Summary

En simpel alternativ til Stereotaktisk Injection til Brain Specifik Knockdown af miRNA

Published: December 26, 2015
doi:

Summary

MicroRNAs play crucial roles in the brain and are potential targets for modeling neuro-degeneration. However, perturbing miRNA levels is challenging due to the short length of miRNA and inaccessibility of the brain tissue. This video presents a method for antagomir design and brain specific delivery using a neuropeptide in mice.

Abstract

MicroRNAs (miRNAs) are key regulators of gene expression. In the brain, vital processes like neurodevelopment and neuronal functions depend on the correct expression of microRNAs. Perturbation of microRNAs in the brain can be used to model neurodegenerative diseases by modulating neuronal cell death. Currently, stereotactic injection is used to deliver miRNA knockdown agents to specific location in the brain. Here, we discuss strategies to design antagomirs against miRNA with locked nucleotide modifications (LNA). Subsequently describe a method for brain specific delivery of antagomirs, uniformly across different regions of the brain. This method is simple and widely applicable since it overcomes the surgery, associated injury and limitation of local delivery in stereotactic injections. We prepared a complex of neurotropic, cell-penetrating peptide Rabies Virus Glycoprotein (RVG) with antagomir against miRNA-29 and injected through tail vein, to specifically deliver in the brain. The antagomir design incorporated features that allow specific targeting of the miRNA and formation of non-covalent complexes with the peptide. The knock-down of the miRNA in neuronal cells, resulted in apoptotic cell death and associated behavioural defects. Thus, the method can be used for acute models of neuro-degeneration through the perturbation of miRNAs.

Introduction

MikroRNA'er er dukket op som hidtil ukendte terapeutiske mål på grund af deres universelle rolle i reguleringen af ​​genekspression og direkte beviser for involvering i sygdom. MiRNA bliver aktivt udforsket for deres potentiale som lægemiddel rettet mod 1,2. Endvidere er ændringer i miRNA ekspression er forbundet med adskillige sygdomme 3 og simulering af disse ændringer ved kunstig forstyrrelse af miRNA ekspression kan anvendes til at studere cellulære veje, der er involveret i sygdommen manifestation. Vævsspecifik levering af miRNA målretning narkotika er i øjeblikket en stor udfordring for miRNA baseret lægemiddeludvikling. Antagomirs og miRNA efterligner er lovende midler til forstyrrende miRNA niveauer 4-6. Særlige funktioner, der forbedrer deres specificitet og effekt har dog skal indarbejdes i udformningen af antagomirs, før de kan bruges til in vivo forstyrrelse af miRNA udtryk.

MikroRNA'er er særligt relevante som mål i øjeblikket uhelbredelige neurodegenerative og neuro-udviklingsmæssige sygdomme. Blod-hjerne-barrieren udgør en begrænsning af leveringen af ​​antagomirs i hjernen. Stereotaktiske injektioner er meget udbredt i gnavermodeller at levere molekyler til bestemte steder i hjernen 7. Det kræver dygtighed, omfattende investeringer i instrumentering og tid. Stereotaktiske injektioner er invasive, indebærer kirurgi, forårsager mindst mindre skade, og er begrænset til lokal levering. Anvendelsen af ​​cellepenetrerende peptider med en præference for målretning neuroner kan imødegå disse begrænsninger, da de kan leveres gennem trans-kar rute, men bryde blod-hjerne-barrieren. Et sådant peptid afledt af rabiesvirus glycoprotein (RVG), er tidligere blevet anvendt til at levere siRNA mod japansk encephalitis virus i mus 8. Vi fandt, at bruge peptid til antagomir levering, kan miRNA være effektivt slået ned i musen hjernen 9.

Indholdsproduktion "> Den anden store udfordring af miRNA knock-down skyldes den lille størrelse af miRNA og tilstedeværelsen af ​​nært beslægtede sekvens isoformer. Vi tager eksemplet med MMU-miR-29 familie, som består af tre nært beslægtede isoformer, miR-29a , b og c. Antagomirs generelt også ændres langs rygraden til at øge deres stabilitet og gøre dem modstandsdygtige over for angreb fra nukleaser. Locked Nucleic Acids (LNA) tilbyder en yderligere fordel, at de forbedrer termisk stabilitet og endda føre til at målrette nedbrydning over og ud sterisk hindring 10. Introduktion modifikationer langs rygraden kan være effektiv, men dyrere. Vi har tidligere set, at modifikationer udover et optimalt antal ikke yderligere at forbedre effektiviteten. Udformningen af antagomir involverer derfor den optimale ændring af antagomir.

Til kompleks antagomir ikke-kovalent med neurotropisk peptid, en ladet hepta- til nona-arginin forlængelse er brugt. D-argininrester anvendes, da de medfører højere stabilitet, da de ikke er modtagelige for spaltning med proteaser. Hepta- til Nona-arginin strækninger fungere som effektive cellepenetrerende midler, selv om de ikke giver celletypespecificitet. Ved kovalent binding RVG peptidet til nona-arginin linker, neurotropisk, cellepenetrerende peptid blev genereret. De positivt ladede rester af peptidet interagerer med negativt ladet nukleinsyre rygrad, til dannelse af komplekser. Disse komplekser kan anvendes til effektivt at transficere DNA eller RNA i dyrkede celler og in vivo i væv.

Protocol

Bemærk: Alt proceduren herunder animalske emner er blevet godkendt af Institutional Dyr etiske komité (IAEC) på Institut for Genomforskning og Integrativ Biologi, New Delhi (IGIB / AEC / 10/2013). Denne protokol er specielt tilpasset til målrettet levering af Antagomir-29 i hjernen og knockdown af MIR-29. 1. Antagomir Design Strategy Hent den modne miRNA sekvensen fra miRBase 11 (http://www.mirbase.org/). Hent sekvense…

Representative Results

Under anvendelse af fremgangsmåden, der præsenteres her, komplekser af 50microgram fluorescensmærket oligonukleotid (FLO) og ~ 850microgram RVG peptid 1:15 molært ladningsforhold: blev (FLO peptid) fremstilles og injiceres én gang gennem halevenen. Kompleks af ikke-neurotropisk rabiesvirus Matrix (RVM) peptid og FLO blev anvendt som en levering kontrol. Næste dag blev mus hjerne og lever isoleret og enkeltcelle-suspensioner blev fremstillet. Celler blev observeret under mikroskop for grøn fluorescens. FLO-RVG kom…

Discussion

Here we demonstrate a widely accessible methodology to study the effects of miRNA modulation. Currently, most attempts at in vivo characterization of miRNA functions involve the creation of knockout mice or a transgenic that expresses a miRNA sponge. Most miRNAs, even the cell type specific ones are expressed in more than one organ. For instance, miRNAs initially thought to be specific to the hematopoietic system are also expressed in the brain, due to the presence of microglia. Thus even a cell type specifi…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Souvik Maiti for help in designing the antagomirs. We also acknowledge Rangeetha J. Naik, Rakesh Dey, and Bijay Pattnaik for their help with experimental methods. This work was funded by the Council of Scientific and Industrial Research (BSC0123). HS, MV and RR acknowledge fellowship from the Council of Scientific and Industrial Research, India. MAS acknowledge fellowship from the University Grants Commission, India.

Materials

Vortex
Restrainer or Decapicone
Narrow runway ~70-cm-long, ~5-cm-wide with ~5-cm-high walls.
Reagents
Fluorescently labelled oligonucleotides (siGLO) GE Healthcare Dharmacon INC D0016300120
10% sterile D-glucose
Antagomir-29 Exiqon custom synthesis
Antagomir-control Exiqon custom synthesis
Neuropeptide RVG G.L.Biochem (Shanghai) Ltd. custom synthesis >98% purity
Neuropeptide RVM G.L.Biochem (Shanghai) Ltd. custom synthesis >98% purity
Other
Cotton
Warm water
Insulin syringes
Absorbent sheets
Ink
Brush
Antiseptic

References

  1. Roshan, R., Ghosh, T., Scaria, V., Pillai, B. MicroRNAs: novel therapeutic targets in neurodegenerative diseases. Drug discovery today. 14, 1123-1129 (2009).
  2. Maes, O. C., Chertkow, H. M., Wang, E., Schipper, H. M. MicroRNA: Implications for Alzheimer Disease and other Human CNS Disorders. Current Genomics. 10, 154-168 (2009).
  3. Soifer, H. S., Rossi, J. J., Saetrom, P. MicroRNAs in Disease and Potential Therapeutic Applications. Mol Ther. 15, 2070-2079 (2007).
  4. Bader, A. G., Brown, D., Winkler, M. The Promise of MicroRNA Replacement Therapy. Cancer research. 70, 7027-7030 (2010).
  5. Stenvang, J., Petri, A., Lindow, M., Obad, S., Kauppinen, S. Inhibition of microRNA function by antimiR oligonucleotides. Silence. 3, 1-17 (2012).
  6. Trang, P., et al. Systemic Delivery of Tumor Suppressor microRNA Mimics Using a Neutral Lipid Emulsion Inhibits Lung Tumors in Mice. Molecular Therapy. 19, 1116-1122 (2011).
  7. Barbash, S., Hanin, G., Soreq, H. Stereotactic Injection of MicroRNA-expressing Lentiviruses to the Mouse Hippocampus CA1 Region and Assessment of the Behavioral Outcome. J Vis Exp. (76), e50170 (2013).
  8. Kumar, P., et al. Transvascular delivery of small interfering RNA to the central nervous system. Nature. 448, 39-43 (2007).
  9. Roshan, R., et al. Brain-specific knockdown of miR-29 results in neuronal cell death and ataxia in mice. RNA. 20, 1287-1297 (2014).
  10. Kaur, H., Wengel, J., Maiti, S. Thermodynamics of DNA−RNA Heteroduplex Formation: Effects of Locked Nucleic Acid Nucleotides Incorporated into the DNA Strand. Biochimie. 47, 1218-1227 (2008).
  11. Griffiths-Jones, S., Grocock, R. J., Van Dongen, S., Bateman, A., Enright, A. J. miRBase: microRNA sequences, targets and gene nomenclature. Nucleic Acids Research. 34, D140-D144 (2006).
  12. Kaur, H., Babu, B. R., Maiti, S. Perspectives on Chemistry and Therapeutic Applications of Locked Nucleic Acid (LNA). Chemical Reviews. 107, 4672-4697 (2007).
  13. Guyenet, S. J., et al. A Simple Composite Phenotype Scoring System for Evaluating Mouse Models of Cerebellar Ataxia. J. Vis. Exp. (39), (2010).
  14. Bergen, J. M., Park, I. -. K., Horner, P. J., Pun, S. H. Nonviral Approaches for Neuronal Delivery of Nucleic Acids. Pharmaceutical Research. 25, 983-998 (2008).
  15. Zou, L. -. L., Ma, J. -. L., Wang, T., Yang, T. -. B., Liu, C. -. B. Cell-Penetrating Peptide-Mediated Therapeutic Molecule Delivery into the Central Nervous System. Current Neuropharmacology. 11, 197-208 (2013).
  16. Hwang, D. W., et al. A brain-targeted rabies virus glycoprotein-disulfide linked PEI nanocarrier for delivery of neurogenic microRNA. Biomaterials. 32, 4968-4975 (2011).
check_url/fr/53307?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Suryawanshi, H., Sarangdhar, M. A., Vij, M., Roshan, R., Singh, V. P., Ganguli, M., Pillai, B. A Simple Alternative to Stereotactic Injection for Brain Specific Knockdown of miRNA. J. Vis. Exp. (106), e53307, doi:10.3791/53307 (2015).

View Video