解读重组蛋白在人类分泌组中表达的决定因素

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Deciphering the determinants of recombinant protein expression across the human secretome

分泌蛋白在CHO细胞中的表达变异主要受蛋白质理化特性（如分子量、半胱氨酸含量、糖基化程度）影响（贡献度约15%），而mRNA丰度贡献度不足1%。宿主转录组分析显示高效细胞具有增强的脂代谢和氧化应激响应能力，低效细胞则呈现上调的ER相关降解和自噬通路。研究为优化CHO细胞工程和生物制造工艺提供新靶点。

　　

重要性

中国仓鼠卵巢（CHO）细胞是治疗性蛋白生产的标准宿主，但某些蛋白的表达仍然具有挑战性。通过对在CHO细胞中表达的人类分泌组蛋白进行综合分析，我们发现转基因mRNA的丰度仅能解释1%的蛋白表达变异，而物理化学特性（如分子量、半胱氨酸含量）则占约15%。同时，宿主细胞的转录组数据显示，不同细胞在分泌、代谢和应激反应方面存在差异：低产细胞中内质网相关降解和网状内吞作用增强，而高产细胞则表现出更强的脂质代谢能力和抗氧化应激耐受性。这些发现量化了已知因素的影响，并强调了宿主细胞转录差异是蛋白表达变异的主要来源，为CHO细胞系和生物工艺工程策略的优化提供了依据。

摘要

蛋白质分泌是哺乳动物细胞的基本生理过程。在生物制造中，这一过程可以通过优化来提高产量和生物治疗产品的质量。尽管细胞系工程和生物工艺优化已使某些重组蛋白的产量显著提升，但仍有许多蛋白难以表达。本研究调查了影响中国仓鼠卵巢（CHO）细胞中蛋白质表达的因素，这些细胞表达了2,135种人类分泌组蛋白。虽然重组蛋白的mRNA丰度仅解释了观察到的分泌量变异的不到1%，但对218个生化和生物物理指标的分析揭示了蛋白质本身的内在特性，这些特性占分泌变异的约15%，确定了分子量、半胱氨酸含量和N-连接糖基化等关键影响因素，为难以表达的蛋白质的合理设计提供了指导。随后，我们分析了95个CHO细胞培养物的RNA-Seq数据，这些细胞各自表达不同的重组蛋白，且蛋白产量差异较大。宿主细胞的转录组特征与蛋白产量之间存在显著相关性，这有助于了解与蛋白质表达相关的细胞过程。无法产生蛋白质的细胞表现出更强的泛素介导的蛋白酶体降解（包括内质网相关降解）；而高产细胞则具有更强的脂质代谢能力和抗氧化应激响应能力，表明这些因素可能有助于重组蛋白的成功表达。通过利用这一资源，我们量化了多种蛋白质和细胞因素对异源宿主体内多种重组人类蛋白表达的影响，为下一代CHO细胞工程提供了有益的见解。