НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ





05.03.2013

Одноклеточные водоросли — перспективная платформа для производства противораковых иммунотоксинов

Одноклеточные водоросли могут стать экономически эффективной системой для производства противораковых иммунотоксинов. В отличие от других клеток эукариот, клетки водорослей быстро размножаются на дешевых питательных средах, а хлоропласты водорослей, в отличие от бактерий, способны не только синтезировать чужеродные белки, но и осуществлять сложные постсинтетические процессы, необходимые для активации белков. Гены, кодирующие чужеродный белок, встраивают в геном хлоропластов водорослей, после чего те начинают синтезировать белок иммунотоксина в больших количествах, пишет Proc Natl Acad Sci USA.

Рис. 1. Одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii. Диаметр клетки примерно 10 мкм. Единственный зеленый хлоропласт занимает почти весь объем клетки. Рисунок с сайта Прикладных исследований в области ботаники в Германии
Рис. 1. Одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii. Диаметр клетки примерно 10 мкм. Единственный зеленый хлоропласт занимает почти весь объем клетки. Рисунок с сайта Прикладных исследований в области ботаники в Германии

Традиционные химио- или радиотерапия, применяемые для лечения рака, обладают принципиальным недостатком. Они преимущественно убивают раковые клетки, но в той или иной мере подавляют и нормальные.

Известно, что многие клетки злокачественных опухолей или злокачественные клетки кровеносной системы имеют на поверхности специфические белки. Поэтому с помощью антител против этих белков можно доставлять поражающие агенты именно к этим клеткам, что сейчас активно используется в разработке специфичных противоопухолевых препаратов. Антитела (иммуноглобулины) являются важнейшим фактором иммунитета. Они распознают чужеродные для организма агенты — бактерии, вирусы, белки и др. Антитела могут инактивировать эти агенты просто путем связывания или запускать иммунный ответ, например систему комплемента — комплекса протеолитических ферментов.

Одним из путей исследований по адресному поражению раковых клеток является разработка методами генной инженерии иммунотоксинов — антител против белков, специфичных для этих клеток, с прикрепленным к антителам химическим или природным токсичным агентом. Антитело должно «узнать» раковую клетку, а токсичный агент — убить ее.

Идея высказана давно, но практическая реализация оказалась затруднительной из-за сложности задачи и отсутствия экономически эффективных технологий для изготовления таких весьма сложных комплексов. Так, рекомбинантный иммунотоксин — фрагмент антитела с присоединенным к нему токсином, — можно производить в клетках бактерий (в основном для этого используется кишечная палочка Esherichia coli; чтобы бактерии продуцировли чужеродные белки, в них вводят гены этих белков при помощи плазмид). Однако бактерии не могут осуществлять многие постсинтетические процессы, необходимые для обеспечения биологической активности белков эукариот: они неспособны формировать правильные дисульфидные связи, правильно укладывать синтезированные полипептидные цепи чужеродных белков, что необходимо для их активности (иначе белки не смогут выполнять свою функцию). Рекомбинантный иммунотоксин в клетках бактерий получается в виде неактивного нерастворимого агрегата. Чтобы этот белок активировать, приходится его выделять, денатурировать (снова его разворачивать) и укладывать белковые цепи искусственно.

В культурах клеток эукариот эта проблема формирования правильной трехмерной структуры чужеродного белка решается, но токсины будут отравлять клетки-продуценты (клетки, которые производят белок).

Рис. 2. Рекомбинантная структура для синтеза иммунотоксинов в хлоропластах C. reinhardtii. Ген иммунотоксина снабжен регуляторными элементами для экспрессии в хлоропластах. Он соединен с геном устойчивости к канамицину (aphA6), необходимым для отбора клеток, в которые встроилась рекомбинантная структура. Структура фланкирована (обрамлена) участками генома хлоропласта, за счет которых осуществляется интеграция в этот геном
Рис. 2. Рекомбинантная структура для синтеза иммунотоксинов в хлоропластах C. reinhardtii. Ген иммунотоксина снабжен регуляторными элементами для экспрессии в хлоропластах. Он соединен с геном устойчивости к канамицину (aphA6), необходимым для отбора клеток, в которые встроилась рекомбинантная структура. Структура фланкирована (обрамлена) участками генома хлоропласта, за счет которых осуществляется интеграция в этот геном

Тем не менее эти трудности, по крайней мере частично, удается преодолеть обходным путем, если исключить прямой контакт культуры клеток-продуцентов с токсином. Например, активные антитела против специфичного для некоторых лимфом (злокачественного перерождения лимфоцитов) белка клеточной мембраны CD30 изготовляют в культурах клеток млекопитающих — CHO-клетках хомячков. Их очищают и связывают с химическим соединением ауристатином Е (Monomethyl auristatin E), подавляющим деление эукариотических клеток. Показана высокая активность и избирательность действия этого препарата (Brentuximab vedotin) против злокачественных клеток. Он уже разрешен в США для применения в клинике по крайней мере против двух форм лимфомы. Однако, вследствие больших затрат на разработку, сложности и дороговизны производства, цена Brentuximab vedotin оказалась поистине астрономической: курс лечения будет стоить примерно 100 тысяч долларов.

Биотехнологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего предлагают экономично решить проблему изготовления противораковых иммунотоксинов с помощью неприхотливых зеленых одноклеточных водорослей Chlamydomonas reinhardtii (рис. 1). Этот объект хорошо изучен и широко используется в различных теоретических и прикладных исследованиях. Например, C. reinhardtii в определенных условиях продуцирует водород, и рассматривается как возможный продуцент биотоплива. Уже определены нуклеотидные последовательности 17 хромосом ядерного генома этой водоросли, а также геномов митохондрий и хлоропласта (митохондрии и хлоропласты, возможно, были когда-то симбиотическими бактериями внутри первых клеток эукариот — так ученые объясняют наличие отдельного генома у этих органоидов, похожего больше на геном бактерий, чем на геном эукариот).

Рис. 3. Структуры белков-иммунотоксинов, синтезированных в хлоропластах C. reinhardtii. А — фрагмент антитела (вариабельная область), узнающий белок CD22. В — иммунотоксин: фрагмент антитела, соединенный с биологически активными доменами II и III белкового экзотоксина А синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa. С — усовершенствованный иммунотоксин с повышенной активностью и устойчивостью: димер структуры В, в который дополнительно встроена константная область антитела. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Рис. 3. Структуры белков-иммунотоксинов, синтезированных в хлоропластах C. reinhardtii. А — фрагмент антитела (вариабельная область), узнающий белок CD22. В — иммунотоксин: фрагмент антитела, соединенный с биологически активными доменами II и III белкового экзотоксина А синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa. С — усовершенствованный иммунотоксин с повышенной активностью и устойчивостью: димер структуры В, в который дополнительно встроена константная область антитела. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

C. reinhardtii принадлежит к низшим эукариотам, и его ядерно-цитоплазматические механизмы для производства противораковых иммунотоксинов непригодны: токсин будет их подавлять. Но механизмы синтеза белков хлоропласта, который занимает примерно 70% объема клетки, устроены подобно бактериальным, по прокариотному типу, и токсины, губительные для эукариот, но не прокариот, на них не действуют. В то же время замечательной особенностью хлоропласта является то, что он, в отличие от бактерий, имеет все необходимые механизмы для сборки сложных белковых комплексов. Поэтому они, с одной стороны, нечувствительны к ряду белковых токсинов, летальных для клеток эукариот, а с другой стороны, могут продуцировать биологически активные иммунотоксины.

Вячеслав Калинин


Источники:

  1. elementy.ru





© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2010-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://volimo.ru/ "VoLiMo.ru: Водоросли, лишайники, мохообразные в промышленности"