Растительные системы экспрессии в качестве продуцентов рекомбинантных фармацевтически ценных белков
https://doi.org/10.18699/VJ17.322
Аннотация
Рынок фармацевтически ценных белков – наиболее быстро развивающийся сегмент экономики. Большая часть биофармацевтиков получена в клетках млекопитающих и микроорганизмов, однако обе системы обладают рядом недостатков. Растительные клетки сочетают в себе достоинства эукариотической системы наработки белка и простоту и дешевизну бактериальной. Использование растений для получения рекомбинантных белков – экономически значимое и перспективное направление. Преимуществом растительных систем является более низкая стоимость культивирования клеток. Они свободны от нежелательных компонентов, таких как эндотоксины бактерий, гипергликозилированные белки, продуцируемые дрожжами, патогены животных и человека в клеточных культурах трансгенных животных. Растения относятся к высшим эукариотам, поэтому в их клетках происходит полноценный фолдинг и образование сложных мультимерных белковых комплексов, а также значительная часть посттрансляционных модификаций аналогично таковым в клетках млекопитающих. Развиваемые ныне растительные системы экспрессии рекомбинантных белков чрезвычайно разнообразны и насчитывают более 100 различных технологий, основанных на разных видах растений, способах переноса генов, экспрессионных стратегиях, методах последующего извлечения целевого белка и пр. К ним относятся ядерная и пластидная трансформация, транзиентная и стабильная экспрессия при трансформации с помощью агробактериального переноса, бомбардировки или электропорации, культивирование целых наземных или водных растений, растительных тканей или суспензионных клеточных культур в качестве экспрессионных систем. В обзоре анализируется современное состояние исследований в области использования растительных систем экспрессии для наработки рекомбинантных фармацевтических белков. Сделан акцент на преимуществах культур растительных клеток по сравнению с другими системами экспрессии. Описаны растительные системы для наработки рекомбинантных белков, такие как транспластомные растения, культуры мхов и водных растений, а также суспензионные культуры клеток высших растений. Рассмотрено современное состояние рынка рекомбинантных белков, полученных с применением растительных систем экспрессии. Обсуждаются перспективы растительных («съедобных») вакцин, созданных на основе генетически модифицированных растений.
Ключевые слова
Об авторах
Е. В. ДейнекоРоссия
Новосибирск.
А. А. Загорская
Россия
Новосибирск.
Список литературы
1. Almaraz-Delgado A.L., Flores-Uribe J., Perez-Espana V.H., SalgadoManjarrez E., Badillo-Corona J.A. Production of therapeutic proteins in the chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii. AMB Express. 2014;4:57. DOI 10.1186/s13568-014-0057-4. PMID:25136510.
2. Apeler H., Peters J., Schroder W. Expression, purification, and pharmacological characterization of a recombinant aprotinin variant. Drug Res. 2004;54(8):483-497. DOI 10.1055/s-0031-1297003.
3. Arakawa T., Chong D.K.X., Langridge H.R. Efficacy of food plantbased oral cholera toxin B sununit vaccine. Nat. Biotechnol. 1998; 16:292-297. DOI 10.1038/nbt0398-292.
4. Boynton J.E., Gilham N.W., Harris S.E. Chloroplast transformation in Chlamydomonas with high velocity microprojectiles. Science. 1988; 240:1534-1538. DOI 10.1126/science.2897716.
5. Casteleijn M., Richardson D. Engineering cells and proteins – creating pharmaceuticals. Eur. Pharm. Rev. 2014;19(4):12-19.
6. Cox K.M., Sterling J.D., Regan J.T. Glycan optimization of a human monoclonal antibody in the aquatic plant Lemna minor. Nat. Biotechnol. 2006;24:1591-1597. DOI 10.1038/nbt1260.
7. Daniell H. Transgenic containment by maternal inheritance: effective or elusive. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007;1104:6879-6880. DOI 10.1073/pnas.0702219104.
8. Daniell H., Chebolu S., Kumar S., Singleton M., Falconer R. Chloroplast-derived vaccine antigens and other therapeutic proteins. Vaccine. 2005;23:1779-1783. DOI 10.1016/j.vaccine.2004.11.004.
9. DeCosa B., Moar W., Lee S.B., Miller M., Daniell H. Overexpression of the Bt cry2Aa2 operon in chloroplasts leads to formation of insecticidal crystals. Nat. Biotechnol. 2001;19:71-74. DOI 10.1038/83559.
10. Desai P.N., Shrivastava N., Padh H. Production of heterologous proteins in plants: Strategies for optimal expression. Biotechnol. Adv. 2010;28:427-435. DOI 10.1016/j.biotechadv.2010.01.005.
11. Dufourmantel N., Pelissier B., Garçon F., Peltier G., Ferullo J.M., Tissot G. Generation of fertile transplastomic soybean. Plant Mol. Biol. 2004;55:479-489. DOI 10.1007/s11103-004-0192-4.
12. Fischer R., Schillberg S., Hellwig S., Twyman R.M., Drossard J. GMP issues for recombinant plant-derived pharmaceutical proteins. Biotechnol. Adv. 2012;30:434-439. DOI 10.1016/j.biotechadv.2011.08.007.
13. Franklin S.E., Mayfield S.P. Prospects for molecular farming in the green algae Chlamydomonas. Curr. Opin. Plant Biol. 2004;7:159165. DOI 10.1016/j.pbi.2004.01.012.
14. Gelvin S.B. Agrobacterium-mediated plant transformation: the biology behind the “gene-jockeying” tool. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2003;67(1):16-37. DOI 10.1128/MMBR.67.1.16-37.2003.
15. Gleba Y., Klimyuk V., Marillonnet S. Magnifection – a new platform for expressing recombinant vaccines in plants. Vaccine. 2005;23:2042-2048. DOI 10.1016/j.vaccine.2005.01.006.
16. Gleba Y., Klimyuk V., Marillonnet S. Viral vectors for the expression of proteins in plants. Curr. Opin. Biotechnol. 2007;18:134-141. DOI 10.1016/j.copbio.2007.03.002.
17. Haq T.A., Mason H.S., Clements J.D., Arntzen C.J. Oral immunization with a recombinant bacterial antigen produced in transgenic plants. Science. 1995;268:714-719. DOI 10.1126/science.7732379.
18. Hellwig S., Drossard J., Twyman R.M., Fischer R. Plant cell cultures for the production of recombinant proteins. Nat. Biotechnol. 2004; 22:1415-1422. DOI 10.1016/j.biotechadv.2011.08.007.
19. Howard J.A. Commercialization of biopharmaceutical and bioindustrial proteins from plants. Crop Sci. 2005;45:468-472. DOI 10.2135/cropsci2005.0468.
20. Huang T.-K., McDonald K.A. Bioreactor engineering for recombinant protein production in plant cell suspension cultures. Biochem. Eng. J. 2009;45:168-184. DOI 10.1016/j.bej.2009.02.008.
21. Kaldis A., Ahmad A., Reid A., McGarvey B., Brandle J., Ma Sh., Jevnikar A., Kohalmi S.E., Menassa R. Highlevel production of human interleukin-10 fusions in tobacco cell suspension cultures. Plant Biotechnol. J. 2013;11:535-545. DOI 10.1111/pbi.12041.
22. Lelivelt C., McCabe M., Newell C. Stable plastid transformation in lettuce (Lactuca sativa L.). Plant Mol. Biol. 2005;58:763-774. DOI 10.1007/s11103-005-7704-8.
23. Magnuson N.S., Linzmaier P.M., Reeves R., An G., Hay-Glass K., Lee J.M. Secretion of biologically active human interleukin-2 and interleukin-4 from genetically modified tobacco cells in suspension culture. Protein Expr. Purif. 1998;13:45-52. DOI 10.1006/prep.1998.0872.
24. Martinez C.A., Guilietti A.M., Talou R. Research advances in plantmade flavi-virus antigens. Biotechnol. Adv. 2012;30:1493-1505. DOI 10.1016/j.biotechadv.2012.03.004.
25. Mason H.S., Haq T.A., Clements J.D., Arntzen C.J. Edible vaccine protects mice against Echerichia coli heat-labile enterotoxin (LT): potatoes expressing a synthetic LT-B-gene. Vaccine. 1998;16:13361343. DOI 10.1016/S0264-410X(98)80020-0.
26. Mason H.S., Lam D.M., Arntzen C.J. Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992;89: 11745-11749.
27. Nagels B., Weterings K., Callewaert N., van Damme E.J.M. Production of plant made pharmaceuticals: from plant host to functional protein. Crit. Rev. Plant Sci. 2012;31:148-180. DOI 10.1080/ 07352689.2011.616075.
28. Permyakova N.V., Uvarova E.A., Deineko E.V. State of research in the field of the creation of plant vaccines for veterinary use. Russian Journal of Plant Physiology. 2015;62(1):23-38. DOI 10.1134/S1021443715010100.
29. Reinsing S., Lang D., Knight C. The Physcomitrella genome reveals evolutionary insights into the conquest of land by plants. Science. 2008;319:64-69. DOI 10.1126/science.1150646.
30. Reski R., Parsons J., Decker E.L. Moss-made pharmaceuticals: from bench to bedside. Plant Biotechnol. J. 2015;13(8):1191-1198. DOI 10.1111/pbi.12401.
31. Rosales-Mendoza S. Algae-Based Biopharmaceuticals. Springer, 2016. DOI 10.1007/978-3-319-32232-2.
32. Rosales-Mendoza S., Tello-Olea M.A. Carrot cells: a pioneering platform for biopharmaceuticals production. Mol. Biotechnol. 2015;57: 219-232. DOI 10.1007/s12033-014-9837-y.
33. Rybicki E.P. Plant-made vaccines for humans and animals. Plant Biotechnol. J. 2010;8:620-637. DOI 10.1111/j.1467-7652.2010.00507.x.
34. Schelkunov S.N., Salyaev R.K., Pozdnyakov S.G., Rekoslavskaya N.I., Nesterov A.E. Immunogenecity of a novel, bivalent, plantbased oral vaccine against hepatitis B and human immunodeficiency viruses. Biotechnol. Lett. 2006;28(13):959-967. DOI 10.1007/ s10529-006-9028-4.
35. Schiermeyer A., Schillberg S. Plant molecular pharming – pharmaceuticals for human health. Encyclopedia of Sustainability Science and Technology. Ed. R.A. Meyers. N. Y.: Springer, 2012;8126-8141.
36. Schillberg S., Raven N., Fischer R., Twyman R., Schiermeyer A. Molecular farming of pharmaceutical proteins using plant suspension cell and tissue cultures. Curr. Pharm. Des. 2013;19:5531-5542.
37. Sourrouille C., Marshall B., Lienard D., Faye L. From Neanderthal to nanobiotech: From plant potions to pharming with plant factories. Ed. L. Faye, V. Gomord. Methods in Molecular Biology: Recombinant Proteins From Plants. Humana Press, a part of Springer Science+Buisness Media, 2009;1-23. DOI 10.1007/978-1-59745407-0_1.
38. Tacket C.O., Mason H.S., Losonsky G., Estes M.K., Arntzen C.J. Human immune responses to a novel Norwalk virus vaccine delivered in transgenic potatoes. J. Infect. Dis. 2000;182:302-305. DOI 10.1086/315653.
39. Taunt H., Stoffels L., Purton S. Green biologics: The algal chloroplast as a platform for making biopharmaceuticals. Bioengineered. 2017. DOI 10.1080/21655979.2017.1377867.
40. Tekoah Y., Shulman A., Kizhner T., Ruderfer I., Fux L., Nataf Y., Bartfeld D., Ariel T., Gingis-Velitski S., Hanania U., Shaaltiel Y. Large-scale production of pharmaceutical proteins in plant cell culture – the protalix experience. Plant Biotechnol. J. 2015;13:11991208. DOI 10.1111/pbi.12428.
41. Tiwari S., Verma P.C., Singh P.K., Tuli R. Plants as bioreactors for the production of vaccines and antigens. Biotechnol. Adv. 2009;27:449467. DOI 10.1016/j.biotechadv.2009.03.006.
42. Twyman R.M., Stoger E., Schillberg S., Christou P., Fischer R. Molecular farming in plants: host systems and expression technology. Trends Biotechnol. 2003;21:570-578. DOI 10.1016/j.tibtech.2003.10.002.
43. Weise A., Altmann F.M., Rodriguez-Franco M. High level expression of secreted complex glycosylated recombinant human erythropoietin in the Physcomitrella delta-fuc-t and delta-xyl-t mutant. Plant Biotechnol. J. 2007;5:389-401. DOI 10.1111/j.14677652.2007.00248.x.
44. Yusibov V., Rabindran S. Resent progress in the development of plant-derived vaccines. Expert Rev. Vaccin. 2008;7:1173-1183. DOI 10.1586/14760584.7.8.1173.
45. Yusibov V., Streatfield S., Kushnir N. Clinical development of plant-produced recombinant pharmaceuticls. Hum. Vaccin. 2011;7(3):313-321. DOI 10.4161/hv.7.3.14207.