Abstract Mammalian cells are critical hosts for the production of most therapeutic proteins and many proteins for biomedical research. While cell line engineering and bioprocess optimization have yielded high protein titers of some recombinant proteins, many proteins remain difficult to express. Here, we decipher the factors influencing yields in Chinese hamster ovary (CHO) cells as they produce 2165 different proteins from the human secretome. We demonstrate that variation within our panel of proteins cannot be explained by transgene mRNA abundance. Analyzing the expression of the 2165 human proteins with machine learning, we find that protein features account for only 15% of the variability in recombinant protein yield. Meanwhile, transcriptomic signatures account for 75% of the variability across 95 representative samples. In particular, we observe divergent signatures regarding ER stress and metabolism among the panel of cultures expressing different recombinant proteins. Thus, our study unravels the factors underlying the variation on recombinant protein production in CHO and highlights transcriptomics signatures that could guide the rational design of CHO cell systems tailored to specific proteins.

Summary Biologics represent the fastest growing group of therapeutics, but many advanced recombinant protein moieties remain difficult to produce. Here, we identify bottlenecks limiting expression of recombinant human proteins through a systems biology analysis of the transcriptomes of CHO and HEK293 during recombinant overexpression. Surprisingly, one third of the challenging human proteins displayed improved secretion upon host cell swapping from CHO to HEK293. While most components of the secretory machinery showed comparable expression levels in both expression hosts, genes with significant expression variation were identified. Among these, ATF4, SRP9, JUN, PDIA3 and HSPA8 were validated as productivity boosters in CHO. Further, more heavily glycosylated products benefitted more from the elevated activities of the N- and O-glycosyltransferases found in HEK293. Collectively, our results demonstrate the utilization of HEK293 for expression rescue of human proteins and suggest a methodology for identification of secretory pathway components improving recombinant protein yield in HEK293 and CHO.

The proteins secreted by human tissues (the secretome) are important for the basic understanding of human biology, but also for identification of potential targets for future diagnosis and therapy. Here, we present an annotated list of all predicted secreted proteins (n=2,623) with information about cellular origin and spatial distribution in the human body. A high-throughput mammalian cell factory was established to create a resource of recombinant full-length proteins. This resource was used for phenotypic assays involving β-cell dedifferentiation and for development of targeted proteomics assays. A comparison between host cells, including omics analysis, shows that many of the proteins that failed to be generated in CHO cells could be rescued in human HEK 293 cells. In conclusion, the human secretome has been mapped and characterized and a resource has been generated to facilitate further exploration of the human secretome.

The need for new safe and efficacious therapies has led to an increased focus on biologics produced in mammalian cells. The human cell line HEK293 has bio-synthetic potential for human-like production and is today used for manufacturing of several therapeutic proteins and viral vectors. Despite this increasing popularity there is still limited knowledge of the detailed genetic and composition of derivatives of this strain. Here we present a genomic, transcriptomic and metabolic gene analysis of six of the most widely used HEK293 cell lines. Changes in gene copy and expression between industrial progeny cell lines and the original HEK293 were associated with cellular component organization, cell motility and cell adhesion. Changes in gene expression between adherent and suspension derivatives highlighted switching in cholesterol biosynthesis and expression of five key genes (RARG, ID1, ZIC1, LOX and DHRS3), a pattern validated in 63 human adherent or suspension cell lines of other origin.