Recombinant expression systems in the pharmaceutical industry

Abstract

In terms of downstream processing efficiency, secretory expression systems offer potential advantages for the production of recombinant proteins, compared with inclusion body forming cytosolic systems. However, for high-volume therapeutics like insulin, the product yields of the majority of the potentially available secretory systems is not yet fully competitive. Current strategies to improve productivity and secretion efficiency comprise: (1) enhancement of gene expression rates, (2) optimization of secretion signal sequences, (3) coexpression of chaperones and foldases, (4) creation of protease deficient mutants to avoid premature product degradation and (5) subsequent breeding and mutagenesis. For the production of non-glycosylated proteins and proteins, which are natively glycosylated but are also pharmacologically active without glycosylation, prokaryotes, which usually lack metabolic pathways for glycosylation, are theoretically the most suitable organisms and offer two alternatives: either Escherichia coli strains are conditioned to be efficient secreters or efficient native secreters like Bacillus species are accordingly developed. To fully exploit the secretory capacity of fungal species, a deeper understanding of their posttranslational modification physiology will be necessary to steer the degree and pattern of glycosylation, which influences both folding and secretion efficiency. Insect and mammalian cells display posttranslational modification patterns very similar or identical to humans, but in view of the entailed expenditures, their employment can only be justified if their modification machinery is required to ensure a desired pharmacological activity.

Les microalgues

“…Pour l'expression de molécules simples, les bactéries suffisent ; c'est le cas, par exemple, de l'hormone de croissance, de l'insuline, des interférons α et β, de l'interleukine-1 et du TNF (tumor necrosis factor) [1]. Cependant, ces organismes ne peuvent pas assembler des molécules complexes ni assurer leur maturation via des modifications post-traductionnelles comme les glycosylations, l'isomérisation cis/trans des prolines, les modifications de lipidation ou de phosphorylation.…”

“…En conséquence, si tout système eucaryote est apte à introduire des N-glycanes indispensables à la mise en conformation des protéines, les différences de maturation de ceux-ci peuvent limiter ou interdire l'emploi en thérapie des molécules recombinantes, notamment en raison du risque de déclenchement d'une réponse immunitaire. Ainsi, les levures (Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Kluyveromyces lactis et Hansenula polymorpha, [1]) introduisent sur leurs glycoprotéi-nes des polymannoses de grande taille [3]. Le système d'expression en cellules d'insectes, via un Baculovirus, constitue un procédé attrayant de production de protéines par transgenèse.…”

“…Le système d'expression en cellules d'insectes, via un Baculovirus, constitue un procédé attrayant de production de protéines par transgenèse. Les cultures croissent en suspension et la plupart des protéines surexprimées dans les cellules d'insectes restent solubles [1]. Cependant, la sialylation des glycoprotéines, étape ultime de la glycosylation, aboutit rarement.…”

“…Cependant, la sialylation des glycoprotéines, étape ultime de la glycosylation, aboutit rarement. De même, la production dans des cellules animales (CHO, BHK et MML 1 ) [1] se heurte également à des problèmes de sialylation terminale des N-glycanes [4]. Quel que soit le système considéré, plusieurs stratégies ont été déve-loppées pour corriger les différences observées de glycosylation entre protéines naturelles et recombinantes, soit par l'inactivation de gènes codant pour des enzymes introduisant les résidus immunogènes, soit par complémentation par des gènes codant des enzymes permettant de reconstruire les séquences glucidiques absentes dans ces organismes [5].…”

Oxidative stress in fungal fermentation processes: the roles of alternative respiration

“…In terms of synthesis of heterologous proteins, filamentous fungi have a complex posttranslational protein modification system, unlike the simpler bacterial systems which tend to be used for production of non-glycosylated proteins (Schmidt 2004). The fungal species preferred for recombinant protein expression are those widely employed in traditional processes for manufacturing enzymes, acids and antibiotics, and these include species from a few key genera including Aspergillus, Penicillium, Acremonium, Fusarium and Trichoderma.…”