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Generation of a Host Cell line containing a MAR-rich landing pad for site specific integration and expression of transgenes

Oliviero, Claudia (2023)
Generation of a Host Cell line containing a MAR-rich landing pad for site specific integration and expression of transgenes.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026392
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Generation of a Host Cell line containing a MAR-rich landing pad for site specific integration and expression of transgenes
Language: English
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Hagens, Prof. Dr. Gerrit
Date: 13 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 121 Seiten
Date of oral examination: 27 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026392
Abstract:

In recent years, targeted gene integration (TI) has been introduced as a strategy for the generation of recombinant mammalian cell lines for the production of biotherapeutics. Besides reducing the immense heterogeneity within a pool of recombinant transfectants, TI also aims at shortening the duration of the current cell line development process. The aim of this work was to generate a host cell line containing several copies of a Matrix Attachment Region (MAR) rich landing pad for site-specific integration of Gene Of Interests (GOIs). The developed system is based on the integration of dual landing pads containing the same MAR, two different orthogonal recombination sites for the serine integrase BxB1 (AttB wild type, and AttB with GA mutation) and two different reporter genes (EGFP and DsRed). The first part of the work focused on the generation of landing pad host cell lines. Three different typologies of dual landing pads were developed and integrated into the CHO-S genome: ones containing the chicken lysozyme 5' MAR, ones containing the human 1-68 MAR and a control ones without the MAR sequence. Clones integrating both landing pads can be selected by antibiotic selection and by following the dual reporter gene expression. Landing pad clones were selected and characterized to evaluate the effect of MAR sequence on the number of copies of LPs integrated into the genome, the expression of reporter genes, and the stability of the clones. The second part of the work focused on the site-specific integration of GOIs into the selected host cell lines, using BxB1 intregase. The sequence of a monospecific human antibody (msAb-Fer) was used for this proof of concept. To further validate the system and demonstrate its versatility, a bispecific antibody (bsAb-Fer) was also expressed using the landing pad system. Clones were selected and analyzed in order to verify the successful integration of donor vectors and their correct expression. These experiments highlighted the possibility of using the developed landing pads system as a "chassis" for the expression of different genes. In addition, various insights were obtained regarding points to be optimized to achieve a more robust expression platform. The last part of this work focused on improving culture conditions in fed batch and a culture scale up. Different commercial basal media were tested in combination with different feeding strategies to evaluate the impact in cell growth curves and antibody titer. Improvements in culture conditions allowed to increase culture duration and antibody titer significantly compared to the initial tested conditions. The best conditions found were used during the scale-up of the system, which was proven up to 5L in a shaking bioreactor. In summary, this work provides methods for the implementation and development of a platform for the expression of several genes of interest at the same time. The dual landing pad system, associated with different reporter genes and a MAR sequence allows the efficient selection of stable host cell lines. The landing pad design, coupled with the promoter trap strategy, allows efficient and rapid selection of producig clones once recombination and integration of GOIs has occurred. This system has been proven for expression of both monospecific and bispecific antibodies but has the potential for rapid and efficient expression of other molecules as well. Therefore upon optimization, this system could be used in the future for generating stable cell lines for production but also for rapid expression of different biologics without having to go through transient transfection steps or long selection processes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In den letzten Jahren wurde die gezielte Genintegration (targeted integration; TI) als Strategie zur Herstellung rekombinanter Säugetierzelllinien für die Produktion von Biotherapeutika eingeführt. Neben der Verringerung der potenziell immensen Heterogenität innerhalb eines Pools rekombinanter Transfektanten zielt die TI auch darauf ab, die Dauer des Zelllinienentwicklungsprozesses zu verkürzen. Ziel dieser Arbeit war es, eine Wirtszelllinie zu generieren, die mehrere Kopien einer Matrix Attachment Region (MAR) enthält, die als Zielregion für die ortsspezifische Integration von Transgenen dient. Das entwickelte System basiert auf der Integration von zwei Landestellen, die dieselbe MAR, zwei orthogonale Rekombinationsstellen für die Serin-Integrase BxB1 (AttB Wildtyp und AttB mit GA-Mutation) und zwei verschiedene Fluoreszenzreportergene (EGFP und DsRed) enthalten. Der erste Teil der Arbeit konzentrierte sich auf die Herstellung von Landestellen-Wirtszelllinien. Es wurden drei verschiedene Typen von dualen Landestellen entwickelt und in das CHO-S-Genom integriert: solche, die die 5'-MAR von Hühnerlysozym enthalten, solche, die die menschliche 1-68-MAR enthalten, und eine Kontrollzelllinie ohne eine MAR-Sequenz. Klone, die beide Landestellen integrieren, können durch antibiotische Selektion und durch parallele Erfassung der Expression der beiden Reportergenen ausgewählt werden. Die Landestellen-Klone wurden ausgewählt und charakterisiert, um die Auswirkungen der MAR-Sequenz auf die Anzahl der in das Genom integrierten LP-Kopien, die Expression der Reportergene und die Stabilität der Klone zu bewerten. Der zweite Teil der Arbeit konzentrierte sich auf die ortsspezifische Integration von GOI in die ausgewählten Wirtszelllinien unter Verwendung der BxB1-Intregase. Die Sequenz eines monospezifischen menschlichen Antikörpers (msAb-Fer) wurde für diesen Konzeptnachweis verwendet. Um das System weiter zu validieren und seine Vielseitigkeit zu demonstrieren, wurde auch ein bispezifischer Antikörper (bsAb-Fer) mit Hilfe des Landestellensystems exprimiert. Es wurden Klone ausgewählt und analysiert, um die erfolgreiche Integration der Donor-Vektoren und ihre korrekte Expression zu überprüfen. Diese Experimente verdeutlichten die Möglichkeit, das entwickelte Landestellen-System als "Chassis" für die Expression verschiedener Gene zu nutzen. Darüber hinaus wurden verschiedene Erkenntnisse über Punkte gewonnen, die optimiert werden müssen, um eine robustere Expressionsplattform zu erhalten. Der letzte Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Verbesserung der Kulturbedingungen im Fed-Batch-Verfahren und einen Scale-up der Kultur. Es wurden verschiedene kommerzielle Basalmedien in Kombination mit unterschiedlichen Fütterungsstrategien getestet, um die Auswirkungen auf die Zellwachstumskurven und den Antikörpertiter zu untersuchen. Durch die Verbesserung der Kulturbedingungen konnten die Kulturdauer und der Antikörpertiter im Vergleich zu den ursprünglich getesteten Bedingungen deutlich erhöht werden. Die besten Bedingungen wurden beim Scale-up des Systems verwendet, das sich in einem Schüttelbioreaktor von bis zu 5 Liter bewährt hatte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch diese Arbeit Methoden für die Umsetzung und Entwicklung einer Plattform für die Simultanexpression mehrerer Zielgene entwickelt werden konnten. Das duale Landestellen-System, das aus verschiedenen Reportergenen und einer MAR-Sequenz besteht, ermöglicht die effiziente Auswahl stabiler Wirtszelllinien. Das Landestellen-Design in Verbindung mit der Promotor Trap Strategie ermöglicht eine effiziente und schnelle Selektion von produktiven Klonen, sobald die Rekombination und Integration der GOI stattgefunden hat. Dieses System hat sich sowohl für die Expression von einem monospezifischen und einem bispezifischen Antikörper bewährt, hat aber auch das Potenzial für eine schnelle und effiziente Expression anderer Moleküle. Daher könnte dieses System nach seiner Optimierung in Zukunft für die Erzeugung stabiler Zelllinien für die Produktion, aber auch für die schnelle Expression verschiedener Biologika verwendet werden, ohne dass transiente Transfektionsschritte oder lange Selektionsprozesse erforderlich sind.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-263922
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie
07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie > Biologische Chemie
Date Deposited: 13 Dec 2023 13:04
Last Modified: 14 Dec 2023 11:18
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26392
PPN: 514031670
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