Hücre geçirgen Cys kullanılarak memeli hücrelerinde doğrudan protein teslim<sub> 2</sub> His<sub> 2</sub> Çinko-parmak Alanlar
Summary
Çinko-Parmak etki doğal olarak hücre-geçirgen ve memeli hücre türlerinin geniş bir aralığı içine protein verilmesinin aracılık edebilmektedir. Burada, hücre içi protein teslimat için çinko-parmak teknolojisi uygulanması için ayrıntılı bir adım-adım protokolü sunulmuştur.
Abstract
Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged as useful tools for targeted genome engineering. Like many other DNA-binding proteins, zinc-fingers also possess the innate ability to cross cell membranes. We recently demonstrated that this intrinsic cell-permeability could be leveraged for intracellular protein delivery. Genetic fusion of zinc-finger motifs leads to efficient transport of protein and enzyme cargo into a broad range of mammalian cell types. Unlike other protein transduction technologies, delivery via zinc-finger domains does not inhibit enzyme activity and leads to high levels of cytosolic delivery. Here a detailed step-by-step protocol is presented for the implementation of zinc-finger technology for protein delivery into mammalian cells. Key steps for achieving high levels of intracellular zinc-finger-mediated delivery are highlighted and strategies for maximizing the performance of this system are discussed.
Introduction
Yüksek verimli ve çok yönlü bir protein teslim stratejileri birçok temel araştırma ve terapötik uygulamalar için kritik öneme sahiptir. hücrelere saflaştırılmış proteinler direkt verilmesi, bunun başarılması için güvenli ve kolay yöntemlerden biri. 1,2 nükleik asitlerin gen ifadesi üzerindeki kullanan stratejiler farklı temsil eder 3-5 proteini dağıtım girmeyle mutagenez riski teşkil bağımsızdır Hücresel transkripsiyon / çeviri makine ve derhal yürürlüğe sağlar. Ancak, proteinlerin üzerine hücre delici aktivitesini endowing basit ve genellenebilir yöntemlerin eksikliği rutin hücre içine doğrudan giriş boşa. Hücre içi protein sağlanmasını kolaylaştırmak için geçerli yöntem, doğal olarak, 6-8 ya da tasarlanan hücre-delici peptidler, 9-12 kompresörlü transdüksiyon etki, 13,14 nano-tanecikleri 15 ve lipozomlar, 16 virüs benzeri partiküller 17,18 meydana kullanımına dayanmaktadır </sup> ve polimerik malzemeler Mikroküre. 19 Ne yazık ki, bu yaklaşımların çoğu düşük hücresel alım oranları, 20,21 yoksul kararlılık, 22 yanlışlıkla hücre tipi özgüllük, 23 düşük endozomal kaçış özellikleri 24 ve ek toksisite. 25 tarafından engellenmektedir, birçok protein iletim teknolojileri teslim proteinlerin biyoaktivitesini azaltır. 14
Biz daha önce laboratuarımızda çinko-parmak nükleazı göstermiştir (ZFN) protein – kimerik kısıtlama programlanabilir Cys 2 -His 2 çinko parmak, DNA bağlama proteini ve Fokl sınırlama endonükleazı 26-28 bölünme alanından oluşan endonükleazlar – doğal olarak hücreye olan geçirgen. 29 Bu şaşırtıcı hücre delici etkinlik özel tasarlanmış çinko-parmak etki, hedeflenen genom tr için güçlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır bir DNA-bağlanma platformun bir içsel özelliği olduğu gösterilmiştirMühendisliði, 30-32 ve kabul protein yüzey altı pozitif yüklü kalıntıların takımyıldızı sonucu olduğu. Gerçekten de, c-Jun N-DEK dahil olmak üzere birçok DNA-bağlama proteinleri,., Hücre zarlarını geçme yeteneği doğuştan gelen bir kapasiteye sahip olduğu gösterilmiştir 33 Daha yakın zamanda, laboratuar Bu sonuçlar genişletilmiş göstermiştir ki, çinko-hücre-delici aktivitesi parmak (ZiF) etki hücre içi protein teslimat için kaldıraçlı olabilir. Bir çok geleneksel hücre nüfuz peptit uygulama sistemlerinin aşıldı verimliliği artışa neden oldu spesifik protein yük için bir ya da iki parmak ZiF etki ya da genetik füzyonu. 34 En önemlisi, ZiF aracılı teslim kaynaşık enzimatik kargo aktiviteyi tehlikeye ve kolaylaştırdı Sitozolik teslimat yüksek düzeyde. Topluca, bu bulgular proteinlerin verimli ve kolay teslim kolaylaştırmak için ZiF etki potansiyelini göstermek ve makro potansiyel olarak daha farklı tiplerihücrelere molekülleri.
Burada, memeli hücrelerinde protein temini için ZiF teknolojisi nasıl uygulanacağına ilişkin ayrıntılı adım adım bir protokol verilmektedir. Daha önce bir paketi inşa bir, iki, üç, dört, beş ve altı parmak bağlı α-sarmal DNA bağlayıcı artıkların herbirinin, bir ikame, DNA bağlama yeteneğinden yoksun ZiF etki, ancak hücreler 34 (Şekil 1) içine proteinleri üretmektedirler. İki parmak ZiF etki alanı kullanılarak HeLa hücrelerine Emerald GFP (EmGFP) üretimi ve transdüksiyon tarif edilmektedir. Bu protokol, Escherichia coli içinde çözünür ifade ve hemen hemen her memeli hücre tipinde edebilen hemen hemen herhangi bir protein verecek şekilde uzatılabilir. Beklenen sonuçlar sağlanır ve bu sistemin performansını maksimize etmek için stratejiler de tartışılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, hücre-geçirgen çinko-parmağı (ZiF) sahaları kullanılarak protein temini için adım adım bir protokol verilmektedir. ZiF etki kaynaşık enzimatik yük 34 etkinliğini azaltmaz; üretim ve değişikliğe uğratılmamış proteinle birlikte gözlenenler ile hemen hemen aynı mayalarda proteinlerin saflaştırılması için izin verir; ve geleneksel hücre nüfuz peptid ya da protein transdüksiyon alan sistemleri aşan randımanı olan hücre tiplerinin geniş bir aralığı içine proteinler v…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma ve ShanghaiTech Üniversitesi, Shanghai, Çin (DP1CA174426 Carlos F. Barbas için) (JL) Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenmiştir. Moleküler grafik Pymol kullanılarak elde edilmiştir.
Materials
| XmaI | New England Biolabs | R0180L | |
| SacI | New England Biolabs | R0156L | |
| Expand High Fidelity PCR system | Roche | 11759078001 | |
| dNTPs | New England Biolabs | N0446S | |
| 4-20% Tris-Glycine Mini protein gels, 1.5 mm, 10 wells | Life Technologies | EC6028BOX | |
| 2x Laemmli Sample Buffer | BioRad | 161-0737 | |
| T4 DNA Ligase | Life Technologies | 15224-017 | |
| BL21 (DE3) Competent E. coli | New England Biolabs | C2527I | |
| IPTG | Thermo Scientific | R0391 | |
| Zinc Chloride | Sigma-Aldrich | 208086-5G | |
| Kanamycin Sulfate | Fisher Scientific | BP906-5 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-25 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S9888-25G | |
| DTT | Fisher Scientific | PR-V3151 | |
| PMSF | Thermo Scientific | 36978 | |
| Ni-NTA Agarose Resin | QIAGEN | 30210 | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-500ML | |
| Imidazole | Sigma-Aldrich | I5513-25G | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | EMO Millipore | UFC900324 | |
| DMEM | Life Technologies | 11966-025 | |
| Fetal Bovine Serum | Life Technologies | 10437-028 | |
| Antibiotic-Antimycotic | Life Technologies | 15240-062 | |
| 24-Well Flat Bottom Plate | Sigma-Aldrich | CLS3527-100EA | |
| Poly-Lysine | Sigma-Aldrich | P7280 | |
| DPBS, No Calcium, No Magnesium | Life Technologies | 21600010 | |
| Heparan Sulfate | Sigma-Aldrich | H4777 | |
| Trypsin | Life Technologies | 25300054 | |
| Hela cells | ATCC | CCL-2 | |
| Nano Drop ND-1000 spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
| QIAquick PCR Purification Kit | QIAGEN | 28104 | |
| QIAquick Gel Extraction Kit | QIAGEN | 28704 |
Riferimenti
- Berg, A., Dowdy, S. F. Protein transduction domain delivery of therapeutic macromolecules. Curr. Opin. Biotechnol. 22, 888-893 (2011).
- Lindsay, M. A. Peptide-mediated cell delivery: application in protein target validation. Curr. Opin. Pharmacol. 2, 587-594 (2002).
- Luo, D., Saltzman, W. M. Synthetic DNA delivery systems. Nat. Biotechnol. 18, 33-37 (2000).
- Guo, X., Huang, L. Recent advances in nonviral vectors for gene delivery. Acc. Chem. Res. 45, 971-979 (2012).
- Thomas, C. E., Ehrhardt, A., Kay, M. A. Progress and problems with the use of viral vectors for gene therapy. Nat. Rev. Genet. 4, 346-358 (2003).
- Frankel, A. D., Pabo, C. O. Cellular uptake of the tat protein from human immunodeficiency virus. Cell. 55, 1189-1193 (1988).
- Elliott, G., O’Hare, P. Intercellular trafficking and protein delivery by a herpesvirus structural protein. Cell. 88, 223-233 (1997).
- Derossi, D., Joliot, A. H., Chassaing, G., Prochiantz, A. The third helix of the Antennapedia homeodomain translocates through biological membranes. J. Biol. Chem. 269, 10444-10450 (1994).
- Smith, B. A., et al. Minimally cationic cell-permeable miniature proteins via alpha-helical arginine display. J. Am. Chem. Soc. 130, 2948-2949 (2008).
- Daniels, D. S., Schepartz, A. Intrinsically cell-permeable miniature proteins based on a minimal cationic PPII motif. J. Am. Chem. Soc. 129, 14578-14579 (2007).
- Karagiannis, E. D., et al. Rational design of a biomimetic cell penetrating peptide library. ACS Nan. 7, 8616-8626 (2013).
- Gao, S., Simon, M. J., Hue, C. D., Morrison, B., 3r, S., Banta, An unusual cell penetrating peptide identified using a plasmid display-based functional selection platform. ACS Chem. Biol. 6, 484-491 (2011).
- Fuchs, S. M., Raines, R. T. Arginine grafting to endow cell permeability. ACS Chem. Biol. 2, 167-170 (2007).
- Cronican, J. J., et al. Potent delivery of functional proteins into mammalian cells in vitro and in vivo using a supercharged protein. ACS Chem. Biol. 5, 747-752 (2010).
- Panyam, J., Labhasetwar, V. Biodegradable nanoparticles for drug and gene delivery to cells and tissue. Adv. Drug Deliv. Rev. 55, 329-347 (2003).
- Zelphati, O., et al. Intracellular delivery of proteins with a new lipid-mediated delivery system. J. Biol. Chem. 276, 35103-35110 (2001).
- Kaczmarczyk, S. J., Sitaraman, K., Young, H. A., Hughes, S. H., Chatterjee, D. K. Protein delivery using engineered virus-like particles. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 16998-17003 (2011).
- Voelkel, C., et al. Protein transduction from retroviral Gag precursors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 7805-7810 (2010).
- Sinha, V. R., Trehan, A. Biodegradable microspheres for protein delivery. J. Control Release. 90, 261-280 (2003).
- Liu, J., Gaj, T., Patterson, J. T., Sirk, S. J., Barbas, C. F. Cell-penetrating peptide-mediated delivery of TALEN proteins via bioconjugation for genome engineering. PLoS One. 9, e85755 (2014).
- Ramakrishna, S., et al. Gene disruption by cell-penetrating peptide-mediated delivery of Cas9 protein and guide RNA. Genome Res. 24, 1020-1027 (2014).
- Fuchs, S. M., Raines, R. T. Polyarginine as a multifunctional fusion tag. Protein Sci. 14, 1538-1544 (2005).
- Mai, J. C., Shen, H., Watkins, S. C., Cheng, T., Robbins, P. D. Efficiency of protein transduction is cell type-dependent and is enhanced by dextran sulfate. J. Biol. Chem. 277, 30208-30218 (2002).
- Al-Taei, S., et al. Intracellular traffic and fate of protein transduction domains HIV-1 TAT peptide and octaarginine. Implications for their utilization as drug delivery vectors. Bioconjug. Chem. 17, 90-100 (2006).
- Jones, S. W., et al. Characterisation of cell-penetrating peptide-mediated peptide delivery. Br. J. Pharmacol. 145, 1093-1102 (2005).
- Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., Gregory, P. D. Genome editing with engineered zinc finger nucleases. Nat. Rev. Genet. 11, 636-646 (2010).
- Carroll, D. Genome engineering with zinc-finger nucleases. Genetica. 188, 773-782 (2011).
- Guo, J., Gaj, T., Barbas, C. F., 3rd, Directed evolution of an enhanced and highly efficient FokI cleavage domain for zinc finger nucleases. J. Mol. Biol. 400, 96-107 (2010).
- Gaj, T., Guo, J., Kato, Y., Sirk, S. J., Barbas, C. F. Targeted gene knockout by direct delivery of zinc-finger nuclease proteins. Nat. Methods. 9, 805-807 (2012).
- Gersbach, C. A., Gaj, T., Barbas, C. F., 3rd, Synthetic zinc finger proteins: the advent of targeted gene regulation and genome modification technologies. Acc. Chem. Res. 47, 2309-2318 (2014).
- Gaj, T., Gersbach, C. A., Barbas, C. F. ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends Biotechnol. 31, 397-405 (2013).
- Perez-Pinera, P., Ousterout, D. G., Gersbach, C. A. Advances in targeted genome editing. Curr. Opin. Chem. Biol. 16, 268-277 (2012).
- Cronican, J. J., et al. A class of human proteins that deliver functional proteins into mammalian cells in vitro and in vivo. Chem. Biol. 18, 833-838 (2011).
- Gaj, T., Liu, J., Anderson, K. E., Sirk, S. J., Barbas, C. F., 3rd, Protein delivery using Cys2-His2 zinc-finger domains. ACS Chem. Biol. 9, 1662-1667 (2014).
- Radcliff, G., Jaroszeski, M. J. Basics of flow cytometry. Methods Mol. Biol. 91, 1-24 (1998).
- Mercer, A. C., Gaj, T., Sirk, S. J., Lamb, B. M., Barbas, C. F. Regulation of endogenous human gene expression by ligand-inducible TALE transcription factors. ACS Synth. Biol. 3, 723-730 (2014).
- Segal, D. J., Crotty, J. W., Bhakta, M. S., Barbas, C. F., Horton, N. C. Structure of Aart, a designed six-finger zinc finger peptide, bound to DNA. J. Mol. Biol. 363, 405-421 (2006).
