EP1144647A2 - Method of improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines - Google Patents

Method of improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines

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Publication number
EP1144647A2
EP1144647A2 EP00910644A EP00910644A EP1144647A2 EP 1144647 A2 EP1144647 A2 EP 1144647A2 EP 00910644 A EP00910644 A EP 00910644A EP 00910644 A EP00910644 A EP 00910644A EP 1144647 A2 EP1144647 A2 EP 1144647A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
cell lines
glutamine
glucose
energy metabolism
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00910644A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Wagner
Noushin Irani
Manfred Wirth
Joop Van Den Heuvel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH filed Critical Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
Publication of EP1144647A2 publication Critical patent/EP1144647A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/93Ligases (6)

Definitions

  • the invention relates to a method for improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines, expression vectors for use in the method and recombinant mammalian cells with improved primary energy metabolism obtainable by the method.
  • glucose and glutamine have a special position among the numerous essential components of the relatively complex nutrient medium. Because unlike bacteria or yeasts, both substrates are necessary as energy suppliers, with glutamine as the main serves the source of cellular energy (ATP) .. The degree of cellular energy supply from glutamine depends on the individual cell line as well as on the presence and concentration of glucose.
  • the primary energy metabolism of mammalian cells thus consists of glucose and glutamine oxidation and encompasses the metabolic pathways of glycolysis, glutaminolysis and the citrate cycle.
  • the simplified overview of these primary metabolic pathways with branches and crucial enzyme functions is given in FIG. 1.
  • Glyeolysis converts between 80% and 97% of the glucose in mammalian cell lines. However, in contrast to insect or primary cells, almost all of the glucose converted in the glycolysis is processed to lactate in transformed mammalian cell lines, and only a very small part (about 0.2 to 5%) of the glucose carbon or the glycolytic intermediates is obtained the energy-supplying citrate cycle.
  • Glutaminolysis does not represent a single, continuous metabolic pathway like glycolysis, but rather forms a network of up to eight, partly interlinked, alternative metabolic routes, on which glutamine can be oxidized to different degrees and which thus lead to different energy yields and product combinations .
  • glutamine A large part of the glutamine is deaminated and introduced into the citrate cycle via the intermediate a-ketoglutarate, where it can be completely oxidized to C0 2 .
  • glutamine can also be partially converted to the amino acids aspartate, alanine or lactate. These can either be secreted into the culture medium or, in the case of aspartate, can be introduced into the citrate cycle via oxaloacetate.
  • the choice of the routes for the complete or only partial oxidation of the glutamine determines the contribution of the glutamine to the energy balance of the cell.
  • Studies on various mammalian cell lines showed that glutamine in the presence of glucose covers 30% to 65% of the cell's energy requirements, possibly even 98%.
  • the lower the glucose concentration in the medium the higher the contribution of glutamine to the energy balance of the mammalian cell.
  • a key by-product of glutamine degradation is ammonium.
  • glutaminolytic metabolic branch can release one or two moles of ammonium per mole of glutamine, which has a growth-inhibiting to toxic effect on the cells.
  • there is a decrease in the intracellular pH value on the other hand high amounts of ammonium lead to changes in the nucleotide and
  • Metabolism engineering in mammalian cell lines Attempts to significantly improve the growth and productivity of cellular systems probably require the radical change in certain substrate flows of energy metabolism. This requires very precise knowledge of key metabolic points.
  • Rees and Hay (1995) cloned the complete bacterial threonine pathway into a mammalian cell line so that this cell line could grow in threonine-free nutrient medium.
  • the cell line was transfected with two vectors, of which the genes for aspartokinase, aspartate semialdehyde dehydrogenase, homoserine dehydrogenase, homoserine kinase and threonine synthase were constitutively expressed.
  • the complete bacterial pathway for threonine from aspartate was cloned into a mammalian cell line, for the cultivation of which the relatively expensive amino acid threonine is no longer necessary.
  • the transfected cell line showed the same growth behavior as the non-transfected control cell line in threonine-containing medium.
  • the 2,6-sialyltransferase can bind N-acetylneuraminic acid to N-acetylgalactosamine residues of the carbohydrate side chains. Only with this change does the EPO possess human-identical properties that can be important for therapeutic use.
  • the inventors Using an approach to metabolic engineering, the inventors have cloned a recombinant rat brain hexokinase gene into BHK cells in order to expand the rate-determining reaction of glycolysis with additional hexokinase activity and to increase the flow of substances and the amount of cell energy in the form of ATP.
  • the hexokinase activity was up to 3 times higher than usual, the glucose consumption increased, the material flow in the glycolysis increased and the intracellular ATP concentration also increased. Glutamine metabolism was also activated. However, the cell growth rate decreased in the cell lines with strong hexokinase activity and high ATP rates. The production rates of the cells for recombinant Protein products, however, rose. A high ATP content does not seem to promote the growth rates of the cells, but possibly their productivity.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for improving the primary metabolism of mammalian cell lines.
  • this object is achieved with a method for improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines according to claim 1.
  • the invention further relates to expression vectors for use in the method and recombinant mammalian cells obtainable by the method with improved primary energy metabolism compared to the wild type.
  • the recombinant cell lines obtained by the process according to the invention show increased complete glucose oxidation, reduced lactate production, reduced glutamine consumption, higher ATP content and higher oxygen consumption.
  • the recombinant cell lines in batch cultures grow significantly longer than wild-type cell lines and manage longer with the available nutrient resources.
  • the recombinant cell lines can produce much longer with the existing nutrients, so that the total yield of the product increases and the process costs are reduced in comparison to conventional cell lines.
  • Figure 1 is an overview of primary metabolism in mammalian cells.
  • Figure 2a is a schematic representation of common glucose oxidation in mammalian cell lines.
  • FIG. 2b illustrates the strategy according to the invention for metabolism engineering by introducing a cyto-solically expressed pyruvate carboxylase gene (PYC2) from yeast into the cells according to a preferred embodiment of the invention.
  • PYC2 cyto-solically expressed pyruvate carboxylase gene
  • Figure 3 shows the liberation of the 5 'and 3 "region of the PYC2 gene from flanking yeast-specific sequences.
  • FIG. 4 is a schematic drawing of the expression vector pCMVSHE-PYC2 and the selection vector pAG60.
  • pyruvate carboxylase is already well known as an inherited disorder, with patients suffering from severe acidosis leading to premature death.
  • an additional metabolic side path was introduced according to the invention by introducing a cytoplasmic-expressed pyruvate carboxylase (PC).
  • PC cytoplasmic-expressed pyruvate carboxylase
  • pyruvate carboxylase is active in the yeast Saccharomyces cerevisiae, even without the presence of acetyl-CoA (Colowick and Kaplan).
  • This new step now enables the cells to convert pyruvate from glycolysis in the cytoplasm first into oxaloacetate and then with the cytoplasmic malate dehydrogenase already present to malate, which can then be introduced into the mitochondria for further oxidation via a malate-aspartate shuttle ( Fig. 2b).
  • FIG. 2a shows a schematic representation of the usual glucose oxidation in mammalian cell lines.
  • pyruvate In the mitochondria of primary cells, pyruvate is normally deearboxylated to acetyl-CoA by the pyruvate dehydrogenase complex (PDHC) and introduced into the citrate cycle. Little or no PDHC activity is found in mammalian cell lines.
  • PDHC pyruvate dehydrogenase
  • PC Pyruvate carboxylase
  • PEPCK phosphoenolpyruvate carboxykinase
  • FIG. 2b shows the strategy for metabolic engineering by introducing a cytosolic expressed pyruvate carboxylase gene (PYC2) from yeast into the cells.
  • PYC2 cytosolic expressed pyruvate carboxylase gene
  • LDH lactate dehydrogenase
  • NAD + is reduced by the cytoplasmic malate dehydrogenase (MDH cyt ).
  • ME malate enzyme
  • the recombinant cytoplasmic pyruvate carboxylase competes with the lactate dehydrogenase for the substrate pyruvate and extracts this substrate amount for the formation of lactate.
  • the malate dehydrogenase reaction leads to the regression of NAD + from NADH, which is again available for glycolysis at the stage of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. This step reduces the importance of the lactate dehydrogenase reaction for the regression of NAD + .
  • an excess of malate can be deearboxylated with the formation of NADPH by the presence of the malate enzyme with the regression of pyruvate. NADPH is used for many constructive processes and syntheses.
  • the glueose consumption could be reduced by a factor of 4 and the glutamine consumption by 2 times compared to the conventional BHK cells.
  • a 1.4 times higher ATP content with comparable good growth could be demonstrated (Tab. 1).
  • the confirmation that glucose-carbon really does get into the citrate cycle was carried out with the help of radioactively labeled glucose and labeled pyruvate through the release of radioactive 14 C0 2 and a higher glucose oxidation underpinned.
  • the cell-specific oxygen consumption which is an indication of the oxidative metabolism, increased by a factor of 3 in the recombinant, PYC2-expressing cell line compared to the original cell.
  • the lower amounts of substrate used result in a higher amount of product per substrate used, so that these recombinant cell lines can now be used to produce pharmaceutical proteins over a longer period of time using the existing culture medium, which ultimately contributes to reducing the overall production costs.
  • P-lasmids were produced in a manner known per se which carry the PYC2 gene from yeast and accordingly transfect BHK cells with them. It is clear to the person skilled in the art that other cells can also be used instead of the BHK cells. Success was verified using metabolism-specific data. The flux of glucose in the TCA is slightly increased. The oxygen consumption rate, an indication of the degree of oxidative phosphorylation, is also increased.
  • EPO will be used as a model protein to investigate whether cell-specific productivity or the space-time yield in the fermenter can be increased.
  • the cDNA of pyruvate carboxylase (PYC2, isoenzyme 2) from Saccharomyces cerevisiae was obtained from R. Stucka (Stucka et al., 1991). To see possible interactions of the coding
  • the cDNA was removed by endonuclease restriction and ligation after Methods well known in the prior art with small PCR fragments trimmed down to the essential coding sequences (FIG. 3).
  • the modified cDNA was placed under the transertion control of a CMV promoter.
  • the resulting pCMVPYC2 plasmid also contains an ampicillin resistance gene. It is clear that other promoters and resistance genes or selection markers in general can also be used.
  • Figure 3 shows the liberation of the 5 'and 3' region of the PYC2 gene from flanking yeast-specific sequences.
  • a 678 bp fragment was cut out from the 5 'end with Pvull, the missing 381 bp was ligated with PCR (polymerase chain reaction) via specific primers and a HindIII site was added before the coding sequence.
  • the plasmid pCMVSHE-PYC2 was mixed with a neomycin resistance plasmid (pAG60) using the calcium phosphate coprecipitation method (Maitland and McDougall, 1977) in BHK-21A cells according to a modified protocol by Kriegler ( Kriegler, 1990) transfected (Fig. 4). After removing the precipitates, no osmotic shock was applied by adding glycine. The latter measures can, however, be carried out if the practical circumstances so require. There are also their transfection methods known in the prior art can be used.
  • Figure 4 is a schematic drawing of the expression vector pCMVSHE-PYC2 based on the standard expression vector pCMVSHE. It means: CMV: Cytomegalovirus immediate early enhancer promoter; SVpA: late polydenylation signal, splice sites, SV40 early late splice sites.
  • CMV Cytomegalovirus immediate early enhancer promoter
  • SVpA late polydenylation signal, splice sites, SV40 early late splice sites.

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Abstract

The invention relates to a method of improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines. According to said method, a structural gene for a cytoplasmic yeast pyruvate carboxylase is introduced into the mammalian cells by genetic engineering techniques and is expressed in said cells.

Description

Verfahren zur Verbesserung des Primärenergiestoffwechsels von Process for improving the primary energy metabolism of
Säugerzelllinien.Mammalian cell lines.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Pri- märenergiestoffwechsels von Säugerzelllinien, Expressionsvektoren zur Verwendung in dem Verfahren und nach dem Verfahren erhältliche rekombinante Säugerzellen mit verbessertem Primärenergiestoffwechsel .The invention relates to a method for improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines, expression vectors for use in the method and recombinant mammalian cells with improved primary energy metabolism obtainable by the method.
Glucose, eine der Hauptenergiequellen, kann nur zu einem sehr geringen Anteil vollständig zu CO. oxidiert werden. Der Großteil wird als Lactat und Alanin freigesetzt. Da der Energiegewinn bei der aeroben Glyeolyse nur gering ist, wird der Energiebedarf durch die Glutaminolyse gedeckt. Dabei entsteht als toxisches Nebenprodukt Ammonium.Only a very small proportion of glucose, one of the main sources of energy, can be completely converted to CO. be oxidized. The majority is released as lactate and alanine. Since the energy gain in aerobic glycolysis is only small, the energy requirement is covered by glutaminolysis. This creates ammonium as a toxic by-product.
Verschiedene Arbeiten haben gezeigt, dass die entscheidenden Enzyme, die das Endprodukt der Glyeolyse, Pyruvat, in den Ci- tratzyklus (TCA) überführen bei Zelllinien nur schwache Ak- tivität aufweisen (Fitzpatrick et al., 1993; Petch und Butler, 1994; Neermann und Wagner, 1996) (eine Aufstellung der zitierten Literaturstellen befindet sich am Ende dieser Beschreibung) . Eine Verbindung zwischen der Glyeolyse und dem Citrat- zyklus sollte den Anteil an Glucose zum Energiestoffwechsel erhöhen und den Bedarf an Glutamin vermindern.Various studies have shown that the key enzymes that convert the end product of glycolysis, pyruvate, into the citrate cycle (TCA) are only weakly active in cell lines (Fitzpatrick et al., 1993; Petch and Butler, 1994; Neermann and Wagner, 1996) (a list of the cited references can be found at the end of this description). A link between glycolysis and the citrate cycle should increase the amount of glucose used in energy metabolism and reduce the need for glutamine.
Überblick über den Enerσiestoffwechsel in Säuαetierzelllinien Bei der Kultivierung von Säugetierdauerzeillinien besitzen Glucose und Glutamin unter den zahlreichen, essentiellen Kom- ponenten des relativ komplexen Nährmediums eine Sonderstellung. Denn anders als bei Bakterien oder Hefen sind beide Substrate als Energielieferanten nötig, wobei Glutamin als Haupt- quelle der zellulären Energie (ATP) dient.. Der Grad der zellulären Energieversorgung aus Glutamin hängt dabei von der individuellen Zelllinie sowie von der Präsenz und Konzentration von Glucose ab.Overview of energy metabolism in mammalian cell lines In the cultivation of long-term mammalian lines, glucose and glutamine have a special position among the numerous essential components of the relatively complex nutrient medium. Because unlike bacteria or yeasts, both substrates are necessary as energy suppliers, with glutamine as the main serves the source of cellular energy (ATP) .. The degree of cellular energy supply from glutamine depends on the individual cell line as well as on the presence and concentration of glucose.
Der Primärenergiestoffwechsel von Säugetierzellen setzt sich somit aus der Glucose- und Glutaminoxidation zusammen und um- fasst die Stoffwechselwege der Glyeolyse, der Glutaminolyse und des Citratzyklus ' . Ein vereinfachter Überblick über diese Primärstoffwechselwege mit Verzweigungen und entscheidenden Enzymfunktionen wird in Figur 1 gegeben.The primary energy metabolism of mammalian cells thus consists of glucose and glutamine oxidation and encompasses the metabolic pathways of glycolysis, glutaminolysis and the citrate cycle. A simplified overview of these primary metabolic pathways with branches and crucial enzyme functions is given in FIG. 1.
GlucosestoffWechselGlucose metabolism
Über die Glyeolyse werden in Säugerzelllinien zwischen 80% und 97% der Glucose umgesetzt. Doch im Gegensatz zu Insekten- oder Primärzellen wird in transformierten Säugerzelllinien fast die gesamte in der Glyeolyse umgesetzte Glucose zu Lactat verarbeitet, und nur ein sehr kleiner Teil (etwa 0,2 bis 5%) des Glucosekohlenstoffs bzw. der glycolytischen Intermediate ge- langt in den energieliefernden Citratzyklus.Glyeolysis converts between 80% and 97% of the glucose in mammalian cell lines. However, in contrast to insect or primary cells, almost all of the glucose converted in the glycolysis is processed to lactate in transformed mammalian cell lines, and only a very small part (about 0.2 to 5%) of the glucose carbon or the glycolytic intermediates is obtained the energy-supplying citrate cycle.
Auf welche Ursachen der annähernd durchgängige Umsatz von Glucose zu Lactat bzw. die Blockade des Übergangs von glycolytischen Intermediaten in den Citratzyklus bei fast allen Säu- gerzelllinien zurückzuführen ist, ist weitgehend ungeklärt.The causes of the almost constant conversion of glucose to lactate or the blockage of the transition from glycolytic intermediates to the citrate cycle in almost all mammalian cell lines is largely unclear.
In erster Linie wird vermutet, dass die Aktivität des vermittelnden Enzyms Pyruvatdehydrogenase, aufgrund niedriger Expressionsraten oder permanenter Inhibierung durch eine irre- versible Phosphorylierung sehr gering ist. Als Resultat dieser Fehlregulation werden große Mengen Lactat in das Nährmedium abgegeben und führen dort zu einer unkontrollierten Ansäuerung der Kultur. Diese Umstände bedeuten eine geringe Effizienz bei der Ausnutzung der Nährstoffe, einen hohen Glucoseverbrauch und eine geringe Energieaubeute.First of all, it is assumed that the activity of the mediating enzyme pyruvate dehydrogenase is very low due to low expression rates or permanent inhibition by irreversible phosphorylation. As a result of this incorrect regulation, large quantities of lactate are released into the nutrient medium and there lead to an uncontrolled acidification the culture. These circumstances mean a low efficiency in the utilization of the nutrients, a high glucose consumption and a low energy yield.
GlutaminstoffWechselGlutamine metabolism
Die Glutaminolyse stellt keinen einzelnen, durchgängigen Stoffwechselweg wie die Glyeolyse dar, sondern bildet ein Netzwerk von bis zu acht, teilweise miteinander verknüpften, alternativen metabolischen Routen, auf denen Glutamin zu un- terschiedlichen Graden oxidiert werden kann und die damit zu verschiedenen Energieausbeuten und Produktkombinationen führen.Glutaminolysis does not represent a single, continuous metabolic pathway like glycolysis, but rather forms a network of up to eight, partly interlinked, alternative metabolic routes, on which glutamine can be oxidized to different degrees and which thus lead to different energy yields and product combinations .
Ein großer Teil des Glutamins wird deaminiert und über das In- termediat a-Ketoglutarat in den Citratzyklus eingeschleust, wo es vollständig zu C02 oxidiert werden kann. Außerdem kann Glutamin auch teilweise zu den Aminosäuren Aspartat, Alanin oder auch zu Lactat umgewandelt werden. Diese können entweder ins Kulturmedium sekretiert oder, im Fall von Aspartat, über Oxal- acetat in den Citratzyklus geschleust werden.A large part of the glutamine is deaminated and introduced into the citrate cycle via the intermediate a-ketoglutarate, where it can be completely oxidized to C0 2 . In addition, glutamine can also be partially converted to the amino acids aspartate, alanine or lactate. These can either be secreted into the culture medium or, in the case of aspartate, can be introduced into the citrate cycle via oxaloacetate.
Die Wahl der Wege zur vollständigen oder nur teilweisen Oxida- tion des Glutamins entscheidet über den Beitrag des Glutamins zum Energiehaushalt der Zelle. Untersuchungen an verschiedenen Säugerzelllinien zeigten, dass Glutamin in Gegenwart von Glucose den Energiebedarf der Zelle zu 30% bis 65% deckt, unter Umständen sogar zu 98%. Generell ist der Beitrag von Glutamin zum Energiehaushalt der Säugerzelle umso höher, je niedriger die Glucosekonzentration im Medium ist.The choice of the routes for the complete or only partial oxidation of the glutamine determines the contribution of the glutamine to the energy balance of the cell. Studies on various mammalian cell lines showed that glutamine in the presence of glucose covers 30% to 65% of the cell's energy requirements, possibly even 98%. In general, the lower the glucose concentration in the medium, the higher the contribution of glutamine to the energy balance of the mammalian cell.
Ein entscheidendes Nebenprodukt des Glutaminabbaus ist Ammonium. In Abhängigkeit vom glutaminolytischen Stoffwechselzweig können pro Mol Glutamin ein oder zwei Mol Ammonium freigesetzt werden, welches eine wachstumsinhibierende bis toxische Wirkung auf die Zellen hat. Einerseits kommt es zu einer Erniedrigung des intrazellulären pH-Wertes, andererseits führen hohe Mengen an Ammonium zu Veränderungen des Nucleotid- undA key by-product of glutamine degradation is ammonium. Depending on the glutaminolytic metabolic branch can release one or two moles of ammonium per mole of glutamine, which has a growth-inhibiting to toxic effect on the cells. On the one hand there is a decrease in the intracellular pH value, on the other hand high amounts of ammonium lead to changes in the nucleotide and
Zuckernucleotidpools (Ryll et al., 1994; Valley et al., 1999), was einen deutlichen Einfluss auf die Expression der N-gly- cosidisch gebundenen Kohlenhydratseitenketten von Glycopro- teinen hat und somit die Produktqualität des Therapeutikums verändert (Gawlitzek et al. 1998; Gram atikos et al. 1998).Sugar nucleotide pools (Ryll et al., 1994; Valley et al., 1999), which has a significant influence on the expression of the N-glycosidically bound carbohydrate side chains of glycoproteins and thus changes the product quality of the therapeutic agent (Gawlitzek et al. 1998 ; Gram atikos et al. 1998).
Metabolie Engineering in Säugetierzelllinien Versuche, das Wachstum und die Produktivität von zellulären Systemen entscheidend zu verbessern, bedürfen wahrscheinlich der radikalen Veränderung bestimmter Substratflüsse des Energiestoffwechsels. Dazu sind sehr genaue Kenntnisse über Schlüsselpunkte des Stoffwechsels notwendig.Metabolism engineering in mammalian cell lines Attempts to significantly improve the growth and productivity of cellular systems probably require the radical change in certain substrate flows of energy metabolism. This requires very precise knowledge of key metabolic points.
Da aber ein irreversibler Eingriff in den Stoffwechsel gerade in den sensitiven Säugetierzellen mit größeren Schwierigkeiten verbunden ist, sind in Säugerzellen im Vergleich zu Bakterien und Hefen, erst sehr wenige Versuche zu einem rationalen Design des Stoffwechsels erfolgt.However, since an irreversible intervention in the metabolism is associated with greater difficulties, especially in sensitive mammalian cells, very few attempts have been made to rationally design the metabolism in mammalian cells compared to bacteria and yeasts.
Tatsächlich haben nach heutigem Kenntnisstand erst sechs erfolgreiche Versuche eines Metabolie Engineering im sog. Primärstoffwechsel von Säugerzellen stattgefunden.In fact, as far as we know today, there have only been six successful attempts at metabolic engineering in the so-called primary metabolism of mammalian cells.
Den ersten Ansatz in Säugerzelllinien veröffentlichten Pendse und Bailey (1994). Unter der Voraussetzung, ein erhöhtes innerzelluläres ATP- bzw. Energieniveau steigere die Produktivität, wurde das Gen für das bakterielle Vitreoscilla-Hämo- globin (Vhb) in eine tPA-produzierende CHO_-Zelllinie kloniert. Die resultierende Vhb exprimierende Zelllinie zeigte im Vergleich zur nicht transfizierten Kontrollzelllinie ein vermindertes Wachstum, aber eine um 40% bis 100% gesteigerte spezi- fische tPA-Produktion. Offensichtlich kann über erhöhte zelluläre Energiezustände sowohl Wachstum als auch Produktivität beeinflusst werden.Pendse and Bailey (1994) published the first approach in mammalian cell lines. The gene for the bacterial vitreoscilla hemo- was presumed that an increased intracellular ATP or energy level increased productivity. globin (Vhb) cloned into a tPA-producing CHO_ cell line. The resulting Vhb-expressing cell line showed reduced growth compared to the non-transfected control cell line, but a specific tPA production increased by 40% to 100%. Obviously, both growth and productivity can be influenced by increased cellular energy states.
Renner et al. (1995) stellten durch Untersuchungen mit Wachs- tumsfaktoren wie bFGF (basic fibroblast growth factor) einenRenner et al. (1995) presented an analysis using growth factors such as bFGF (basic fibroblast growth factor)
Zusammenhang zwischen Zellzyklusphasen, Wachstum und Cyclin-E- Expression fest. Bei hoher Cyclin-E-Expression liegt in bestimmten CHO-Zellen ein Zellzyklus mit relativ langer G,-Phase und kurzer S-Phase vor, und das Zellwachstum ist relativ hoch. Daraufhin klonierten die Autoren einen Cyclin-E-Expressions- vektor in CHO-Zellen. Die transfizierte Zellinie zeigte aufgrund der nun erhöhten Cyclin-E-Menge höhere Vermehrungsraten als die nicht transfizierten Kontrollzellen, besonders in proteinfreien Basalmedien. Zudem waren die Zellmorphologie und die Zellzyklusphasenverteilung ähnlich der mit bFGF stimulierten CHO-Zellen. Durch dieses metabolische Design des Zellzyklus kann also Zellwachstum und -morphologie beeinflusst werden.Relationship between cell cycle phases, growth and cyclin E expression. With high cyclin-E expression, certain CHO cells have a cell cycle with a relatively long G, phase and short S phase, and cell growth is relatively high. The authors then cloned a cyclin E expression vector in CHO cells. The transfected cell line showed higher growth rates than the non-transfected control cells, especially in protein-free basal media due to the now increased amount of Cyclin-E. In addition, the cell morphology and the cell cycle phase distribution were similar to the CHO cells stimulated with bFGF. This metabolic design of the cell cycle can influence cell growth and morphology.
Bell et al. (1995) klonierten einen Vektor mit einem Glutamin- synthetasegen in eine Hybridomzelllinie. Die transfizierte Hy- bridomzelllinie konnte aufgrund ihrer Glutaminsynthetaseak- tivität im Gegensatz zur nicht-transfizierten Kontrollzelllinie in glutaminfreiem Nährmedium wachsen.Bell et al. (1995) cloned a vector with a glutamine synthetase gene into a hybridoma cell line. In contrast to the non-transfected control cell line, the transfected hybrid cell line was able to grow in glutamine-free nutrient medium due to its glutamine synthetase activity.
Diese Transfektion stellte einen entscheidenden Eingriff in den Glutaminmetabolismus und damit in den Primär- und Energie- Stoffwechsel der Säugerzelle dar. Gleichzeitig wurde das Problem der Vergiftung durch aus Glutamin gebildetes Ammonium über die Möglichkeit der glutaminfreien Kultivierung stark vermindert.This transfection was a decisive intervention in the glutamine metabolism and thus in the primary and energy Metabolism of the mammalian cell. At the same time, the problem of poisoning from ammonium formed from glutamine was greatly reduced by the possibility of culturing without glutamine.
Rees und Hay (1995) klonierten den kompletten bakteriellen Threonin-Stoffwechselweg in eine Säugerzelllinie, so dass diese Zelllinie in threoninfreiem Nährmedium wachsen konnte. Die Zelllinie wurde mit zwei Vektoren transfiziert, von denen die Gene für Aspartokinase, Aspartatsemialdehyddehydrogenase, Homoserindehydrogenase, Homoserinkinase und Threonin-Syn- thetase konstitutiv exprimiert wurden. Somit wurde der vollständige bakterielle Biosyntheseweg für Threonin aus Aspartat in eine Säugerzelllinie kloniert, für deren Kultivierung die relativ teuere Aminosäure Threonin nicht länger notwendig ist. Die transfizierte Zelllinie zeigte bei hohen Aspartat-Konzen- trationen in threoninfreiem Medium das gleiche Wachstumsverhalten wie die nicht transfizierte Kontrollzelllinie in threo- ninhaltigem Medium.Rees and Hay (1995) cloned the complete bacterial threonine pathway into a mammalian cell line so that this cell line could grow in threonine-free nutrient medium. The cell line was transfected with two vectors, of which the genes for aspartokinase, aspartate semialdehyde dehydrogenase, homoserine dehydrogenase, homoserine kinase and threonine synthase were constitutively expressed. Thus, the complete bacterial pathway for threonine from aspartate was cloned into a mammalian cell line, for the cultivation of which the relatively expensive amino acid threonine is no longer necessary. At high aspartate concentrations in threonine-free medium, the transfected cell line showed the same growth behavior as the non-transfected control cell line in threonine-containing medium.
Durch diesen Metabolic-Engineering-Ansatz könnten Nährmedien wesentlich einfacher und preisgünstiger gestaltet werden, ohne dabei Wachstum und Produktivität zu vermindern.This metabolic engineering approach could make nutrient media much simpler and cheaper without reducing growth and productivity.
Ein weiterer Metabolic-Engineering-Ansatz zielte zwar nicht auf den direkten Primärstoffwechsel, aber auf die Glycosylie- rung und damit die Funktionalität und Qualität von Glycopro- teinen wie beispielweise EPO.Another metabolic engineering approach did not aim at direct primary metabolism, but at glycosylation and thus the functionality and quality of glycoproteins such as EPO.
Schlenke et al. (1997) cotransfizierten eine BHK-Zelllinie mit Vektoren, die die Information für 2 , 6-Sialyltransferase und EPO gemeinsam trugen. Im Vergleich zu einer nur mit der EPO- cDNA transfizierten BHK-Zelllinie wies das. von dieser cotrans- fizierten Zellkultur produzierte EPO am Ende der Kohlenhydrat- seitenketten einen stark erhöhten N-Acetylneuraminsäure-Anteil auf, was auf die coklonierte 2,6-Sialyltransferase zurückzu- führen ist.Schlenke et al. (1997) cotransfected a BHK cell line with vectors that shared the information for 2, 6-sialyltransferase and EPO. Compared to one only with the EPO The cDNA-transfected BHK cell line showed that the EPO produced by this cotransfected cell culture had a greatly increased N-acetylneuraminic acid content at the end of the carbohydrate side chains, which is due to the cocloned 2,6-sialyltransferase.
Im Gegensatz zu der natürlicherweise in der BHK-Zelllinie vorkommenden 2,3-Sialyltransferase kann die 2 , 6-Sialyltransferase N-Acetylneuraminsäure an N-Acetylgalactosamin-Reste der Koh- lenhydratseitenketten anbinden. Nur mit dieser Veränderung besitzt das EPO humanidentische Eigenschaften, die für die therapeutische Anwendung wichtig sein können.In contrast to the 2,3-sialyltransferase naturally occurring in the BHK cell line, the 2,6-sialyltransferase can bind N-acetylneuraminic acid to N-acetylgalactosamine residues of the carbohydrate side chains. Only with this change does the EPO possess human-identical properties that can be important for therapeutic use.
Analysen, welche die Erfinder zum Glucose-Stofffluss in Säu- gerzelllinien vornahmen, ergaben einen Engpass bei der Eingangsreaktion der Glyeolyse, die von dem Enzym Hexokinase katalysiert wird.Analyzes carried out by the inventors on the glucose flow in mammalian cell lines revealed a bottleneck in the initial reaction of the glycolysis, which is catalyzed by the enzyme hexokinase.
Mit einem Ansatz zum Metabolie Engineering haben die Erfinder ein rekombinantes Hexokinase-Gen aus Rattenhirn in BHK-Zellen kloniert, um mit zusätzlicher Hexokinaseaktivität die geschwindigkeitsbestimmende Reaktion der Glyeolyse zu erweitern und den Stofffluss sowie die Zellenergiemenge in Form von ATP zu erhöhen.Using an approach to metabolic engineering, the inventors have cloned a recombinant rat brain hexokinase gene into BHK cells in order to expand the rate-determining reaction of glycolysis with additional hexokinase activity and to increase the flow of substances and the amount of cell energy in the form of ATP.
In den rekombinanten Zellen lag die Hexokinaseaktivität bis zu 3fach höher als gewöhnlich, der Glucoseverbrauch stieg, der Stofffluss in der Glyeolyse nahm zu und die intrazelluläre ATP-Konzentration stieg ebenfalls. Auch wurde der Glutamin- metabolismus aktiviert. Allerdings sank die Zeilwachstumsrate bei den Zelllinien mit starker Hexokinaseaktivität und hohen ATP-Raten. Die Produktionsraten der Zellen für rekombinante Proteinprodukte stiegen hingegen. Ein hoher ATP-Gehalt scheint die Wachstumsraten der Zellen nicht zu fördern, unter Umständen aber ihre Produktivität.In the recombinant cells, the hexokinase activity was up to 3 times higher than usual, the glucose consumption increased, the material flow in the glycolysis increased and the intracellular ATP concentration also increased. Glutamine metabolism was also activated. However, the cell growth rate decreased in the cell lines with strong hexokinase activity and high ATP rates. The production rates of the cells for recombinant Protein products, however, rose. A high ATP content does not seem to promote the growth rates of the cells, but possibly their productivity.
Aus den Ergebnissen ergab sich sehr deutlich ein Zusammenhang zwischen glycolytischem Stofffluss und Zellwachstum: Ein erhöhter relativer oder absoluter glycolytischer Fluss hat ein vermindertes Zellwachstum oder eine verringerte Zellkonzentration zur Folge, da wahrscheinlich der Fluss des Pentosephos- phat-Weges verringert und die Bildung von wachstumsreduzierenden Metaboliten wie UDP-N-Acetylhexosaminen erhöht wird.The results showed a very clear connection between the glycolytic material flow and cell growth: An increased relative or absolute glycolytic flow results in reduced cell growth or a reduced cell concentration, since the flow of the pentose phosphate pathway is likely to be reduced and the formation of growth-reducing metabolites how to increase UDP-N-acetylhexosamines.
Darüber hinaus scheint ein hoher ATP-Gehalt jedoch für die Erhöhung der Produktivität bedeutend zu sein. Denn verschiedene Schritte der Proteinbiosynthese können direkt mit der Konzentration von ATP oder GTP zusammenhängen. So stellte Jackson (1991) die Translationsrate für bestimmte rekombinante Proteine direkt proportional zu Verfügbarkeit von ATP in Beziehung.In addition, a high ATP content seems to be important for increasing productivity. Because different steps of protein biosynthesis can be directly related to the concentration of ATP or GTP. For example, Jackson (1991) related the translation rate for certain recombinant proteins directly proportional to the availability of ATP.
Vor diesem Hintergrund erklärt sich auch die von den Erfindern gefundene höhere Produktbildungsrate in Zellen mit gesteigertem ATP-Gehalt.This also explains the higher product formation rate found by the inventors in cells with increased ATP content.
Insgesamt deutet sich also ein direkter Zusammenhang zwischen dem zellulären ATP-Gehalt bzw. der Menge an produziertem ATP und der Produktionsrate bzw. -menge von rekombinantem Protein an. Die Produktivität einer Zelle könnte direkt auch vom ATP- Gehalt und damit vom Energiemetabolismus der Zelle abhängen. Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Verbesserung des Primärstoffwechsels von Säugerzelllinien.Overall, there is a direct correlation between the cellular ATP content or the amount of ATP produced and the production rate or amount of recombinant protein. The productivity of a cell could also depend directly on the ATP content and thus on the energy metabolism of the cell. The object of the invention is therefore to provide a method for improving the primary metabolism of mammalian cell lines.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Verbesserung des Primärenergiestoffwechsels von Säugerzelllinien gemäß Patentanspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved with a method for improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines according to claim 1.
Die Erfindung betrifft ferner Expressionsvektoren zur Ver- wendung in dem Verfahren sowie nach dem Verfahren erhältliche rekombinante Säugerzellen mit im Vergleich zum Wildtyp verbessertem Primärenergiestoffwechsel .The invention further relates to expression vectors for use in the method and recombinant mammalian cells obtainable by the method with improved primary energy metabolism compared to the wild type.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen rekombi- nanten Zelllinien zeigen vermehrte vollständige Glucoseoxida- tion, verringerte Lactatproduktion, verminderten Glutaminver- brauch, höheren ATP-Gehalt und höheren Sauerstoffverbrauch.The recombinant cell lines obtained by the process according to the invention show increased complete glucose oxidation, reduced lactate production, reduced glutamine consumption, higher ATP content and higher oxygen consumption.
Ferner wachsen die rekombinanten Zelllinien in Batch-Kulturen deutlich länger als Wildtyp-Zelllinien und kommen mit den vorhandenen Nährstoffressourcen länger aus.Furthermore, the recombinant cell lines in batch cultures grow significantly longer than wild-type cell lines and manage longer with the available nutrient resources.
Die rekombinanten Zelllinien können mit den vorhandenen Nährstoffen deutlich länger produzieren, so dass der Gesamtertrag des Produktes steigt und die Prozesskosten im Vergleich zu herkömmlichen Zelllinien reduziert werden.The recombinant cell lines can produce much longer with the existing nutrients, so that the total yield of the product increases and the process costs are reduced in comparison to conventional cell lines.
Weitere Vorteile, die sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielen lassen, werden im Laufe der sich anschließenden de- taillierteren Beschreibung klar. Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantages that can be achieved with the method according to the invention will become clear in the course of the subsequent detailed description. Advantageous and preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
FigurenbeschreibungFigure description
Figur 1 ist ein Überblick über den Primärstoffwechsel in Säugerzellen.Figure 1 is an overview of primary metabolism in mammalian cells.
Figur 2a ist eine schematische Darstellung der gewöhnlichen Glucoseoxidation in Säugerzelllinien.Figure 2a is a schematic representation of common glucose oxidation in mammalian cell lines.
Figur 2b veranschaulicht die erfindungsgemäße Strategie für ein Metabolie Engineering durch die Einschleusung eines cyto- solisch exprimierten Pyruvatcarboxylase-Gens (PYC2) aus Hefe in die Zellen nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.FIG. 2b illustrates the strategy according to the invention for metabolism engineering by introducing a cyto-solically expressed pyruvate carboxylase gene (PYC2) from yeast into the cells according to a preferred embodiment of the invention.
Figur 3 zeigt die Befreiung des 5'- und 3 "- Bereiches des PYC2-Gens von flankierenden hefespezifischen Sequenzen.Figure 3 shows the liberation of the 5 'and 3 "region of the PYC2 gene from flanking yeast-specific sequences.
Figur 4 ist eine schematische Zeichnung des Expressionsvektors pCMVSHE-PYC2 sowie des Selektionsvektors pAG60.FIG. 4 is a schematic drawing of the expression vector pCMVSHE-PYC2 and the selection vector pAG60.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fi- guren detaillierter erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Um den negativen Effekt eines hohen glycolytischen Stoffflusses zu umgehen, jedoch die Ausnutzung der Glucose im Hinblick auf die ATP Produktion zu verbessern, musste eine anderer Weg als im Stand der Technik eingeschlagen werden. Dieser setzte bei der Tatsache an, dass die Aktivitäten aller Enzyme, die die Glyeolyse mit dem Citratzyklus verbinden, wie Pyruvatdehydrogenase, Phosphoenolpyruvatcarboxylase und Pyru- vatcarboxylase (PC), bei Zelllinien im Vergleich zu Primärzel- len wenig oder gar nicht vorhanden sind (Fig. 2a).In order to avoid the negative effect of a high glycolytic material flow, but to improve the utilization of glucose with regard to ATP production, a different path than in the prior art had to be taken. This started with the fact that the activities of all enzymes that link glycolysis to the citrate cycle, such as pyruvate dehydrogenase, phosphoenolpyruvate carboxylase and pyruvate carboxylase (PC), are little or nonexistent in cell lines compared to primary cells (Fig. 2a).
Insbesondere das Fehlen der Pyruvatcarboxylase ist bereits als Erbkrankheit gut bekannt, wobei die Patienten an einer starken Azidose leiden, die zu einem frühen Tod führt. Um eine Schleu- sung von Glucose- und Pyruvat-Kohlenstoff in den Citratzyklus bei Zelllinien zu gewährleisten, wurde erfindungsgemäß ein zusätzlicher metabolischer Seitenweg durch die Einführung einer cytoplasmatisch exprimierten Pyruvatcarboxylase (PC) eingeführt.In particular, the lack of pyruvate carboxylase is already well known as an inherited disorder, with patients suffering from severe acidosis leading to premature death. In order to ensure that glucose and pyruvate carbon is ejected into the citrate cycle in cell lines, an additional metabolic side path was introduced according to the invention by introducing a cytoplasmic-expressed pyruvate carboxylase (PC).
Die natürliche PC wird in den Mitochondrien exprimiert und ist strikt abhängig von der Anwesenheit ausreichender Mengen Ace- tyl-CoA. Da jedoch die Menge an Acetyl-CoA in Zelllinien aufgrund der fehlenden Versorgung mit diesem Metaboliten über Pyruvat als kritisch einzustufen war, konnte der Weg über die Erhöhung der Gendosis, ähnlich wie bei der Hexokinase, hier nicht beschritten werden.The natural PC is expressed in the mitochondria and is strictly dependent on the presence of sufficient amounts of acetyl-CoA. However, since the amount of acetyl-CoA in cell lines was to be classified as critical due to the lack of supply of this metabolite via pyruvate, the route of increasing the gene dose, similar to that of hexokinase, could not be taken here.
In der Hefe Saccharomyces cerevisiae jedoch ist die Pyruvat- carboxylase, auch ohne die Anwesenheit von Acetyl-CoA aktiv ist (Colowick und Kaplan).However, pyruvate carboxylase is active in the yeast Saccharomyces cerevisiae, even without the presence of acetyl-CoA (Colowick and Kaplan).
Nach Bereinigung des Gens für PYC2 von hefespezifischen Sequenzen, die zu Problemen bei der Expression in Säugerzell- linien führen könnten, wurde ein Expressionsplasmid in BHK-After the gene for PYC2 had been purified from yeast-specific sequences, which could lead to problems with expression in mammalian cell lines, an expression plasmid in BHK-
Zellen transfiziert und im Cytoplasma zur Expression gebracht. Mit der Expression einer cytoplasmatischen. Pyruvatcarboxylase (PYC2) aus Saccharomyces cerevisiae ist zum erstenmal die Expression eines Hefegens in Säugerzelllinien gelungen.Cells transfected and expressed in the cytoplasm. With the expression of a cytoplasmic. Pyruvate carboxylase (PYC2) from Saccharomyces cerevisiae has successfully expressed a yeast gene in mammalian cell lines for the first time.
Dieser neue Schritt ermöglicht nun den Zellen, Pyruvat aus der Glyeolyse noch im Cytoplasma zunächst in Oxalacetat und dann mit der schon vorhandenen cytoplasmatischen Malatdehydrogenase zu Malat umzuwandeln, welches dann via Malat-Aspartat-Shuttle in die Mitochondrien zur weiteren Oxidation eingeschleust wer- den kann (Fig. 2b).This new step now enables the cells to convert pyruvate from glycolysis in the cytoplasm first into oxaloacetate and then with the cytoplasmic malate dehydrogenase already present to malate, which can then be introduced into the mitochondria for further oxidation via a malate-aspartate shuttle ( Fig. 2b).
Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung der gewöhnlichen Glucoseoxidation in Säugerzelllinien. In den Mitochondrien von Primärzellen wird Pyruvat normalerweise zu Acetyl-CoA durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC) deearboxyliert und in den Citratzyklus eingeschleust. In Säugerzelllinien wird wenig oder keine PDHC-Aktivität gefunden. Ebenfalls sind die Pyruvatcarboxylase- (PC) und Phosphoenolpyruvatcarboxykinase- (PEPCK) Aktivitäten sehr gering.Figure 2a shows a schematic representation of the usual glucose oxidation in mammalian cell lines. In the mitochondria of primary cells, pyruvate is normally deearboxylated to acetyl-CoA by the pyruvate dehydrogenase complex (PDHC) and introduced into the citrate cycle. Little or no PDHC activity is found in mammalian cell lines. Pyruvate carboxylase (PC) and phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) activities are also very low.
Figur 2b zeigt die Strategie für ein Metabolie Engineering durch die Einschleusung eines cytosolisch exprimierten Pyru- vatcarboxylase-Gens (PYC2) aus Hefe in die Zellen. Pyruvat wird jetzt zu Oxalacetat konvertiert und in die Mitochondrien als Malat via Malat-Aspartat-Shuttle geschleust. PYC2 konkurriert mit der Lactatdehydrogenase (LDH) um den cytoplasmatischen Pyruvat-Pool, wodurch weniger Substrat für die Lactat- bildung zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird NAD+ durch die cytoplasmatische Malatdehydrogenase (MDHcyt) zurückgebildet. Außerdem bietet die Rückreaktion über das Malatenzym (ME) einen weiteren nützlichen Zyklus zur Bildung des wichtigen NADPH. 1 = MDHcyt, 2 = ME Mit diesem Schritt wurden nun 3 wesentliche Vorteile in den neuen rekombinanten Zellen erreicht:FIG. 2b shows the strategy for metabolic engineering by introducing a cytosolic expressed pyruvate carboxylase gene (PYC2) from yeast into the cells. Pyruvate is now converted to oxaloacetate and introduced into the mitochondria as malate via the malate-aspartate shuttle. PYC2 competes with lactate dehydrogenase (LDH) for the cytoplasmic pyruvate pool, which means that less substrate is available for lactate formation. In addition, NAD + is reduced by the cytoplasmic malate dehydrogenase (MDH cyt ). In addition, the reverse reaction via the malate enzyme (ME) offers another useful cycle for the formation of the important NADPH. 1 = MDH cyt , 2 = ME With this step, 3 major advantages have now been achieved in the new recombinant cells:
1. Mehr Glucose-Kohlenstoff kann im Citratzyklus vollständig oxidiert werden.1. More glucose carbon can be completely oxidized in the citrate cycle.
2. Die rekombinante cytoplasmatische Pyruvatcarboxylase konkurriert mit der Lactatdehydrogenase um das Substrat Pyruvat und entzieht dieser Substratmengen für die Bildung von Lactat. 3. Die Malatdehydrogenase-Reaktion führt zur Rückbildung von NAD+ aus NADH, welches der Glyeolyse wieder auf der Stufe der Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase zur Verfügung steht. Dieser Schritt vermindert die Bedeutung der Lactatdehydrogenase-Reaktion zur Rückbildung von NAD+. In Abhängigkeit der Einschleusrate von Malat über den Shuttle-Mechanismus in die Mitochondrien kann außerdem ein Malatüberschuss unter Bildung von NADPH durch die Anwesenheit des Malatenzyms unter Rückbildung von Pyruvat deearboxyliert werden. NADPH wird für viele aufbauende Pro- zesse und Synthesen gebraucht.2. The recombinant cytoplasmic pyruvate carboxylase competes with the lactate dehydrogenase for the substrate pyruvate and extracts this substrate amount for the formation of lactate. 3. The malate dehydrogenase reaction leads to the regression of NAD + from NADH, which is again available for glycolysis at the stage of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. This step reduces the importance of the lactate dehydrogenase reaction for the regression of NAD + . Depending on the malate infiltration rate via the shuttle mechanism into the mitochondria, an excess of malate can be deearboxylated with the formation of NADPH by the presence of the malate enzyme with the regression of pyruvate. NADPH is used for many constructive processes and syntheses.
In den rekombinanten BHK-Zellen konnte der Glueoseverbrauch um den Faktor 4, sowie der Glutaminverbrauch um das 2fache im Vergleich zu den herkömmlichen BHK-Zellen reduziert werden. Darüber hinaus ließ sich ein l,4fach höherer ATP-Gehalt bei vergleichbar gutem Wachstum nachweisen (Tab. 1).In the recombinant BHK cells, the glueose consumption could be reduced by a factor of 4 and the glutamine consumption by 2 times compared to the conventional BHK cells. In addition, a 1.4 times higher ATP content with comparable good growth could be demonstrated (Tab. 1).
Die Bestätigung, dass auch wirklich Glucose-Kohlenstoff in den Citratzyklus gelangt, wurde mit Hilfe radioaktiv markierter Glucose und markiertem Pyruvat über die Freisetzung von radioaktivem 14C02 geführt und eine höhere Glucoseoxidation untermauert. Der zellspezifische Sauerstoffverbrauch, der ein Indiz für den oxidativen Stoffwechsel ist, stieg bis um den Faktor 3 bei der rekombinanten, PYC2 exprimierenden Zelllinie im Vergleich zur Ursprungszelle an. Durch die geringeren Substratverbrauchsmengen ergibt sich eine höhere Produktmenge pro verbrauchtem Substrat, so dass sich nun mit diesen rekombinanten Zelllinien Pharmaproteine über einen längeren Zeitraum mit dem vorhandenen Kulturmedium herstellen lassen, welches letztendlich zur Verminderung der Gesamtherstellungskosten beiträgt.The confirmation that glucose-carbon really does get into the citrate cycle was carried out with the help of radioactively labeled glucose and labeled pyruvate through the release of radioactive 14 C0 2 and a higher glucose oxidation underpinned. The cell-specific oxygen consumption, which is an indication of the oxidative metabolism, increased by a factor of 3 in the recombinant, PYC2-expressing cell line compared to the original cell. The lower amounts of substrate used result in a higher amount of product per substrate used, so that these recombinant cell lines can now be used to produce pharmaceutical proteins over a longer period of time using the existing culture medium, which ultimately contributes to reducing the overall production costs.
Tabelle 1:Table 1:
Stof fwechseldaten für Wildtyp-Zellen und PYC2-transf izierte Zeilklonkulturen .Substance change data for wild-type cells and PYC2-transfected cell clone cultures.
Hierzu wurden auf an sich bekannte Weise P-lasmide hergestellt, die das PYC2-Gen aus Hefe tragen und BHK-Zellen entprechend damit transfiziert. Dem Fachmann ist klar, dass statt der BHK- Zellen auch andere Zellen verwendet werden könenn. Der Erfolg wurde über stoffwechselspezifische Daten verifiziert. Der Flux von Glucose in den TCA ist leicht erhöht. Die Sauerstoffver- brauchsrate, ein Indiz für den oxidativen Phosphorylierungs- grad, ist ebenfalls erhöht. For this purpose, P-lasmids were produced in a manner known per se which carry the PYC2 gene from yeast and accordingly transfect BHK cells with them. It is clear to the person skilled in the art that other cells can also be used instead of the BHK cells. Success was verified using metabolism-specific data. The flux of glucose in the TCA is slightly increased. The oxygen consumption rate, an indication of the degree of oxidative phosphorylation, is also increased.
Es zeigt sich außerdem, dass die metabolisch veränderten PYC- tragenden rekombinanten Zellen einen geringeren Glucose- und Glutaminverbrauch aufweisen. Gleichzeitig sinkt die Lactatpro- duktionsrate. Als Folge ist der Wachstumszyklus der PYC-Zellen in Batchkultur gegenüber den unveränderten Zellen verlängert. Das bedingt für eine Batchfermentation eine verbesserte Substratnutzung und damit eine verlängerte Produktionsphase.It also shows that the metabolically modified PYC-bearing recombinant cells have a lower glucose and glutamine consumption. At the same time, the lactate production rate drops. As a result, the growth cycle of the PYC cells in batch culture is extended compared to the unchanged cells. For batch fermentation, this means improved substrate utilization and thus an extended production phase.
In kontinuierlichen Kulturen konnten die Erfinder zeigen, dass aufgrund des reduzierten Substratverbrauchs der rekombinanten Zellen die verbesserte Substratverwertung zu einer höherenIn continuous cultures, the inventors were able to show that due to the reduced substrate consumption of the recombinant cells, the improved substrate utilization led to a higher
Zellkonzentration im Fließgleichgewicht des Chemostaten führt.Cell concentration in the steady state of the chemostat leads.
In Zukunft soll unter Verwendung von EPO als Modellprotein untersucht werden, ob die zellspezifische Produktivität bzw. die Raum-Zeit-Ausbeute im Fermenter erhöht werden kann.In the future, EPO will be used as a model protein to investigate whether cell-specific productivity or the space-time yield in the fermenter can be increased.
Herstellung des GenkonstruktsProduction of the gene construct
Die cDNA der Pyruvatcarboxylase (PYC2, Isoenzym 2) aus Saccha- romyces cerevisiae wurde von R. Stucka (Stucka et al., 1991) bezogen. Um mögliche Wechselwirkungen des an den codierendeThe cDNA of pyruvate carboxylase (PYC2, isoenzyme 2) from Saccharomyces cerevisiae was obtained from R. Stucka (Stucka et al., 1991). To see possible interactions of the coding
Bereich angrenzenden Hefevektor-Fragments zu vermeiden, wurde die cDNA durch Endonuclease-Restriktion und Ligation nach im Stand der Technik gut bekannten Verfahren mit kleinen PCR- Fragmenten bis auf die essentiellen codierenden Sequenzen zurechtgeschnitten (Fig. 3).To avoid the area adjacent to the yeast vector fragment, the cDNA was removed by endonuclease restriction and ligation after Methods well known in the prior art with small PCR fragments trimmed down to the essential coding sequences (FIG. 3).
Die veränderte cDNA wurde unter die Transeriptions-Kontrolle eines CMV-Promotors gestellt. Das resultierende pCMVPYC2-Plas- mid enthält darüberhinaus ein Ampicillin-Resistenz-Gen. Es ist klar, dass auch andere Promotoren und Resistenz-Gene oder allgemein Selektionsmarker verwendet werden können.The modified cDNA was placed under the transertion control of a CMV promoter. The resulting pCMVPYC2 plasmid also contains an ampicillin resistance gene. It is clear that other promoters and resistance genes or selection markers in general can also be used.
Figur 3 zeigt die Befreiung des 5'- und 3'- Bereiches des PYC2-Gens von flankierenden hefespezifischen Sequenzen.Figure 3 shows the liberation of the 5 'and 3' region of the PYC2 gene from flanking yeast-specific sequences.
Zunächst wurde mit Pvull ein 678-bp-Fragment vom 5 '-Ende herausgeschnitten, mit PCR (Polymerasekettenreaktion) über spezifische Primer die fehlenden 381 bp ligiert und eine Hindlll-Schnittstelle vor der codierenden Sequenz angebaut.First, a 678 bp fragment was cut out from the 5 'end with Pvull, the missing 381 bp was ligated with PCR (polymerase chain reaction) via specific primers and a HindIII site was added before the coding sequence.
Für das 3 '-Ende wurde entsprechend über die Clal-Schnittstelle durch Entfernung von 469 bp und Ligation mit einem 176 bp langen Fragment verfahren. Das Fragment wurde mit einer Hindlll- und Smal-Schnittstelle am 3 ' -Ende versehen.The same procedure was followed for the 3 'end via the Clal cleavage site by removing 469 bp and ligation with a 176 bp fragment. The fragment was provided with a HindIII and Smal site at the 3 'end.
Herstellung rekombinanter BHK-Zellen Das Plasmid pCMVSHE-PYC2 wurde mit einem Neomycin-Resistenz- Plasmid (pAG60) mit Hilfe der Calciumphosphat-Copräzipita- tions-Methode (Maitland and McDougall, 1977) in BHK-21A Zellen nach einem veränderten Protokoll von Kriegler (Kriegler, 1990) transfiziert (Fig. 4). Nach Entfernen der Präzipitate wurde kein osmotischer Schock durch die Zugabe von Glycin angewandt. Die letzteren Maßnahmen können aber durchgeführt werden, wenn die praktischen Gegebenheiten es erfordern. Es sind auch an- dere, im Stand der Technik bekannte Transf-ektionsverfahren anwendbar .Production of recombinant BHK cells The plasmid pCMVSHE-PYC2 was mixed with a neomycin resistance plasmid (pAG60) using the calcium phosphate coprecipitation method (Maitland and McDougall, 1977) in BHK-21A cells according to a modified protocol by Kriegler ( Kriegler, 1990) transfected (Fig. 4). After removing the precipitates, no osmotic shock was applied by adding glycine. The latter measures can, however, be carried out if the practical circumstances so require. There are also their transfection methods known in the prior art can be used.
Figur 4 ist eine schematische Zeichnung des Expressionsvektors pCMVSHE-PYC2 , basierend auf dem Standardexpressionsvektor pCMVSHE. Es bedeuten: CMV: Cytomegalovirus immediate early enhancer promotor; SVpA: late polydenylation signal , splice sites, SV40 early late splice sites . Figure 4 is a schematic drawing of the expression vector pCMVSHE-PYC2 based on the standard expression vector pCMVSHE. It means: CMV: Cytomegalovirus immediate early enhancer promoter; SVpA: late polydenylation signal, splice sites, SV40 early late splice sites.
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Verbesserung des Primärenergiestoffwechsels von Säugerzelllinien, bei dem a) geeignete Säugerzellen mit einem oder mehreren Expressionsvektoren, der/die i) ein Strukturgen für eine cytoplasmatische Hefe- Pyruvatcarboxylase, ii) einen geeigneten Promotor zur Transkriptionskon- trolle und iii) einen oder mehrere Selektionsmarker enthält/enthalten, transformiert oder transfiziert werden, b) die Zellen unter zur Expression und Selektion geeig- neten Bedingungen gezüchtet und c) überlebende Zeilklone isoliert und/oder fermentiert/kultiviert werden.1. A method for improving the primary energy metabolism of mammalian cell lines, in which a) suitable mammalian cells with one or more expression vectors, the i) a structural gene for a cytoplasmic yeast pyruvate carboxylase, ii) a suitable promoter for transcriptional control and iii) one or contains / contain several selection markers, are transformed or transfected, b) the cells are grown under conditions suitable for expression and selection, and c) surviving cell clones are isolated and / or fermented / cultivated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Säuger- zellen um BHK-Zellen handelt.2. The method according to claim 1, wherein the mammalian cells are BHK cells.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Hefe um Saccharomyces cerevisiae handelt.3. The method of claim 1 or 2, wherein the yeast is Saccharomyces cerevisiae.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Promotor um den CMV-Promotor handelt.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the promoter is the CMV promoter.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Selektionsmarker um ein Ampicillin-Resis- tenz-Gen handelt. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the selection marker is an ampicillin resistance gene.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Selektionsmarker um ein Geneticin-Resis- tenz-Gen handelt.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the selection marker is a geneticin resistance gene.
7. Expressionsvektor zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein Strukturgen für eine cytoplasmatische Hefe-Pyruvatcarboxylase enthält.7. Expression vector for use in a method according to any one of claims 1 to 6, which contains a structural gene for a cytoplasmic yeast pyruvate carboxylase.
8. Expressionsvektor nach Anspruch 7, wobei es sich bei der Hefe um Saccharomyces cerevisiae handelt.8. Expression vector according to claim 7, wherein the yeast is Saccharomyces cerevisiae.
9. Rekombinante Säugerzellen mit verbessertem Primärenergiestoffwechsel, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6. 9. Recombinant mammalian cells with improved primary energy metabolism, obtainable by a method according to any one of claims 1 to 6.
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