Sialylation, the attachment of sialic acid residues to a protein, can affect the biological activity and in vivo circulatory half-life of glycoproteins. Human ${\alpha}2$,3-sialyltransferase (${\alpha}2$,3-ST) and ${\beta}1$,4-galactosyltransferase (${\beta}1$,4-GT) are responsible for terminal sialylation and galactosylation, respectively. Enhanced sialylation of human erythropoietin (EPO) by the expression of ${\alpha}2$,3-ST and ${\beta}1$,4-GT was achieved using recombinant Chinese hamster ovary (CHO) cells (EC1). The sialic acid content and sialylation of N-glycans were evaluated by HPLC. When ${\alpha}2$,3-ST was expressed in CHO cells (EC1-ST2), the sialic acid content (moles of sialic acid/mole of EPO) increased from 6.7 to 7.5. In addition, the amount of trisialylated glycans increased from 17.3% to 26.1 %. When ${\alpha}2$,3-ST and ${\beta}1$,4-GT were coexpressed in CHO cells (EC1-GTST15), the degree of sialylation was greater than that in EC1-ST2 cells. In the case of EC1-GTST15 cells, the sialic acid content increased to 8.2 and the proportion of trisialylated glycans was markedly increased from 17.3% to 35.5%. Interestingly, the amount of asialoglycans decreased only in the case of GTST15 cells (21.4% to 14.2%). These results show that coexpression of ${\alpha}2$,3-ST and ${\beta}1$,4-GT is more effective than the expression of ${\alpha}2$,3-ST alone. Coexpression of ${\alpha}2$,3-ST and ${\beta}1$,4-GT did not affect CHO cell growth and metabolism or EPO production. Thus, coexpression of ${\alpha}2$,3-ST and ${\beta}1$,4-GT may be beneficial for producing therapeutic glycoproteins with enhanced sialylation in CHO cells.
We have previously reported that N-acetylcysteine (NAC) not only delayed apoptosis but also enhanced the production of recombinant erythropoietin (EPO) in Chinese hamster ovary (CHO) cell culture. To investigate the production enhancement mechanism, the effects of similar thiol-reducing agents were studied. Intriguingly, all mild reducing agents examined including mercaptoethanesulfonic acid (MESNA), thiolactic acid (TLA), and thioglycolate (TG) were shown to block apoptosis and increase EPO production. A pulse-chase study of EPO secretion revealed that all four thiol-reducing agents increased the EPO secretion rate; among them TLA showed the highest rate. In terms of product quality, the sialic acid content of the glycoprotein is one of the most important factors. It was reported that a number of glycoproteins produced by CHO cells often have incomplete sialylation, particularly under high-producing conditions. Human ${\alpha}2,3$-sialyltransferase (${\alpha}2,3$-ST) was introduced into EPO-producing CHO cells in order to compensate for the reduced sialylation during supplementation with NAC. When ${\alpha}2,3$-ST was expressed in the presence of NAC, reduced sialylation was restored and an even more sialylated EPO was produced. Thus, our study is significant in that it offers increased EPO production while still allowing the prevention of decreased sialylation of EPO.
Lim, Jin-Hyuk;Cha, Hyun-Myoung;Park, Heajin;Kim, Ha Hyung;Kim, Dong-Il
KSBB Journal
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v.32
no.3
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pp.193-198
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2017
Sialylation is important in producing therapeutic proteins such as antibody, cytokine and fusion protein. Thus, enhancement of sialylation is usually performed in CHO cell cultures. ${\alpha}2,6$-Sialyltransferase (ST), which plays a key role in the attachment of ${\alpha}2,6-sialic$ acid, is present in human cells but not in Chinese hamster ovary (CHO) cells. Overexpression of ${\alpha}2,6-ST$ can be used for enhancing the degree of sialylation and achieving human-like glycosylation. In this study, we constructed CHO cells producing human cytotoxic T-lymphocyte antigen4-immunoglobulin (hCTLA4-Ig) as well as ${\alpha}2,6-ST$. Transfected CHO cells were selected using G418 and stable cell line was established. Profiles of viable cell density and hCTLA4-Ig titer in an overexpressed cell line were similar to those of a wild-type cell line. It was confirmed that the total amount of sialic acid was increased and ${\alpha}2,6-sialic$ acid was attached to the terminal residues of N-glycan of hCTLA4-Ig by ESI-LC-MS. Compared to 100% of ${\alpha}2,3-sialic$ acid in wild type cells, 70.9% of total sialylated N-glycans were composed of ${\alpha}2,6-sialic$ acid in transfected cells. In conclusion, overexpression of ${\alpha}2,6-ST$ in CHO cells led to the increase of both the amount of total sialylated N-glycan and the content of ${\alpha}2,6-sialic$ acid, which is more resemble to human-like structure of glycosylation.
The glycosylation pattern of Erythropoietin (EPO), produced by recombinant CHO cells, was studied using the simple and rapid technique of 'Lectin-blotting'. In this experiment we used three different kinds of lectins, MAA(Maackia amurensis agglutinine), RCA(Ricinus communis agglutinine), and DSA(Datura stramonium agglutinine), which bind to the terminal sialic acid, galactose, and the N-acetyllactosamine chain respectively. The lectin-blotting technique was used to analyze the carbohydrate structure of EPO produced in the presence of two physiologically active chemical compounds, ammonium and chloroquine. The effect of the ammonium ion on the glycosylation of EPO was studied because it accumulated in the medium mainly as a by-product of glutamine matabolism. Ammonium chloride significantly inhibited the sialylation of the terminal galactose residue at concentrations of 8mM or more. Chloroquine, a potent inhibitor of glycosylation, inhibited terminal sialylation at concentrations of 100 and 200 $\mu$M, and at a concentration of 300 $\mu$M, also inhibited Nacetyllactosamine chain synthesis.
Endometriosis is a disease characterized by implants of endometrial tissue outside the uterine cavity and is strongly associated with infertility. Focal adhesion of endometrial tissue to the peritoneum is an indication of incipient endometriosis. In this study, we examined the effect of various cytokines that are known to be involved in the pathology of endometriosis on endometrial cell adhesion. Among the investigated cytokines, transforming growth factor-${\beta}1$ ($TGF-{\beta}1$) increased adhesion of endometrial cells to the mesothelium through induction of ${\alpha}2-6$ sialylation. The expression levels of ${\beta}$-galactoside ${\alpha}2-6$ sialyltransferase (ST6Gal) 1 and ST6Gal2 were increased through activation of $TGF-{\beta}RI/SMAD2/3$ signaling in endometrial cells. In addition, we discovered that terminal sialic acid glycan epitopes of endometrial cells engage with sialic acid-binding immunoglobulin-like lectin-9 expressed on mesothelial cell surfaces. Interestingly, in an in vivo mouse endometriosis model, inhibition of endogenous sialic acid binding by a $NeuAc{\alpha}2-6Gal{\beta}1$-4GlcNAc injection diminished $TGF-{\beta}1$-induced formation of endometriosis lesions. Based on these results, we suggest that increased sialylation of endometrial cells by $TGF-{\beta}1$ promotes the attachment of endometrium to the peritoneum, encouraging endometriosis outbreaks.
Sohn, Youngsoo;Lee, Jung Mi;Park, Heung-Rok;Jung, Sung-Chul;Park, Tai Hyun;Oh, Doo-Byoung
BMB Reports
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v.46
no.3
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pp.157-162
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2013
Human ${\alpha}$-galactosidase A (GLA) has been used in enzyme replacement therapy for patients with Fabry disease. We expressed recombinant GLA from Chinese hamster ovary cells with very high productivity. When compared to an approved GLA (agalsidase beta), its size and charge were found to be smaller and more neutral. These differences resulted from the lack of terminal sialic acids playing essential roles in the serum half-life and proper tissue targeting. Because a simple sialylation reaction was not enough to increase the sialic acid content, a combined reaction using galactosyltransferase, sialyltransferase, and their sugar substrates at the same time was developed and optimized to reduce the incubation time. The product generated by this reaction had nearly the same size, isoelectric points, and sialic acid content as agalsidase beta. Furthermore, it had better in vivo efficacy to degrade the accumulated globotriaosylceramide in target organs of Fabry mice compared to an unmodified version.
Erythropoietin is a main regulator of human erythropoiesis. Recombinant human erythropoietin (rhEPO) is one of the glycoproteins produced in animal cells, and it has oligo saccharides chains which comprise about 40% of its molecular mass. Because the content of sialic acid can extend circulatory lifetime, the high degree of sialylation is often a desirable feature of therapeutic glycoproteins. In this study, the sialylation of rhEPO produced by chinese hamster ovary cell culture was maximized by supplementing the culture medium with N-acetylm-annosamine (ManNAc), a direct intracellular precursor for sialic acid synthesis and 2-deoxy-2,3-dehydro-N-acetylneuraminic acid (NeuAc2en), a sialidase inhibitor. Feeding of 20 mM ManNAc/0.5 mM NeuAc2en into culture medium increased the sialic acid content by nearly tenfold compared with unsupplemented medium. This effect was achieved without affecting the cell growth or product yield. Six erythropoietin fractions differing in sialic acid content, ranging from 11∼15% of EPO, were identified from chinese hamster ovary cell-derived rhEPO by mono Q column chromatography. It was found that, at 20 mM ManNAc/0.5 mM NeuAc2en feeding, productivity of hyper-glycosylated EPO increased up to 50%, compared with the unsupplemented medium.
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