Transgenic plant cell cultures for the production of biopharmaceuticals including monoclonal antibodies, recombinant proteins have been regarded as an alternative platform in addition to traditional microbial fermentation and mammalian cell cultures. Plant-made pharmaceuticals (PMPs) have several advantages such as safety, cost-effectiveness, scalability and possibility of complex post-translational modifications. Increasing demand for the quantity and diversity of pharmaceutical proteins may accelerate the industrialization of PMP technology. Up to date, there is no plant-made recombinant protein approved by USFDA (Food and Drug Administration) for human therapeutic uses due to the technological bottlenecks of low expression level and slight differences in glycosylation. Regarding expression levels, it is possible to improve the productivity by using stronger promoter and optimizing culture processes. In terms of glycosylation, humanization has been attempted in many ways to reduce immune responses and to enhance the efficacy as well as stability. In this review article, all these respects of transgenic plant cell cultures were summarized. In addition, we also discuss the general characteristics of plant cell suspension cultures related with bioreactor design and operation to achieve high productivity in large scale which could be a key to successful commercialization of PMPs.
Production of therapeutic proteins by transgenic plant cell suspension cultures is an attractive system alternative to the other expression system. However, plant cell cultures have shown low expression level of foreign proteins and decreased cell viability by the changes of culture conditions. Therefore, it is necessary to enhance cell viability during the culture period. In this study, a quantitative analysis technique was designed to measure relative cell viability for plant suspension cells which have cell wall and aggregates. It was found that the programmed cell death of plant cells by apoptosis was essentially linked with the apoptotic pathway of animal cells. Therefore, effects of nicotinamide, 3-aminobenzamide and antioxidants on cell viability and apoptosis were examined in transgenic Nicotiana tabacum cells producing hGM-CSF. With those additives, cell viability could be maintained and apoptosis could be redued. In the result, the extracellular production of hGM-CSF could be enhanced 2.5 fold. It was also found that the supplementation of glutathione and ascorbic acid suppressed both the cold stress-induced decrease in cell viability and the increase of total genomic DNA fragmentation.
A strong oxidative stress-inducible peroxidase promoter (referred to as SWPA2 promoter) was cloned from tell cultures of sweetpotato (Ipomoea batatas) and characterized in transgenic tobacco cultured cells in terms of biotechnological applications. Employing a transient expression assay in tobacco protoplasts, with five different 5'-deletion mutants of the SWPA2 promoter fused to the $\beta$-glucuronidase (GUS) reporter gene, the 1314 bp deletion mutant showed approximately 30 times higher GUS expression than the CaMV 35S promoter. The expression of GUS activity in suspension cultures of transgenic cells derived from transgenic tobacco leaves containing the -1314 bp SWPA2 promoter-GUS fusion was strongly expressed following 15 days of subculture compared to other deletion mutants, suggesting that the 1314 bp SWPA2 promoter will be biotechnologically useful for the development of transgenic cell lines engineered to produce key pharmaceutical proteins. In this respect, we developed transgenic cell lines such as tobacco (Nicotiana tabacum L. BY-2), ginseng (Panax ginseng) and Siberian ginseng (Acanthopanax senticosus) using a SWPA2 promoter to produce a human lactoferrin (hLf) and characterized the hLf production in cultured cells. The hLf production monitored by ELISA analysis in transgenic BY-2 cells was directly increased proportional to cell growth and reached a maximal level (up to 4.3% of total soluble protein) at the stationary phase in suspension cultures. The SWPA2 promoter should result in higher productivity and increased applications of plant cultured cells for the production of high-value recombinant proteins.
Kim, Young-Sook;Kim, Mi-Young;Kwon, Tae-Ho;Yang, Moon-Sik
Journal of Plant Biotechnology
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v.30
no.1
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pp.97-102
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2003
Lettuce (Lactuca sativa) was transformed with Agrobacterium tumefacience LBA4404 containing human granulocyte macrophage colony stimulating factor (hGM-CSF) gene to produce in cell suspension cultures. Cell suspension culture was established using callus from transgenic lettuce plant. Integration of hGM-CSF gene into plant chromosome was confirmed through genomic PCR and Southern blot analysis. In addition, Northern blot analysis indicated the expression of the introduced hGM-CSF gene in transformed lettuce. The recombinant hGM-CSF was expressed in transgenic cell cultures derived from transgenic plants as a yield of about 149.0 $\mu\textrm{g}$/L in culture filtrate, which was determined by ELISA. These results demonstrated that transformed lettuce cell suspension cultures could be used as a production system of therapeutic proteins such as hGM-CSF.
Kim, Hee Kyoung;Go, Ji Yun;Park, So-Young;Kang, Kwon Kyoo;Jung, Yu Jin
Journal of Plant Biotechnology
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v.47
no.3
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pp.227-234
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2020
To produce the miraculin protein in suspension cultures, rice (Oryza sativa L.) was transformed with Agrobacterium tumefacience EHA105 containing the miraculin AB512278 gene. The cell suspension cultures were established using cell lines selected from transgenic rice callus. The integration of the miraculin gene into the rice chromosome was confirmed using genomic PCR analysis. In addition, RT-PCR analysis indicated that the miraculin gene is expressed in the selected suspension cell lines. Thus, the recombinant miraculin was expressed in the transgenic suspension cell line, HK-2. Therefore, we have successfully developed a HK-2 line that produces miraculin. These results demonstrate that transformed cell suspension cultures can be used to produce a taste-modifying protein such as miraculin.
Silkworm hemolymph (SH), prepared from fifth-instar larvae of Bombyx mori and heat-treated at $60^{\circ}C$ for 30 min, was used to improve cell viability and the production of human cytotoxic T-lymphocyte antigen 4-immunoglobulin (hCTLA4Ig) in transgenic Oryza sativa L. cell suspension cultures. Even though SH could not elevate cell viability at the concentrations up to 3% (v/v), addition of 0.3% (v/v) SH to a culture medium enhanced the production of hCTLA4Ig by 36.8% over an SH-free medium. Moreover, the production period of hCTLA4Ig could be shortened in a 0.3% (v/v) SH-added medium compared with that in an SH-free culture. As a result, addition of 0.3% (v/v) SH improved the productivity of hCTLA4Ig significantly in transgenic rice cell cultures.
Proceedings of the Botanical Society of Korea Conference
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1985.08b
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pp.23-33
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1985
Plant cell culture is emerging to express bioactive foreign proteins because it has several advantages in that it is safe, economical, genetically stable and eukaryotic expression system comparing with other expression systems. However several limitations such as slow growth rate, low expression level and lack of well established down stream process need to be answered. As a preliminary approach to produce the immunologically interested molecules through the plant cell culture, we tested if granulocyte-macrophage colony stimulating factors (GM-CSFs) from both murine (mGM-CSF) and human (hGM-CSF) are produced as a biologically active form through plant cell culture. The murine and human GM-CSF genes were cloned into the plant expression vector, pBI121, and Ti-plasmid mediated transformation of tobacco leaves was conducted using Agrobacterium tumefaciens harboring both recombinant GM-CSF (rGM-CSF) genes. Cell suspension culture was established from the leaf-derived calli of transgenic tobacco plant. Northern blot analysis indicated the expression of the introduced mGM-CSF gene in both transgenic plant and cell suspension cultures. In addition, the biological activities of both murine and human GM-CSF from plant cell culture were confirmed by measuring the proliferation of the GM-CSF dependent FDC-PI and TF-1 cells, respectively.
Jo, Seung-Hyun;Kwon, Suk-Yoon;Park, Doo-Sang;Yang, Kyoung-Sil;Kim, Jae-Whune;Lee, Ki-Teak;Kwak, Sang-Soo;Lee, Haeng-Soon
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.11
no.5
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pp.442-448
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2006
Human lactoferrin (hLf) is an iron-binding glycoprotein that has been considered to play many biological roles in the human, including the stimulation of the immune system, antimicrobial and anti-inflammatory effects, and regulation of iron absorption. We generated transgenic Siberian ginseng (Acanthopanax senticosus) cell cultures producing a functional hLf protein using the signal peptide sequence from the endoplasmic reticulum and driven by an oxidative stress-inducible SWPA2 promoter which is highly expressed in plant cell cultures. The production of hLf increased proportionally to cell growth and showed a maximal level (up to 3.6% of total soluble protein) at the stationary phase in suspension cultures. Full-length hLf protein was identified by immunoblot analysis in transgenic cell cultures of Siberian ginseng. Recombinant hLf (rhLf) was purified from suspension cells of Siberian ginseng by ammonium sulfate precipitation, cation-exchange and gel filtration chromatography. N-terminal sequences of rhLf were identical to native hLf (nhLf). The overall monosaccharide composition of rhLf showed the presence of plant specific xylose while sialic acid is absent. Antibacterial activity of purified rhLf was higher than that of nhLf. Taken together, we anticipate that medicinal Siberian ginseng cultured cells, as demonstrated by this study, will be a biotechnologically useful source for commercial production of functional hLf not requiring further purification.
Kim, Myong-Sik;Nam, Hyung-Jin;Kim, Min-Sub;Kwon, Jun-Young;Kim, Dong-Il
KSBB Journal
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v.28
no.4
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pp.260-268
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2013
Transgenic plant cell cultures are an attractive expression system for the production of industrial and pharmaceutical proteins because of their advantages in safety and low production cost. Human cytotoxic T-lymphocyte antigen 4-immunoglobulin (hCTLA4Ig) was produced and secreted when sugar was depleted in culture medium by transgenic rice cell lines (Oryza sativa L.) using RAmy3D promoter. Due to the production of the target protein by sugar depletion, concomitant occurrence of cell death is inevitable. For that reason, inhibition of cell death for enhancing productivity was necessary for the production period without energy sources. Supplementation of 0.1 mM sodium nitroprusside improved cell viability by 1.4-fold and maximum hCTLA4Ig production by 1.3-fold compared to those of control. Addition of 1 and 10 mM glutathione, N-acetylcysteine (NAC), and nicotinamide inhibited apoptotic-like programmed cell death by decreasing the activity of reactive oxygen species. Production hCTLA4Ig was enhanced 1.4-, 1.25-, and 1.15-fold with 10 mM NAC, 1 mM NAC, and 1 mM glutathione, respectively. In addition, it was found that the supplementation of NAC enhanced the cell viability.
Proceedings of the Botanical Society of Korea Conference
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1999.07a
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pp.45-49
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1999
Plant cell culture is emerging to express bioactive foreign proteins because it has several advantages in that it is safe, economical, genetically stable and eukaryotic expression system comparing with other expression systems. However several limitations such as slow growth rate, low expression level and lack of well established down stream process need to be answered. As a preliminary approach to produce the immunologically interested molecules through the plant cell culture, we tested if granulocyte-macrophage colony stimulating factors (GM-CSFs) from both murine (mGM-CSF) and human (hGM-CSF) are produced as a biologically active form through plant cell culture. The murine and human GM-CSF genes were cloned into the plant expression vector, pBI121, and Ti-plasmid mediated transformation of tobacco leaves was conducted using Agrobacterium tumefaciens harboring both recombinant GM-CSF (rGM-CSF) genes. Cell suspension culture was established from the leaf-derived calli of transgenic tobacco plant. Northern blot analysis indicated the expression of the introduced mGM-CSF gene in both transgenic plant and cell suspension cultures. In addition, the biological activities of both murine and human GM-CSF from plant cell culture were confirmed by measuring the proliferation of the GM-CSF dependent FDC-PI and TF-1 cells, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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