Expressionssysteme für rekombinante Proteine
Welche Zellen rekombinante Proteine herstellen und warum die Fähigkeit zur Glykosylierung über die Wahl des Systems entscheidet.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Expressionssystem ist eine Wirtszelle samt Vektor, die ein Fremdgen abliest und ein rekombinantes Protein bildet; Hauptkriterium der Auswahl ist die Glykosylierung.
- E. coli exprimiert auch eukaryotische Gene, wenn man intronfreie cDNA einsetzt; die Produkte sind nicht glykosyliert.
- Prokaryoten eignen sich für Proteine ohne Zuckerketten, etwa Humaninsulin.
- Saccharomyces cerevisiae exprimiert plasmidcodierte Fremdgene und modifiziert sie posttranslational, allerdings mannosereich; auch Insektenzellen und Nicotiana tabacum produzieren rekombinante Proteine.
- CHO-Zellen sind Ovarzellen des Chinesischen Hamsters; als Säugetierzellen bilden sie Proteine mit humanidentischer Tertiärstruktur.
Worum es geht
Viele moderne Arzneistoffe sind Proteine, die gentechnisch in fremden Zellen produziert werden, etwa Humaninsulin oder monoklonale Antikörper. Welche Zelle dafür passt, hängt vor allem davon ab, ob das Protein nach der Translation verändert werden muss. Diese Einheit ordnet die wichtigsten Produktionssysteme vom Bakterium bis zur Säugetierzelle ein.
Prinzip der heterologen Expression
Bei der heterologen Expression liest eine Wirtszelle ein Gen, das aus einem anderen Organismus stammt. Das Gen gelangt über einen Vektor in die Zelle (Vektoren und Gentransfer). Die Wirtszelle übernimmt dann Transkription und Translation, als wäre es ihr eigenes Gen.
Ein Expressionssystem ist eine Wirtszelle oder ein Organismus samt passendem Vektor, der ein eingebrachtes Fremdgen abliest und das Genprodukt als rekombinantes Protein bildet.
Für Biopharmazeutika zählt nicht nur die Aminosäuresequenz. Viele humane Proteine tragen Zuckerketten, die über Stabilität, Halbwertszeit und Wirkung mitentscheiden. Diese Glykosylierung gehört zu den posttranslationalen Modifikationen. Ob ein System sie beherrscht, ist das wichtigste Auswahlkriterium. Je menschenähnlicher das Produkt sein muss, desto aufwendiger und langsamer wird die Produktion.
Prokaryotische Systeme
Das klassische prokaryotische Expressionssystem ist Escherichia coli. Das Bakterium wächst schnell, braucht einfache Nährmedien und liefert große Mengen Protein. Damit ist es das billigste System.
Auch eukaryotische Gene lassen sich in Bakterien übertragen und dort exprimieren. Ein humanes Gen enthält aber Introns, und Bakterien können nicht spleißen. Man setzt deshalb die intronfreie cDNA ein. Sie kommt in einen Vektor mit bakteriellem Promotor, den E. coli erkennt.
Das fertige Protein hat die richtige Aminosäuresequenz, aber keine Zuckerketten. Bakterien fehlen endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat, wo Eukaryoten glykosylieren. Prokaryoten eignen sich daher für Proteine, die ohne Glykosylierung wirken. Ein Beispiel ist Humaninsulin.
Wird im Examen gerne gefragt: In E. coli exprimierte Fremdproteine sind nicht glykosyliert. Die Expression eukaryotischer Gene ist trotzdem möglich, sofern man cDNA ohne Introns verwendet.
Eukaryotische Systeme
Eukaryotische Zellen besitzen ER und Golgi-Apparat. Sie können Proteine daher posttranslational modifizieren. Die Zuckerketten unterscheiden sich aber je nach Organismus deutlich vom menschlichen Muster.
| System | Beispiel | Glykosylierung |
|---|---|---|
| Hefe | Saccharomyces cerevisiae | mannosereich |
| Insektenzellen | meist mit Baculoviren infiziert | verkürzt |
| Pflanzen | Nicotiana tabacum (Tabak) | pflanzentypisch |
| Säugetierzellen | CHO-Zellen | komplex, sialyliert |
Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist der einfachste Eukaryot unter den Produzenten (zur Pilzzelle). Sie exprimiert plasmidcodierte Fremdgene und modifiziert die Genprodukte posttranslational. Sie wächst fast so unkompliziert wie Bakterien. Ihre Zuckerketten sind jedoch sehr mannosereich.
Insektenzellen und ganze Pflanzen wie Tabak produzieren ebenfalls rekombinante Proteine. Man kann sie sich als Zwischenstufen vorstellen: Sie glykosylieren, aber nicht menschengleich.
CHO-Zellen sind Ovarzellen des Chinesischen Hamsters (Chinese Hamster Ovary), also Säugetierzellen in Kultur. Dass es sich um Säugetierzellen handelt, solltest du sicher können. Kultivierte Säugetierzellen bilden aus humanen Genen Proteine mit humanidentischer Tertiärstruktur und menschenähnlichen Zuckerketten. Deshalb produziert man in CHO-Zellen komplex glykosylierte Wirkstoffe wie Erythropoetin und viele monoklonale Antikörper. Der Preis sind langsames Wachstum und teure Kultur.
Von E. coli über Hefe, Insektenzellen und Pflanzen bis zu CHO-Zellen steigen Menschenähnlichkeit der Glykosylierung und Aufwand gemeinsam an.
Quiz
Aussage 1
Um ein humanes Gen in E. coli zu exprimieren, verwendet man üblicherweise dessen cDNA.
Bakterien können nicht spleißen. Die cDNA enthält keine Introns und kann direkt abgelesen werden.
Aussage 2
CHO-Zellen sind Säugetierzellen aus dem Ovar des Chinesischen Hamsters.
CHO steht für Chinese Hamster Ovary. Als Säugetierzellen bilden sie menschenähnlich glykosylierte Proteine.
Aussage 3
Ein in E. coli hergestelltes humanes Protein trägt dieselben Zuckerketten wie das Protein im menschlichen Körper.
Bakterien fehlen ER und Golgi-Apparat. In E. coli exprimierte Fremdproteine sind daher nicht glykosyliert.
Aussage 4
Saccharomyces cerevisiae kann Fremdgene zwar exprimieren, die Genprodukte aber nicht posttranslational modifizieren.
Als Eukaryot modifiziert die Hefe ihre Genprodukte posttranslational, allerdings mit mannosereichen Zuckerketten.
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