Processi industriali che utilizzano proteine ricombinanti. Agricoltura Mangimi Panificazione Birrificazione

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1 Processi industriali che utilizzano proteine ricombinanti Agricoltura Mangimi Panificazione Birrificazione Detergenti Prodotti fermentati Cibo Succhi di frutta Produzione di farmaci Cartarie Amido Tessili

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3 Alcune proteine umane ricombinanti da tempo approvate per uso medico Insulina (1987) Interleuchina 2 (1989) Ormone della crescita (1991) Glucagone (1992) Interferon gamma (1992) Eritropoietina (1992) Factore VIII (1993) DNAsi umana (1994) Follitropina (1995) Calcitonina (1997) Recombinant Vaccines: Pertosse (1989) Epatite B (1986) Difterite Malattie di Lyme disease (borreliosi)

4 Produzione di proteine utilizzabili come farmaci Centinaia di proteine umane ad uso terapeutico sono state prodotte tramite la tecnologia rdna Il loro valore commerciale è enorme Si stima che il loro mercato valga oltre 150 miliardi di $ Ormone crescita Genentech 250 milioni $ Insulina Eli Lilly 277 miliioni $ Eritropoietina Amgen 2.15 miliardi $

5 Proteine Ricombinanti Ci sono differenze tra le proteine prodotte per usi industriali e quelle prodotte per uso terapeutico Queste riguardano la SICUREZZA (identità con il prodotto atteso, assenza di contaminazioni, riproducibilità della strategia di produzione) e i COSTI DI PRODUZIONE (devono essere bassi per PI, ma possono essere molto alti per PT)

6 Alcuni obiettivi di interesse biotecnologico Riuscire a produrre nuove proteine di interesse medico o industriale Massimizzare la produzione di proteine ricombinanti (un aumentata efficienza di produzione aumenta i profitti) Facilitare i processi di purificazione delle proteine Costruire proteine diverse da quelle presenti in natura, dotate di nuove e vantaggiose proprietà

7 Esempio: Veicolazione di farmaci tramite rmab (terapie a bersaglio molecolare) farmaco Anticorpi monoclonali Proteina della superficie cellulare Cellula bersaglio La cellula fagocita il complesso proteina-anticorpo

8 Veicolazione di farmaci tramite rmab (ADEPT= antibody-directed enzyme pro-drug therapy) Profarmaco Farmaco Enzima anticorpo Antigene di superficie Cellula bersaglio

9 Strategie per la produzione di proteine ricombinanti Qual è l obiettivo? Come scegliere l ospite in cui produrre la proteina? Quanta proteina serve? Come esprimere la proteina (espressione costitutiva, inducibile..)?

10 Clonaggio mediante restrizione Clonaggio mediante PCR e restrizione

11 Clonaggio molecolare

12 Vettori di clonaggio Plasmidi (da 0,1 a kb) naturali artificiali Col E1 psc101 pbr322 puc8 pembl8 Fagi (da 8 a 22 kb) lambda M13 Cosmidi (da 32 a 45 kb) Minicromosomi artificiali (es. BAC kbp, YAC; fino a 2000 kb)

13 VETTORI DI CLONAGGIO Dai plasmidi batterici naturali sono derivati i vettori di clonaggio, le cui caratteristiche essenziali sono: Origine di replicazione Marcatore selezionabile Siti di restrizione unici (polylinker)

14 Spesso è il prodotto di un gene clonato ad essere di primario interesse. Sistemi di iper-espressione per la produzione efficiente di proteine ricombinanti Batteri (E. coli ) Lieviti (S. cerevisiae ; P. pastoris) Cellule in coltura (cellule di insetti e mammiferi) Modelli animali (mucche, pecore) o vegetali La scelta deve tenere conto di diversi fattori: - modificazioni post-traduzionali delle proteine - problemi a livello di regolazione genica - costi e possibilità di scaling up

15 I microrganismi sono facilmente manipolabili, economici, modificabili in tempi rapidi. Tuttavia, le proteine prodotte nei batteri sono prive di modificazioni post-traduzionali. Le cellule di lievito e di insetto consentono di ottenere glicosilazioni, ma queste sono spesso specie-specifiche. Le coltivazione di cellule di mammifero è lenta, costosa e difficilmente consente l ottenimento di proteine in alta resa. L uso di animali come bioreattori ha alcuni vantaggi, ma notevoli limitazioni.

16 Espressione in microrganismi E. coli Prima scelta per piccole e medie proteine VANTAGGI SVANTAGGI Numerosi vettori specifici Non naturalmente Efficienza di trasformazione competenti molto elevata Bassi livelli di espressione Genetica nota (a volte) Crescita molto veloce ed No modificazioni posttraduzionali (glicosilazioni, economica acetilazioni, fosforilazioni) Elevati livelli di espressione (fino al 10% delle proteine totali) Fermentazioni conosciute Facile lisi e ottenimento Facili procedure di espansione lineare Spesso le proteine sono denaturate e precipitano Problemi con proteine multimeriche e ponti disolfuro Proteolisi No meccanismi di export

17 Espressione in microrganismi Saccharomyces cerevisiae VANTAGGI Livelli di espressione moderati-alti Glicosilazione Crescita molto veloce ed economica Meccanismi di export Fermentazioni conosciute Facili procedure di espansione lineare Facile ottenimento SVANTAGGI Efficienza di trasformazione mediobassa Gamma di vettori limitata I geni ricombinanti devono essere incorporati stabilmente Modificazioni posttraduzionali limitate Lisi cellulare

18 Espressione in cellule di insetto Sistema ospite-vettore specifico; cellule in coltura di insetto e vettori da Baculovirus (circolari, a doppio filamento kbp) Vantaggi Livelli di espressione della proteina possono essere molto elevati (fino al 25% del totale) Glicosilazione più simile a quella degli eucarioti superiori Export delle proteine Volumi elevati Svantaggi Sistema di trasformazione altamente specifico (Baculovirus) Purificazione del virus complicata Coltura complicata Tempi di duplicazione molto lenti (20h) Più costoso dei microrganismi Non facile da realizzare su scala industriale

19 Colture di cellule animali Vantaggi Glicosilazione corretta Trasformazione in line cellulari stabili Alcune (es. cellule CHO) crescono in sospensione Alcune cellule derivate da carcinoma (es. HEK293, HeLa) si dividono rapidamente Espressione extracellulare Svantaggi Molte crescono in adesione Hanno condizioni di crescita molto specifiche Hanno tempi di duplicazione piuttosto lenti (15-25h) Sono molto suscettibili alla contaminazione Sono molto delicate Terreni molto costosi Basse rese Utilizzo di vettori virali

20 Colture di cellule vegetali Vantaggi Colture in sospensione Richiesta areazione minima Proteine ricombinanti possono essere dirette ai vacuoli Svantaggi Ambito ristretto di sistemi di trasformazione Agrobacterium per le dicotiledoni Tecnologia Biolistics per le monocotiledoni Virus pianta-specifici Tempi di duplicazione molto lenti (15h 48h) Molto delicate Crescono in modo eterotrofico ma necessitano di esposizione alla luce

21 Altri sistemi di espressione Espressione nell animale intero Trasformazione con il gene di interesse dell embrione fecondato in vitro Uso di promotori tessuto-specifici (es. Promotori lattosio specifici per l espressione di proteine nel latte) Bisogna verificare l identità delle modificazioni post-traduzionali

22 Espressione nei batteri Escherichia coli è il sistema di scelta per tutte le proteine di medie dimensioni ( aminoacidi) prive di modificazioni posttraduzionali. In ogni caso è utile per valutare la funzione delle modificazioni e per la preparazione di antigeni

23 E possibile esprimere la proteina in diversi modi: a) Espressione diretta citoplasmatica (proteina solubile nel citoplasma) b) Espressione diretta periplasmatica (proteina solubile nel periplasma) c) Espressione di una proteina di fusione

24 Manipolazione dell espressione genica nei procarioti Clonare un gene non è sempre sufficiente a garantire l espressione ad alti livelli della proteina codificata Spesso è necessario introdurre modifiche al vettore d espressione, al gene stesso o modificare l ospite.

25 Esprimere proteine in un sistema eterologo non è sempre banale! Nessuna strategia funzionerà in tutti i casi Ogni proteina è unica Può essere necessario apportare più modifiche alle strategie standard

26 Caratteristiche di un vettore di espressione batterico

27 Proprietà modificabili del sistema di espressione 1) Promotore 2) Sequenza di Shine Dalgarnoribosome binding site (RBS) 3) Efficienza di traduzione 4) Localizazzione della proteina (secreta?) 5) Numero di copie del plasmide Plasmide vs. cromosoma Tante vs. 1 6) Organismo ospite 7) Problemi legati alla proteina (vedi oltre)

28 Gene espresso a partire da un promotore forte e regolabile La trascrizione è spesso il punto di controllo più importante per la regolazione dell espressione genica La trascrizione è controllata dal promotore (ospite specifico) I promotori devono essere Forti Possibilmente Regolabili

29 Promotori forti e regolabili Forte Alta affinità per l RNA polimerasi Legame forte - trascritto ad alta frequenza Legame debole - RNA Pol si stacca no trascrizione Regolabile L espressione può essere controllata dal ricercatore, tramite induttori e repressori

30 Alcuni promotori usati frequentemente nei batteri lac trp tac l p L gene 10 del fago T7

31 Operone lac

32 Operone lac Promotore lac Regolazione negativa Il repressore di lac si lega alla sequenza operatore Induttore si lega al repressore, rendendolo non funzionale Induttore = analogo del lattosio, IPTG (Isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside)

33 Promotori Leaky Alcuni promotori (lac, ad esempio) non riescono ad essere controllati in modo molto stringente. Si ha quindi sempre un basso livello di espressione.

34 Sistema dellle cellule BL21

35 Espressione in cellule di mammifero - cellule tumorali (HeLa, HEK 293, CHO, ) - infezione/trasfezione (plasmidi shuttle) - promotori eucariotici (CMV, SV40) ed enhancers

36 Migliorare la Traduzione I promotori forti producono grandi quantità di mrna E però necessario che la traduzione del messaggero sia efficiente

37 Inizio della traduzione nei procarioti

38 La sequenza di Shine e Dalgarno mrna 5 AGGAGG AUG 3 UCCUCC 3 16S rrna 5 small ribosomal subunit

39 CBC: cap-binding complex EJC: exon-junction complexes SR proteins: proteins involved in splicing hnrnps: heterogeneous nuclear ribonucleoproteins

40 Migliorare la traduzione nelle cellule di mammifero -aggiunta di un introne -aggiunta di un segnale di poliadenilazione

41 Migliorare la traduzione Uso dei codoni (codice degenerato) Molti codoni per lo stesso aminoacido Alcuni sono usati di rado poco trna corrispondente Differenti organismi usano il codice genetico in modo diverso Obiettivo: ottimizzare I codoni

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43 Problemi post-traduzionali nei batteri 1) Incapacità della proteina di assumere la corretta struttura 3D nell ambiente batterico 2) Assenza di cofattori essenziali 3) Mancata modificazione posttraduzionale 4) Degradazione proteolitica 5) Tossicità della proteina

44 Esporto della Proteina La stabilità della proteina può aumentare (meno proteasi, ambiente meno riducente) La proteina può essere isolata più facilmente

45 Esporto della Proteina Cosa è richiesto per l esporto? Peptide segnale Questo va aggiunto all estremità NH 2 della proteina (5 del gene) NH 2 signal Proteina di interesse COOH Deve essere in frame!

46 Esporto nei batteri Gram- Le proteine generalmente rimangono intrappolate nello spazio periplamatico

47 Stabilità della proteina La vita media è variabile Da pochi minuti a >24 ore Fattori che influenzano la stabilità NH 2 terminale Sequenze PEST Interne alla sequenza aminoacidica Aumentano la suscettibilità alla proteolisi P = Pro E = Glu S = Ser T = Thr

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49 Proteine di fusione (proteina di interesse + altra proteina/peptide/tag)

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51 + Tag fluorescenti (per localizzazione)

52 Proteine di fusione La degradazione porta a bassi livelli di espressione e difficoltà nel purificare la proteina. Una soluzione frequente: Attaccare la proteina a un partner proteico stabile. Può essere utile rimuovere il Tag (sequenza spaziatrice tra le 2 proteine)

53 Proteine di fusione Servono proteasi per separare le due proteine Se ne conoscono alcune che riconoscono una sequenza altamente specifica Tale sequenza va inserita tra la proteina di interesse e il partner proteico fusion partner protease cleavage gene di interesse

54 Proteine di fusione L uso primario è per la purificazione In questo caso si usano specifici tags (N- o C- terminali) per facilitare la purificazione, possibilmente tramite un unico passaggio cromatografico (ad es. mediante cromatografia per affinità)

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60 Ulteriori strategie per favorire il folding delle proteine Co-espressione di Chaperoni Modificazione dei ceppi batterici (knockout di geni per proteasi, etc..) Modificazioni mirate delle proteine..

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62 Inclusion Bodies Gli inclusion bodies possono essere purificati facilmente Refolding in vitro, Denaturazionerinaturazione

63 Sintesi in sistemi cell-free E possibile far sintetizzare proteine in estratti cellulari di origine procariotica (E. coli) od eucariotica (germe di grano) Nei casi più favorevoli consente di ottenere un alta efficienza di produzione in un volume molto piccolo, che facilita la successiva purificazione della proteina Nessun problema di tossicità Consente l incorporazione di aminoacidi marcati per studi metabolici o strutturali Possono essere inseriti aminoacidi non naturali Più semplice controllare l azione di proteasi o modulare il folding Può essere adattato a produrre proteine con o senza modificazioni post-traduzionali