Engineering and Evolution of Synthetic Adeno-assosiert virus (AAV) genterapi vektorer via DNA Family shuffling
Summary
Vi viser den grunnleggende teknikken til å molecularly konstruere og utvikle syntetiske Adeno-tilknyttede viral (AAV) genterapi vektorer via DNA familie shuffling. Videre gir vi generelle retningslinjer og representative eksempler for utvalg og analyse av individuelle chimeric capsids med forbedrede egenskaper på målceller i kultur eller i mus.
Abstract
Adeno-tilknyttede viral (AAV) vektorene representerer noen av de mest potente og lovende biler for terapeutisk human genoverføring grunn av en unik kombinasjon av gode egenskaper 1. Disse inkluderer apathogenicity av de underliggende hvete virus og de svært avanserte metoder for produksjon av høy-titer, høy renhet og klinisk-grade rekombinante vektorer 2. En ytterligere spesiell nytte av AAV systemet over andre virus er tilgjengeligheten av et vell av naturlig forekommende serotypene som avviker i vesentlige egenskaper ennå kan alle enkelt konstruert som vektorer ved hjelp av en felles protokoll 1,2. Videre har en rekke grupper, inkludert vår egen nylig utviklet strategier for å bruke disse naturlige virus som maler for å lage syntetiske vektorer som enten kombinerer eiendelene til flere input serotyper, eller som forbedrer egenskapene til en enkelt isolere. De respektive teknologier for å oppnå disse målene are enten DNA familie tre shuffling, dvs. fragmentering av ulike AAV kapsid gener etterfulgt av sin re-montering basert på partielle homologies (typisk> 80% for de fleste AAV serotype), eller peptid visning 4,5, dvs. innsetting av vanligvis syv aminosyrer inn en utsatt løkke av viral kapsid der peptid ideelt formidler re-målretting til en ønsket celletype. For maksimal suksess, er begge metodene brukes i en high-throughput fashion der protokollene er opp-skaleres til å gi bibliotekene i rundt en million forskjellige kapsid varianter. Hver klone er da består av en unik kombinasjon av mange foreldre virus (DNA shuffling tilnærming) eller inneholder en særegen peptid innenfor samme viral ryggraden (peptid visning tilnærming). Den påfølgende siste trinnet er iterativ valg av et slikt bibliotek på målceller for å berike for individuelle capsids oppfyller de fleste eller ideelt sett alle krav i utvelgelsesprosessen. Sistnevnte helst kamInes positivt press, for eksempel vekst på en bestemt celletype av interesse, med negativ seleksjon, for eksempel eliminering av alle capsids reagerer med anti-AAV antistoffer. Denne kombinasjonen øker sjansen for at syntetiske capsids overlevende utvalget svarer behovene til den enkelte søknaden på en måte som trolig ikke ville ha blitt funnet i noen naturlig forekommende AAV isolere. Her fokuserer vi på DNA familien shuffling metode som teoretisk og eksperimentelt mer utfordrende av de to teknologiene. Vi beskriver og demonstrerer alle nødvendige skritt for generering og valg av stokkes AAV bibliotekene (Fig. 1), og deretter diskutere fallgruver og kritiske aspekter ved de protokoller som man trenger å være klar over for å lykkes med molekylær AAV evolusjon.
Protocol
Discussion
Her har vi skissert viktige eksperimentelle skritt og retningslinjer for AAV kapsid prosjektering via DNA familie stokke og for evolusjon i celler eller i dyr. I hovedsak er disse protokollene er standardiserte versjoner av prosedyrene vi først rapportert innen AAV feltet i 2008 3. Mens en kave av oppfølgingsstudier av andre har rapportert om en rekke modifikasjoner for eksempel 10-13, våre nåværende versjoner representerer grunnleggende strategier og ga reproduserbare resultater samt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke for utmerket støtte av laboratoriet deres, gruppemedlemmer og arbeidet ved Cluster of Excellence CellNetworks ved Heidelberg Universitet, samt av Chica og Heinz Schaller (CHS) stiftelse. Vi forstår at molekylær AAV evolusjon via DNA familie shuffling har blitt en svært aktiv feltet siden vår første publikasjon tre år siden, og derfor beklager til alle forfattere av relevante publikasjoner som arbeidet kunne ikke bli sitert her på grunn av plassbegrensninger.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
| DNase I | Invitrogen | 18068-015 |
| Polyethylenimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408727 |
| Restriction enzymes | NEB | Various |
| T4 DNA Ligase | NEB | M0202T |
| Gel extraction kit | Qiagen | 28704 |
| Phusion II polymerase Kit | Finnzymes (NEB) | F-540S |
| HotStar Hifi polymerase Kit | Qiagen | 202602 |
| DMSO | Finnzymes (NEB) | F-540S (part of kit) |
| EDTA (25 mM) | Invitrogen | 18068-015 (part of kit) |
| Tris | Roth | 4855.2 |
| Ampicilin sodium salt | Roth | K029.2 |
| dNTPs (10 mM, 100 μl) | Invitrogen | 18427013 |
| Iodixanol (OptiPrep) | Axis-shield | 1114739 |
| Phenolred | Merck | 107241 |
| Plasmid mega prep kit | Qiagen | 12181 |
| Ultracentrifuge | Beckman-Coulter | Optima L90K |
| Quick-Seal centrifuge tubes | Beckman-Coulter | 342414 |
| Electroporation unit | Bio-Rad | GenePulserXcell |
| Thermal cycler | Eppendorf | Vapo Protect |
| Heating block | BIOER | MB-102 |
| Fluorescence microscope | Olympus | IX81 |
| FACS analyser | Beckman-Coulter | Cytomics FC500 MLP |
| MegaX DH10B T1R cells | Invitrogen | C640003 |
| Benzonase | Merck | 101695 |
| Adenovirus-5 | ATCC | VR-5 |
| pBlueScript II KS(+) plasmid | Stratagene | 212207 |
| cap5F (Pac I site in yellow, cap5-specific sequences in bold): GACTCTTAATTAACAGGTATGTCTTTTGTTGATCACCCTCC |
IDTDNA | Custom primer |
| cap5R (Asc I site in green, cap5-specific sequences in bold): GTGAGGGCGCGCCTTAAAGGGGTCGGGTAAGGTATC |
IDTDNA | Custom primer |
References
- Grimm, D., Kay, M. A. From virus evolution to vector revolution: use of naturally occurring serotypes of adeno-associated virus (AAV) as novel vectors for human gene therapy. Curr. Gene Ther. 3, 281-304 (2003).
- Grimm, D. Production methods for gene transfer vectors based on adeno-associated virus serotypes. Methods. 28, 146-157 (2002).
- Grimm, D. In vitro and in vivo gene therapy vector evolution via multispecies interbreeding and retargeting of adeno-associated viruses. J. Virol. 82, 5887-5911 (2008).
- Muller, O. J. Random peptide libraries displayed on adeno-associated virus to select for targeted gene therapy vectors. Nat. Biotechnol. 21, 1040-1046 (2003).
- Perabo, L. In vitro selection of viral vectors with modified tropism: the adeno-associated virus display. Mol. Ther. 8, 151-157 (2003).
- Zolotukhin, S., Potter, M., Hauswirth, W. W., Guy, J., Muzyczka, N. A “humanized” green fluorescent protein cDNA adapted for high-level expression in mammalian cells. J. Virol. 70, 4646-4654 (1996).
- Wobus, C. E. Monoclonal antibodies against the adeno-associated virus type 2 (AAV-2) capsid: epitope mapping and identification of capsid domains involved in AAV-2-cell interaction and neutralization of AAV-2 infection. J. Virol. 74, 9281-9293 (2000).
- Grimm, D. Fatality in mice due to oversaturation of cellular microRNA/short hairpin RNA pathways. Nature. 441, 537-541 (2006).
- Nakai, H. Unrestricted hepatocyte transduction with adeno-associated virus serotype 8 vectors in mice. J. Virol. 79, 214-224 (2005).
- Koerber, J. T., Jang, J. H., Schaffer, D. V. DNA shuffling of adeno-associated virus yields functionally diverse viral progeny. Mol. Ther. 16, 1703-1709 (2008).
- Li, W. Engineering and selection of shuffled AAV genomes: a new strategy for producing targeted biological nanoparticles. Mol. Ther. 16, 1252-1260 (2008).
- Ward, P., Walsh, C. E. Chimeric AAV Cap sequences alter gene transduction. Virology. 386, 237-248 (2009).
- Yang, L. A myocardium tropic adeno-associated virus (AAV) evolved by DNA shuffling and in vivo selection. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 3946-3951 (2009).
- Perabo, L. Combinatorial engineering of a gene therapy vector: directed evolution of adeno-associated virus. J. Gene. Med. 8, 155-162 (2006).
- Maheshri, N., Koerber, J. T., Kaspar, B. K., Schaffer, D. V. Directed evolution of adeno-associated virus yields enhanced gene delivery vectors. Nat. Biotechnol. 24, 198-204 (2006).
- Wu, Z., Asokan, A., Samulski, R. J. Adeno-associated virus serotypes: vector toolkit for human gene therapy. Mol. Ther. 14, 316-327 (2006).
- Kwon, I., Schaffer, D. V. Designer gene delivery vectors: molecular engineering and evolution of adeno-associated viral vectors for enhanced gene transfer. Pharm. Res. 25, 489-499 (2008).
- Perabo, L., Huber, A., Marsch, S., Hallek, M., Buning, H. Artificial evolution with adeno-associated viral libraries. Comb. Chem. High. Throughput. Screen. 11, 118-126 (2008).
- McCarty, D. M., Monahan, P. E., Samulski, R. J. Self-complementary recombinant adeno-associated virus (scAAV) vectors promote efficient transduction independently of DNA synthesis. Gene Ther. 8, 1248-1254 (2001).
