动物细胞培养过程中活性氧对乳酸代谢特征转变的影响及调控机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21406066
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The adverse effects of lactate accumulation on antibody productivity of mammalian cells were well-known. A metabolic shift from lactate production to net lactate consumption phenotype was desirable and identified as a critical process parameter correlated to high productivity. However, this metabolic shift was neither generic nor could it be hardly controlled, as the mechanism modulating lactate production/consumption in cell culture was still under investigation. In our previous studies, a correlation between reactive oxygen species (ROS) and lactate-shift was observed. To further investigate lactate-shift mechanism, several engineered Chinese hamster ovary cell lines (CHO lines) producing “blockbuster” therapeutic antibodies will be employed in this study. Lactate profiles will be first observed during different ROS levels. And the speculation that lactate shift is ascribed to ROS accumulation will be verified. Then, the main signal pathway and key steps of lactate-shift will be clarified by analyzing the performance of p53 expression, phosphofructokinase activity, cytochrome c oxidase activity, pyruvate concentration, NADH concentration, glycolytic pathway level, oxidative phosphorylation level, and lactate response when up-regulating/down-regulating ROS level. And the mechanism of lactate-shift caused by ROS will be further understood. On this basis, lactate-shift manual regulation strategy will be proposed with aim to reduce lactate concentration during the antibody production stage. A high-yielding process will be further estabilished with the increased cell density, improved antibody productivity, and prolonged culture time. This research will facilitate the high-yielding manufacture of therapeutic antibodies by mammalian cell culture directly, and provide new perspectives for development of “super”-CHO cell lines.
本项目将紧紧围绕动物细胞培养过程优化面临的乳酸代谢难以人为调控这一关键技术难题,以表达具有广阔市场前景的抗体蛋白药物的CHO工程细胞为研究对象,基于代谢工程和过程优化的基本理论和方法,从减少乳酸累积并促进其消耗、提高营养物利用率出发,首先认识胞内活性氧水平与乳酸生成和消耗的关系,揭示其对乳酸代谢特征转变所发挥的重要作用,随后通过分子水平、蛋白质水平以及代谢网路的研究和分析,认识活性氧水平对p53蛋白表达、磷酸果糖激酶和细胞色素氧化酶酶活、胞浆丙酮酸和NADH浓度、糖酵解途径流量和氧化磷酸化水平等与乳酸代谢相关的上下游途径和节点的影响,以进一步揭示工程细胞在培养过程中发生乳酸代谢特征转变的作用机制,从而掌握有效调控乳酸代谢行为的科学方法,为未来优化工业规模动物细胞培养过程、提高抗体等重组蛋白药物的生产效率提供科学指导。此外,本项目研究成果也将为构建更为高效高产的工程细胞株提供新的思路。

结项摘要

本项目围绕动物细胞培养过程优化面临的乳酸代谢难以人为调控这一关键技术难题,以表达抗体蛋白药物的CHO工程细胞为研究对象,首先分析了不同乳酸代谢特征下胞内氧化状态的差异,结果显示,处于乳酸消耗状态下的细胞伴随着更高的氧化状态,细胞氧化还原电势从-705.45±12.67 mV提高到-363.78±13.98 mV)。其次,采用MFA分析手段对两个典型乳酸代谢培养过程进行分析,结果显示,提高胞内氧化状态后(即乳酸代谢转变),糖酵解速率降低了37.12%,丙酮酸到乙酰辅酶A的代谢通量增加了13.33%,三羧酸循环通量提高了23.19%,胞浆中NAD+/NADH较乳酸生成期提高1.48倍。这些代谢的变化导致胞浆中丙酮酸浓度降低。胞内氧化能力的提高(NAD+/NADH)以及胞浆丙酮酸浓度的下降为乳酸向丙酮酸转化提供了驱动力。最后采用分子生物学的手段分析胞内氧化状态、p53蛋白和乳酸代谢三者之间关系,发现提高胞内氧化状态后,活性氧水平提高了30-40%,为了避免由高浓度活性氧引起氧化应激损伤,p53蛋白的表达被激活(其mRNA表达量提高了84.21%)。p53蛋白表达水平的提高一方面抑制下游PFK-1的表达水平(降低29%)和活性(降低25%),降低了糖酵解速率,另一方面细胞色素C氧化酶-2(SCO2)mRNA相对表达量提高了42.85%,增强了氧化磷酸化水平。综上所述,乳酸代谢转变调控机制可描述为ROS的累积提高胞内氧化状态,细胞为了维持氧化还原状态平衡,激活了抗氧化剂p53蛋白的表达,p53蛋白作为关键调控因子抑制糖酵解途径,增强TCA循环和氧化磷酸化水平,导致胞浆中NADH和丙酮酸浓度降低,为乳酸向丙酮酸转化的提供驱动力。通过本项目的研究,深入认识了胞内氧化状态在CHO细胞乳酸代谢转变中所发挥的作用,可望对细胞培养过程中乳酸代谢转变进行有效调控,为解决细胞培养过程中乳酸积累问题提供借鉴。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
金属离子对CHO细胞抗体表达及抗体电荷分布的影响
  • DOI:
    10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.08.034
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    生物技术通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张鑫涛;唐红萍;赵亮;范里;刘旭平;缪仕伟;谭文松
  • 通讯作者:
    谭文松
Elucidating theeffects of pH shift on IgG1 monoclonal anitobody acidic charge variant levelsin Chinese hamster ovary cell culture
阐明pH变化对中国仓鼠卵巢细胞培养物中IgG1单克隆抗体酸性电荷变异体水平的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Applied Microbiology and Biotechnology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    范里
  • 通讯作者:
    范里
Identification of multiple sources of the acidic charge variants in an IgG1 monoclonal antibody
IgG1 单克隆抗体中酸性电荷变体的多种来源的鉴定
  • DOI:
    10.1007/s00253-017-8301-x
  • 发表时间:
    2017-07-01
  • 期刊:
    APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Miao, Shiwei;Xie, Panpan;Tan, Wen-Song
  • 通讯作者:
    Tan, Wen-Song
酵母抽提物对CHO细胞生长及抗体表达的影响
  • DOI:
    10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016-1020
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    生物技术通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡冬冬;赵亮;范里;刘旭平;邓献存;缪仕伟;谭文松
  • 通讯作者:
    谭文松

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其他文献

感染时间对MDCK细胞中H1N1甲型流感病毒扩增过程的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    生物技术通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    范里;赵亮;谭文松;陈则
  • 通讯作者:
    陈则

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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