Recombinant Pseudomonas lipase was used to study protein aggregation and adsorption upon in vitro refolding. Protein adsorption as well as aggregation was responsible for major side reactions upon in vitro refolding as a function of protein concentration. The optimal range of protein concentration was determined by the relative contribution of protein aggregation and adsorption. Above the optimal range, the yield of active lipase inversely correlated with protein aggregation, showing a competition between folding and aggregation. However, adsorption of protein rather than protein aggregation is thought to contribute as a major side reaction of the refolding process at sub-optimal concentrations at which the formation of aggregates should be more reduced. Protein aggregation was influenced by the amount of guanidine hydrochloride in the refolding solvent. The refolding temperature was a critical factor determining the extent of protein aggregation. The refolding yield was also affected by the dilution fold and dilution mode, which suggests that the refolding process might kinetically compete with the rate of mixing.
The effect of cations on the formation of protein aggregates was examined by in vitro refolding of mutant tryptophan synthase $\alpha$-subunit in which Pro 24 was replaced by Leu. $NH^{4+},; K{^+}; and; Na^{+}$ and no effect, but $Mg^{2+}; and; Ca^{2+}$stimulated the formation of protein aggregates in dose-dependent manner. It is suggested that $Mg^{2+} and Ca^{2+}$ may be implicated in the formation of protein aggregates in vivo.
A time-dependent folding process was used to determine whether or not protein disulfide isomerase (PDI) plays an important role in the maturation of nascent lactoferrin polypeptides. Interaction between lactoferrin and PDI was analyzed according to the co-immunoprecipitation of the two proteins. The results indicate that lactoferrin folding requires a significant interaction with PDI and its binding is relatively brief compared to other nascent polypeptides. The amount of lactoferrin interacting with PDI increases up to half a minute and sharply decreases beyond this time point. During the refolding process that follows reduction by DTT, lactoferrin polypeptides heavily interact with PDI and the interaction period was extended compared to the normal folding process. In terms of the temperature effect on PDI-lactoferrin interaction, PDI binds to lactoferrin polypeptides longer at a lower temperature (here, $25^{\circ}C$) than $37^{\circ}C$. The lactoferrin-PDI interaction was also studied in vitro. According to the in vitro experiment data, PDI was still functional in cell lysates assisting lactoferrin folding into the mature form. PDI interacts with lactoferrin polypeptides for an extended period during the folding in vitro. During the refolding process in vitro, intermolecular aggregates and refolding oligomers matured into a functional form after PDI binds to the lactoferrin. These results suggest that PDI provides a prolonged chaperoning activity in the refolding processes and that there appears to be a greater requirement for PDI chaperone activity in the refolding of lactoferrin polypeptides.
Covalent modification of a protein with polyethylene glycol (PEG) has become one of the most widely used and well established drug enhancement strategies in the biopharmaceutical industry. The general benefits enjoyed by PEGylation, such as prolonged serum half-lives or reduced immunogenicity in vivo, are well known. By now the PEGylation process has been performed with purified proteins, and it is required to recover the desired PEGylate by a multi-step purification process. The ultimate aim of our research is to develop an integrated process of PEGylation and in vitro refolding starting with inclusion body material. For this, we investigated the feasibility that a protein could be PEGylated under a denaturing condition and also the PEGylated proteins could be refolded correctly. Using lipase as a model protein, we found that it was PEGylated in the presence of 8M urea and that the PEG molecules covalently attached to lipase did not appear to hinder its refolding.
An engineered cDNA from Phanerochaete chrysosporium encoding both the mature and propeptide-sequence regions of lignin peroxidase H2 (Lip H2) was overexpressed in Escherichia coli BL21 (DE3) to evaluate its catalytic characteristics and potential application as a pollution scavenger. All expressed proteins were aggregated in an inactive inclusion body, which might be due to inherent disulfide bonds. Active enzyme was obtained by refolding with glutathione-mediated oxidation in refolding solution containing $Ca^{2+}$, heme, and urea. Propeptide-sequence region was not processed as evidenced by N-terminal sequence analysis. Recombinant Lip H2 (rLip H2) had the same physical properties of the native protein but differed in the $K_{cat}$. Catalytic efficiency ($k_{cat}/K_m$) of rLip H2 was slightly higher than that of the native enzyme. In order to express an active protein, fusion systems with thioredoxin or Dsb A, which have disulfide isomerase activity, were used. The fused proteins expressed by the Dsb A fusion vector were aggregated, whereas half of the thioredoxin fusion proteins were recovered as a soluble form but still catalytically inactive. These results suggest that Lip H2 may not be expressed as an active enzyme in Escherichia coli although the activity can be recovered by in vitro refolding.
The goal of this study is to investigate effects of temperature and co-chaperonin requirement for in vitro protein refolding assisted by E. coli chaperone GroEL under permissive and nonpermissive temperature conditions. In vitro protein refolding of two denatured proteins was kinetically investigated under several conditions in the presence of GroEL. Effects of temperature and GroES-requirement on the process of prevention of protein aggregation and refolding of denatured protein were extensively monitored. We have found that E. coli GroEL chaperone system along with ATP is required for invitro refolding of unfolded polypeptide under nonpermissive temperature of $37^{\circ}C$. However, under permissive condition spontaneous refolding can occur due to lower temperature, which can competes with chaperone-mediated protein refolding via GroEL chaperone system. Thus, GroEL seemed to divert spontaneous refolding pathway of unfolded polypeptide toward chaperone-assisted refolding pathway, which is more efficient protein refolding pathway.
Native grass carp (Ctenopharygodon idellus) growth hormone, has 5 cysteine amino acid residues, forms two disulphide bridges in its mature form. Recombinant grass carp growth hormone, when over-expressed in E. coli, forms inclusion bodies. In vitro oxidative renaturation of guanidine-hydrochloride dissolved recombinant grass carp growth hormone was achieved by sequential dilution and stepwise dialysis at pH 8.5. The redox potential of the refolding cocktail was maintained by glutathione disulphide/glutathione couple. The oxidative refolded protein is heterogeneous, and contains multimers, oligomers and monomers. The presence of non-disulphide-bond-forming cysteine in recombinant grass carp growth hormone enhances intermolecular disulphide bond formation and also non-native intramolecular disulphide bond formation during protein folding. The non-disulphide-bond-forming cysteine was converted to serine by PCR-mediated site-directed mutagenesis. The resulting 4-cysteine grass carp growth hormone has improved in vitro oxidative refolding properties when studied by gel filtration and reverse phase chromatography. The refolded 4-cysteine form has less hydrophobic aggregate and has only one monomeric isoform. Both refolded 4-cysteine and 5-cystiene forms are active in radioreceptor binding assay.
To avoid the intrinsic problem of aggregation associated with the traditional solution-phase refolding process, we propose a solid-phase refolding method integrated with expanded bed adsorption chromatography. The model protein used was a fusion protein of recombinant human growth hormone and a glutathione S transferase fragment. It was demonstrated that the EBA-mediated refolding technique could simultaneously remove cellular debris and directly renature the fusion protein inclusion bodies in the cell homogenate with much higher yields and less agregation. To demonstrate the applicability of the method, we successfully tested the three representative types of starting materials, i. e., rhGH monomer, washed inclusion bodies, and the E. coli homogenate. This direct and simplified refolding process could also reduce the number of renaturation steps required and allow refolding at a higher concentration, at approximately 2 mg fusion protein per ml of resin. To the best of our knowledge, it is the first approach that has combined the solid-phase refolding method with expanded bed chromatography.
The protein disulfide isomerase (PDI) reaction kinetics has been studied to evaluate its effect on the monoclonal antibody (Mab) refolding and assembly which accompanies disulfide bend formation. The MAb in vitro assembly experiments showed that the assembly rate of heavy and light chains can be greatly enhanced in the presence of PDI as compared to the rate of assembly obtained by the air-oxidation. The reassembly patterns of MAb in-termediates were identical for both with and without PDI, suggesting that the PDI does not determine the MAb assembly pathway, but rather facilitates the rate of MAb assembly by promoting PDI catalyzed disulfide bond formation. The effect of growth rate on PDI activities for MAb production has also been examined by using continuous culture system. The specific MAb productivity of hybridoma cells decreased as the growth rate increased. However, PDI activities were nearly constant fur a wide range of growth rates except very high growth rate, indicating that no direct correlation between PDI activity and specific MAb productivity exists.
Using recombinant human growth hormone as a model protein, we carried out unfolding by adding a denaturant such as urea, guanidine HCl, or SDS followed by refolding by dilution and dialysis. The objectives were to monitor the structural changes during in vitro refolding process and, based on the results, to develop a quantitative method of refolding progress assessment. The changes in surface hydrophobicity were measured by fluorescence tagging of 1-anilinonaphthalene-8-sulfonate(1,8-ANS) to the hydrophobic portions, and those in the secondary structure were monitored by using far UV-CD(circular dichroism) spectroscopy. Also, we used RP-HPLC to separate and quantify the folded and unfolded proteins to correlate the result with the structure analysis. Our results indicate the surface hydrophobicity are well correlated with the formations of the secondary structure, primarily ${\alpha}$-helices, as well as the disulfide bridges. We expect this monitoring technique can be applied in industrial fields as a means to quantitatively assess the progress of in-vitro refolding of recombinant proteins.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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