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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.46.2017.tde-11042017-084657
Document
Author
Full name
Marcela de Oliveira Vitarelli
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Ho, Paulo Lee (President)
Armelin, Hugo Aguirre
Barros, Mário Henrique de
Prudencio, Carlos Roberto
Title in Portuguese
Humanização específica do sistema de glicosilação de Pichia pastoris pela técnica CRISPR/Cas9 visando a expressão de glicoproteínas humanas
Keywords in Portuguese
CRISPR-Cas9
Edição gênica
Glucocerebrosidase
Pichia pastoris
Abstract in Portuguese
A produção de proteínas terapêuticas recombinantes compreende moléculas complexas e de alto valor agregado, incluindo a enzima glucocerebrosidase (GCase). Sua deficiência resulta na Doença de Gaucher, passível de tratamento por meio da terapia de reposição enzimática. A forma ativa da GCase recombinante usada na terapia apresenta resíduos terminais de manose expostos no seu perfil de glicosilação. Perfil este que espera-se ser reproduzido por meio da construção de uma linhagem de Pichia pastoris com um padrão de glicosilação humanizado, por meio da deleção de dois genes envolvidos no sistema de glicosilação da levedura: alg3 e och1, responsáveis pela posterior hiper-manosilação característica desse organismo. Assim, a expressão da GCase será usada como modelo no desenvolvimento desta linhagem de Pichia pastoris que permita a expressão de glicoproteínas com um perfil humanizado específico de glicosilação. Além da produção da linhagem mutante pela técnica de CRISPR/Cas9, propomos a construção de duas linhagens controle: uma expressando a proteína GCase para análise do seu padrão selvagem de glicosilação em P. pastoris e outra expressando a proteína Cas9 de Streptoccocus pyogenes (SpCas9). A linhagem P. pastoris/GCase foi construída testando-se duas sequências sinal de secreção diferentes: fosfatase alcalina (PHO1) e albumina humana (Alb). Resultados de western blot mostraram a GCase no lisado celular e baixos níveis de proteína secretada no sobrenadante de cultura, sendo mais expresso na linhagem contendo a sequência PHO1. A linhagem P. pastoris/SpCas9 foi construída e a enzima SpCas9 foi detectada via western blot no lisado celular após indução com metanol. Para a produção da linhagem com padrão de glicosilação humanizado propôs-se a deleção dos genes alg3 e och1 e a inserção, pela via de reparo por recombinação homóloga (HDR), de marcas de resistência aos antibióticos higromicina ou canamicina. Para tal, propusemos a construção de dois vetores finais de expressão do sistema CRISPR/Cas9 em P. pastoris, cada um contendo a enzima SpCas9 e os RNAs guia (gRNAs) para deleção do gene alg3 ou och1, e também a construção de dois fragmentos para HDR contendo o gene de resistência ao antibiótico flanqueado por regiões de 1Kb de homologia com a região de deleção do gene alg3 ou och1. A construção dos vetores e fragmentos para HDR foram inicialmente feitas por meio de técnicas de clonagem clássica. No entanto, apesar de inúmeras tentativas, resultados de PCR e sequenciamento mostraram o insucesso das construções. Partiu-se então para a técnica de Gibson Assembly®, através da qual os dois fragmentos para HDR foram construídos. Porém, os vetores de expressão contendo SpCas9 e os gRNAs ainda apresentam dificuldades na sua construção. Esforços ainda estão sendo feitos para a construção dos vetores e consequente tentativa de estabelecimento das linhagens mutantes. O sucesso no estabelecimento de um sistema de expressão de proteínas heterólogas com este padrão de glicosilação humano específico permitirá a obtenção e possível comercialização da GCase em sua forma terapêutica. Além disso, permitirá possíveis edições genômicas futuras para um padrão de maior complexidade de glicosilação humanizado, criando uma plataforma nacional para produção de outras glicoproteínas terapêuticas de interesse biotecnológico.
Title in English
Specific humanization of Pichia pastoris glycosylation system with the CRISPR/Cas9 technique aiming the expression of human glycoproteins
Keywords in English
CRISPR-Cas9
Genome editing
Glucocerebrosidase
Pichia pastoris
Abstract in English
The production of therapeutic recombinant protein comprises complex and high valued molecules, including the glucocerebrosidase enzyme (GCase). Its deficiency results in Gaucher Disease, susceptible of treatment by enzymatic replacement therapy. The active form of recombinant GCase employed in therapy presents exposed terminal mannose residues in its glycosylation pattern. We hope to reproduce such pattern by constructing a Pichia pastoris strain with a specific human glycosylation pattern through the deletion of two genes involved in yeast glycosylation system, alg3 and och1, responsible for the final hyper-mannosylation characteristic of this organism. Therefore, the expression of GCase will be a case model for the development of the recombinant Pichia pastoris strain that could allow the expression of glycoproteins with a specific humanized glycosylation profile. Despite the establishment of the mutant strain using the CRISPR/Cas9 technique, we propose the construction of two control strains: one expressing the GCase protein for analysis of its wild type glycosylation pattern and another one expressing the Cas9 protein from Streptoccocus pyogenes (SpCas9). The P. pastoris/GCase strain was constructed testing two different secretion signal sequences: alkaline fosfatase (PHO1) and human albumin (Alb). Western blot results have shown GCase in cell lysate and in low expression levels in culture supernatant, being more expressed in the strain containing the PHO1 signal sequence. P. pastoris/SpCas9 strain was constructed and SpCas9 enzyme was detected via western blot in cell lysate after the induction with methanol. To produce the strain with the humanized glycosylation pattern, the deletion of alg3 and och1 genes was proposed along with the insertion, by homology directed repair pathway (HDR), of hygromycin and kanamycin antibiotics resistance marks. In order to do so, we have proposed the construction of two final expression vectors of the CRISPR/Cas9 system in P. pastoris, each one containing SpCas9 enzyme and the guide RNAs (gRNAs) for deletion of alg3 or och1, and also the construction of two fragments for HDR containing the antibiotics resistance gene flanked by 1Kb regions of homology with the deleted regions of alg3 or och1. Vectors and HDR fragments constructions were initially performed using classic cloning techniques. However, despite numerous tries, PCR and sequencing results have shown the failure of the constructions. Then, we moved on to the Gibson Assembly® technique, through which the two HDR fragments were built. Still, the expression vectors containing SpCas9 and the gRNAs presented difficulties in its assembly. Efforts continue to be made to successfully construct the remaining vectors and to establish the mutant lineage. Success in the establishment of a heterologous protein expression system with specific human glycosylation pattern will allow the obtainment and possible commercialization of the therapeutic form of GCase. Furthermore, it will also allow possible future genomic editing to a high complexity human glycosylation pattern, creating a national platform for the production of other therapeutic glycoproteins of biotechnological interest.
 
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Publishing Date
2017-04-24
 
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