it very attractive for industrial applications. However, the codon usage in E. coli and the absence of post-translational modifications, such as glycosylation, phosphorylation, and proteolytic processing, limit its use for the production of slightly complex recombinant biopharmaceuticals. Several new technological advancements in the E. coli expression system to meet the biotechnology industry requirements have been made, such as novel engineered strains, genetically modifying E. coli to possess capability to glycosylate heterologous proteins and express complex proteins, including full-length glycosylated antibodies. This review summarizes the recent advancements that may further expand the use of the E. coli expression system to produce more complex and also glycosylated proteins for therapeutic use in the future.
Xylanase has been used extensively in the industrial and agricultural fields. However, the low-yield production of xylanase from native species cannot meet the increasing demand of the market. Therefore, improving the heterologous expression of xylanase through basic gene optimization may help to overcome the shortage. In this study, we synthesized a high-GC-content native sequence of the thermostable xylanase gene xynB from Streptomyces olivaceoviridis A1 and, also designed a slightly AT-biased sequence with codons completely optimized to be favorable to Pichia pastoris. The comparison of the sequences' expression efficiencies in P. pastoris X33 was determined through the detection of single-copy-number integrants, which were quantified using qPCR. Surprisingly, the high GC content did not appear to be detrimental to the heterologous expression of xynB in yeast, whereas the optimized sequence, with its extremely skewed codon usage, exhibited more abundant accumulation of synthesized recombinant proteins in the yeast cell, but an approximately 30% reduction of the secretion level, deduced from the enzymatic activity assay. In this study, we developed a more accurate method for comparing the expression levels of individual yeast transformants. Moreover, our results provide a practical example for further investigation of what constitutes a rational design strategy for a heterologously expressed and secreted protein.
방선균 Streptomyces peucetius OIM ($\underline{O}$verproducing $\underline{I}$ndustrial $\underline{M}$utant)은 반복적인 돌연변이를 통하여 폴리케타이드 항생제인 독소루비신(DXR)의 생산성이 최적화 된 고생산성 산업균주이다. 이 S. peucetius OIM 변이종을 대리의 숙주로 이용하여, 생합경로 크기가 작은 모델 폴리케타이드인 알로에사포나린 II(액티노로딘의 합성경로 유도체)의 생합성 유전자군을 고복제수 플라스미드에 클로닝하여 알로에사포나린 II의 기능적 발현을 확인하여 정량분석을 수행하였다. OIM 균주의 알로에사포나린 II의 생산량은 조절 네트워크가 극대화된 S. coelicolor 변이종 뿐만 아니라 야생형S. peucetius 보다 매우 높은 수준으로 생산되는 것으로 확인되었다. 또한 알로에사포나린 II의 생산 수준은 다운-조절자 $wblA_{spe}$가 제거된 S. peucetius OIM 균주에서 가장 높은것으로 측정되었으며, 이는 합리적으로 유전체를 재설계한 S. peucetius OIM 변이종 균주가 이종의 폴리케타이드 생합성을 높은 수준으로 발현할 수 있는 대리의 숙주로서 충분히 활용 가능함을 보여준다.
To investigate the effects of the Vitreoscilla hemoglobin (VHb) gene on the production of a heterologous protein, a comparative expression system for VHb and ferritin was constructed. First, the VHb gene was inserted into the downstream and upstream regions of the ferritin gene to construct pHF2 and pHF3, respectively. Next, the two plasmids pACHB1 and pVUTFH10, having the VHb gene and the ferritin gene respectively, were constructed in order to express the two genes in different plasmids by using a coplasmid expression system. It was observed that the cell growth was improved in all strains containing the VHb gene. Furthermore, in our coplasmid expression system, the presence of the VHb gene increased production of the ferritin by 1.8 times, as much as that in a strain not having the VHb gene.
Escherichia coli has been used as an expression work horse for foreign genes. This article summarized recent development in genetic engineering techniques for overproduction of medical proteins and industrial enzymes. Special emphasis was placed upon research activities concerning folding and refolding of inclusion bodies at genetic and fermentation levels. Plasmid and mRNA stabilization, development of strong inducible promoters, modification of translational elements and reduction of rpoteolytic degradation were carried out to elevate an expression level of a target protein. Optimization of culture conditions, improvement of denaturation and renaturation steps and coexpression of molecular chaperones or foldase were accomplished to produce active proteins in soluble form. Fusion protein systems with selective separation and surface display technology were also performed in an effort to make the E. coli expression system more effective and versatile.
Using a methylotrophic yeast Hansenula polymorpha, a heterologous gene expression and secretion system was developed for the production of hEGF(human Epidermal Growth Factor) which has been shown to promote epithelial cell proliferation and to inhibit gastric acid secretion. The hEGF gene was chemically synthesized according to the preferred codon usage in H. polymor- pha and expressed under the control of the strong and inducible methanol oxidase(MOX) promoter. The mating factor $\alpha$ pre-pro leader sequence of Saccharomyces cerevisiae was employed for hEGF to be secreted into the extracellular medium. This expression cassette was stably integrated into the host chromosomal DNA. Mature hEGF was efficiently expressed and secreted into the extracel- lular medium. About 24 mg/l of hEGF was detected in the cuture supernatant of a transformant with pA-EGF3 under the suboptimal culture conditions.
1. A. ficuum의 genomic library 검색을 통해 Axe 유전자를 포함하고 있는 5.0 kb의 XbaI DNA 절편을 cloning 했다. Cloning 된 절편의 부분 염기서열 결정 결과 약 1.4 kb의 AXE coding 부위를 확인했으며, cDNA cloning과 그 염기서열의 결정을 통해 AXE coding 부위 내에는 두 개의 intron 이 존재함이 확인되었다. 2. AXE coding 부위의 아미노산 잔기 서열 검색 결과 A. awamori의 AXE와 약 92%의 상동성과 95%의 유사성이 있음이 확인 되었다. 3. 약 900 kb의 AXE의 cDNA를 yeast의 YEp352 vector의 GAL1 promoter의 전사 방향으로 cloning한 후 발현시킨 결과 형질전환체에서 acetyl esterase 활성을 확인했으며, 활성도는 숙주균주에 비해 약 4-5배의 높은 OD unit로 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Almost all currently available retroviral vectors based on murine leukemia virus (MLV) contain one or more viral coding sequences. Because these sequences are also present in the packaging genome, it has been suggested that homologous recombination may occur between the same nucleotide sequence in the packaging genome and the vector, resulting in the production of replication competent retrovirus (RCR). Up until now, it has been difficult to completely remove viral coding sequences since some were thought to be involved in the optimum function of the retroviral vector. For example, the gag coding sequence present in almost all available retroviral vectors has been believed to be necessary for efficient viral packaging, while the pol coding sequence present in the highly efficient vector MFG has been thought to be involved in achieving the high levels of gene expression. However, we have now developed a series of retroviral vectors that are absent of any retroviral coding sequences but produce even higher levels of gene expression without compromising viral titer. In these vectors, the intron and exon sequences from heterologous cellular or viral genes are present. When compared to the well known MLV-based vectors, some of these newly developed vectors have been shown to produce significantly higher levels of gene expression for a longer period. In an experimental system that can maximize the production of RCR, our newly constructed vectors produced an absence of RCR. These vectors should prove to be safer than other currently available retroviral vectors containing one or more viral coding sequences.
Probing Streptomyces albus ATCC 21838 chromosomal DNA with a proline tRNA sequence resulted in an isolation of a putative integrating element in the 6.4-kb EcoRI fragment. It was found that Streptomyces lividans TK-24 transformed with a cloned DNA fragment on a multicopy plasmid, produced a higher level of spore pigment and mycelial red pigment on a regeneration agar. Furthermore, the transformant S. lividans TK-24 produced a markedly increased level of undecylprodigiosin in a broth culture. A nucleotide sequence analysis of the cloned region revealed several open reading frames homologous to the integrases of integrating plasmids or temperate bacteriophages, signal-transducing regulatory proteins with a conserved ATP-binding domain, oxidoreductases ($\beta$-ketoacyl reductase), and an AraC-like transcriptional regulator. To examine the effect on antibiotic production, each coding region was overexpressed separately from the other genes in the region in S. lividans TK-24 with; pJHS3044 for the expression of the signal-transducing regulatory protein homologue, pJHS3045 for the homologue of oxidoreductase, and pJHS3051 for the homologue of the AraC-like transcriptional regulator. Phenotypic studies of S. lividans TK-24 strains harboring plasmids for the overexpression of individual genes suggested the following effects of the genes on antibiotic production: The oxidoreductase homologue stimulated the production of actinorhodin and undecylprodigiosin, which was influenced by the culture conditions; the homologue of the AraC-like transcriptional regulator was the most effective factor in antibiotic production within all the culture conditions tested; the signal-transducing regulatory protein homologue repressed the effect due to the homologue of the AraC-like transcriptional regulator, however, the antibiotic production was derepressed upon entering the stationary phase.
Laccases can oxidize a variety of phenolic and non-phenolic substrates including synthetic dyes. In this research, a laccase gene Lcc9 from Laccaria bicolor was chemically synthesized and optimized to heterogeneous expression in Pichia pastoris and Arabidopsis thaliana. The properties of recombinant laccase expressed by P. pastoris were investigated. The laccase activity was optimal at 3.6 pH and $40^{\circ}C$. It exhibited $K_m$ and $V_{max}$ values of $0.565mmol\;l^{-1}$ and $1.51{\mu}mol\;l^{-1}\;min^{-1}$ for ABTS respectively. As compared with untransformed control plants, the laccase activity in crude extracts of transgenic lines exhibited a 5.4 to 12.4-fold increase. Both laccases expressed in transgenic P. pastoris or A. thaliana could decolorize crystal violet. These results indicated that L. bicolor laccase gene may be transgenically exploited in fungi or plants for dye decolorization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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