控制细胞周期和体积大小可提高细胞特异性生产力

在CHO细胞补料分批培养中，细胞周期阻滞和细胞体积增大与细胞特异性生产力的增加呈正相关。转录组分析表明在基因表达水平上，细胞周期抑制和mTOR激活可能导致细胞体积增加。本研究有助于更好地理解和控制CHO细胞培养过程中的生物量动态变化，并进一步提高生产力。

该研究使用ActiCHO-P作为基础培养基，Actifeed A/B作为流加培养基，下文简称为ActiCHO工艺。在培养进行到一定阶段，细胞分裂停止，细胞体积不断增加，细胞的表达量随之增加。与此前的研究不同，我该研究没有采用干预措施阻断细胞周期进程，而只是采用转录组学的手段研究了相关分子机制。对照为FortiCHO体系，每天取样分析细胞密度、细胞活力、细胞平均直径和细胞周期变化。细胞周期分析证实，细胞周期阻滞发生在ActiCHO过程的G0/G1和G2/M阶段。此外，阻滞在此二阶段的细胞细胞体积均能增大。

使用Affymetrix CHO基因微阵列进行转录组分析，选择day3、5、7样本分析。主成分分析PCA（图D）显示了所有分析样本的基因表达的总体变化，图E显示了第3天和第7天之间的差异基因表达。

通过转录组分析，确定了CHO批培养工艺细胞体积增加相关的细胞机制。分析了ActiCHO工艺中上调及下调倍数处于前10的基因，发现与氧化还原调节、蛋白转运、渗透压调节相关的基因的上调程度显著。结果显示：细胞在转录水平上进行了调节，以应对培养过程中的氧化还原及渗透压变化。另外，10个下调的基因与细胞周期调节及有丝分裂有关。这与研究者在ActiCHO工艺中观察到的细胞周期停止后，细胞体积继续增加一致。

随后，对细胞周期进展和生物量（如蛋白和脂质）生成相关基因及这些过程中的信号途径进行了深入研究。研究发现：多种细胞周期蛋白（cyc）和细胞周期蛋白依赖激酶（cdk）基因在ActiCHO工艺中显著下调，这与细胞周期停止在G0/G1和G2/M期一致。通过分析调节生物量增加的基因发现：ActiCHO工艺中，mTOR上游和下游信号通路的调节与mTOR活性的变化高度同步。这与细胞周期停止后细胞继续生长相符。此外，TGF-β表达可能是有负向调节作用的旁分泌/自分泌因子，基础培养基中某些营养物质和/或有丝分裂因子的缺乏也导致细胞周期阻滞。与此同时，培养基中生长因子和高浓度营养物水平促使mTOR活性较高，维持生物量合成。因此，通过合理的设计基础培养基和补料培养基，可能能够在工业化培养工艺中操纵CHO细胞体积，进一步促进细胞生长，增加表达水平。

参考文献：Pan, X., Alsayyari, A.A., Dalm, C., Hageman, J.A., Wijffels, R.H. and Martens, D.E. (2019), Transcriptome Analysis of CHO Cell Size Increase During a Fed-Batch Process. Biotechnol. J., 14: 1800156. https://doi.org/10.1002/biot.201800156