Surexpression de la glucose-6-phosphate déshydrogénase pour l'étude du métabolisme primaire de cellules de mammifères en mode cuvée

Mammalian cells are the prefered host for the production of recombinant proteins of
therapeutic interest. Among them, CHO cells are prevailing on the market and HEK are raising
interest. Even if they possess the advantage of performing appropriate post-translational
modifications for human compatibility of those molecules, production costs are still inhibitory
regarding the growing demand. Moreover, mammalian cells possess a slow metabolism and can't
reach high cell densities compared to what is observed in microorganisms. Numerous significant
improvements have been made thanks to media and culture strategies optimization, cell lines
improvement, and more recently the advances in cell metabolism studies. The identification of
metabolism bottlenecks allowed to guide cell line engineering, especially to avoid toxic effects of
metabolic by-products or activation of pro-apoptotic signals. Recently, studies have shown a
metabolic switch between growth phase and production phase. In exponential phase, most of the
flux are routed towards glycolysis. However, pic protein production was associated with an
elevated oxidative metabolism in the TCA cycle and the pentose phosphate pathway. Given that,
the present work aims at redirecting metabolic fluxes through the pentose phosphate pathway.
According to a predictive metabolic model developped in our laboratory, we hypothetized that an
increase in glucose-6-phosphate dehydrogenase – the first enzyme in the pathway- activity could
reroute the fluxes and aleviate the metabolic burden imposed by recombinant protein secretion.
This enzyme was thus transient transfected in two HEK293 cell lines, the parental cells and the
derived cell line stably expressing pyruvate carboxylase, and CHO cells in order to assess its
effect on protein production and cell growth in batch mode. The results, in terms of growth,
viability, recombinant protein production, and the concentrations of intra- and extracellular
metabolites demonstrated the robustness of these cells regarding the pertubation studied in this
work. However, metabolic signatures of the two HEK293 cell lines is really characteristic of the
changes brought by the expression of pyruvate carboxylase in one of the cell lines.

Résumé

Les cellules de mammifères sont l'hôte privilégié pour la production de protéines
recombinantes d'intérêt thérapeutique, et parmi elles, les cellules CHO qui dominent le marché et
les cellules HEK qui connaissent un regain d'intérêt. Même si elles présentent l'avantage de
performer les modifications post-traductionnelles appropriées pour la compatibilité des molécules
avec l'être humain, les coûts de production demeurent important devant la demande croissante.
De plus, ces cellules présentent un métabolisme lent et n'atteignent pas des densités cellulaires
aussi élevées comparé aux microorganismes. De nombreuses améliorations ont été obtenues
grâce à l'optimisation des milieux de culture et stratégies de culture, l'amélioration des lignées, et
plus récemment l'essor des études sur le métabolisme cellulaire. L'identification des limitations
du métabolisme a permis d'orienter les stratégies d'ingénierie des lignées, notamment pour
limiter l'effet des sous-produits toxiques de culture ou l'activation des voies apoptotiques.
Récemment, des études ont montré un changement de métabolisme entre la phase de croissance
et la phase de production. En phase exponentielle, la majorité des flux sont dirigés vers la
glycolyse alors que le pic de production correspond à une activité majoritaire des branches
oxydatives comme le cycle des acides tricarboxyliques et la voie des pentoses phosphates. C'est
dans ce cadre que s'inscrit le présent projet qui consiste en la redirection des flux métaboliques
vers la voie des pentoses phosphates. En accord avec les prévisions d'un modèle métabolique
disponible dans notre laboratoire, il a été supposé qu'une augmentation de l'activité de la
glucose-6-phosphate déshydrogénase, première enzyme de la voie, permettrait de rediriger les
flux vers la voie des pentoses phosphates et de soulager la charge métabolique imposée par la
production de protéines recombinantes. Cette enzyme a donc été transfectée de manière
transitoire dans des cellules HEK293, une lignée parentale et une lignée dérivée exprimant la
pyruvate carboxylase, et des cellules CHO afin d'observer son effet sur la production de protéines
et la croissance cellulaire en mode cuvée. Les résultats en termes de croissance cellulaire,
viabilité, production de protéines et concentrations de métabolites intracellulaires comme
extracellulaires ont révélé la robustesse du métabolisme de ces cellules face à la perturbation
étudiée. En revanche, les signatures métaboliques des deux lignées cellulaires HEK293 sont très
caractéristiques, en raison des changements importants apportés par la pyruvate carboxylase.