Summary

Direkte Protein Delivery for pattedyrsceller Brug Cell-permeable Cys<sub> 2</sub> -His<sub> 2</sub> Zink-finger Domæner

Published: March 25, 2015
doi:

Summary

Zinkfinger-domæner er uløseligt celle-permeable og i stand til at mediere protein levering i en bred række af mammale celletyper. Her er en detaljeret trin-for-trin-protokollen til gennemførelse zink-finger-teknologi til intracellulær protein levering fremlagt.

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

Meget effektive og alsidige strategier protein levering er afgørende for mange grundforskning og terapeutiske anvendelser. Den direkte levering af oprensede proteiner i celler er et af de sikreste og letteste metoder til at opnå dette. 1,2 modsætning strategier, der er afhængige af genekspression fra nukleinsyrer, 3-5 protein levering udgør nogen risiko for insertionsmutagenese, er uafhængig af den cellulær transskription / translation maskiner og giver mulighed for en øjeblikkelig virkning. Men manglen på enkle og generalisere metoder til tilføre celle-gennemtrængende aktivitet på proteiner rutinemæssigt forvirrer deres direkte indrejse i celler. Nuværende fremgangsmåder til at lette intracellulær protein levering er baseret på anvendelsen af naturligt forekommende 6-8 eller konstrueret cellepenetrerende peptider, 9-12 trykladning transduktion domæner, 13,14 nanopartikler 15 og liposomer, 16 viruslignende partikler 17,18 </sup> og polymere mikrosfære materialer. 19 Desværre har mange af disse metoder er hæmmet af lave celleoptagelse rater, 20,21 dårlig stabilitet, 22 utilsigtet celletype specificitet, 23 lav endosomale escape egenskaber 24 og toksicitet. 25 Endvidere er mange protein transduktion teknologier reducere bioaktiviteten af de leverede proteiner. 14

Vores laboratorium tidligere vist, at zink-finger nuclease (ZFN) proteiner – kimære restriktionsendonukleaser bestående af en programmerbar Cys 2 -His 2 zink-finger-DNA-bindende protein og spaltning domæne af Fokl restriktionsendonuklease 26-28 – er i sagens natur celle- gennemtrængelig. 29 Denne overraskende celle-gennemtrængende aktivitet viste sig at være en iboende egenskab ved specialdesignede zink-finger-domæne, et DNA-bindende platform, der er opstået som et effektivt redskab til målrettet genom enEngineering, 30-32 og anses for at være resultatet af konstellation af seks positivt ladede rester på proteinet overflade. Faktisk adskillige DNA-bindende proteiner, herunder c-Jun og N-DEK er blevet vist, at besidde en medfødt evne til at krydse cellemembraner 33 nylig vores laboratorium udvidet på disse resultater og demonstreret. At cellepenetrerende aktivitet zink- finger (ZIF) domæner kunne udnyttes til intracellulært protein levering. Genetisk fusion af enten et eller to finger ZIF domæner til specifikt protein last ført til optagelse effektivitetsgevinster, der oversteg mange konventionelle celle-gennemtrængende peptid leveringssystemer. 34 Mest bemærkelsesværdigt var ZIF-medieret levering ikke kompromittere aktiviteten af smeltet enzymatisk fragt og lettet høje niveauer af cytosolisk levering. Kollektivt, disse resultater demonstrere potentialet i ZIF-domænet for at lette en effektiv og let levering af proteiner, og potentielt mere forskelligartede former for makromolekyler i celler.

Her er en detaljeret trin-for-trin-protokollen om, hvordan man gennemfører ZIF teknologi til protein levering i pattedyrceller fremlagt. Vi har tidligere fremstillet en suite af en-, to-, tre-, fire-, fem- og seks-finger ZIF domæner, der mangler evnen til at binde DNA, som følge af substitution af hver af de α-helix DNA-bindende rester, men er i stand til at levere proteiner i celler 34 (figur 1). Produktion og transduktion af Emerald GFP (EmGFP) ind i HeLa-celler ved hjælp af en to-finger ZIF domænet er beskrevet. Denne protokol kan udvides til næsten ethvert protein i stand til opløselig ekspression i Escherichia coli og næsten enhver type pattedyrcelle. Forventede resultater leveres og strategier for at maksimere effektiviteten af ​​dette system er også drøftet.

Protocol

1. Kloning Opnå alaninsubstituerede to-finger ZIF-domæner, der er blevet sub-klonet i pET-28 ekspressionsvektorsystem og er tilgængelige efter anmodning (PET-2F-ZIF). 34 PCR amplificere EmGFP fra plasmidet Emerald-pBAD med primerne 5'XmaI-EmGFP (5'-GGAAATTG CCCGGG ATGGTGAGCAAGGGCGAGGAGCTGTTCAC-3 '; Xma I site i fed skrift) og 3' Sacl-EmGFP (5'-CGGATCT GAGCTC TTACTTGTACAGCTCGTCCATGCCGAG-3 ' ; Sac I site i fed sk…

Representative Results

To-finger ZIF-EmGFP fusionsproteiner kan udtrykkes i E. coli med> 95% homogenitet og høje udbytter (> 25 mg / ml) (figur 2). Generelt en- og to-finger ZIF fusionsproteiner kan fremstilles i mængder næsten identiske med dem af vildtype umodificeret protein. Men i nogle sammenhænge, ​​fem- og seks-finger ZIF fusionsproteiner er i stand til at blive produceret i udbytter er høje nok til efterfølgende anvendelser. Direkte anvendelse af to fingre ZIF-EmGF…

Discussion

Her er en trin-for-trin-protokol for protein levering ved hjælp af celle-permeable zink-finger (ZIF) domæner præsenteres. ZIF-domænet ikke reducere aktiviteten af smeltet enzymatisk fragt 34; giver mulighed for produktion og oprensning af proteiner i udbytter næsten identiske med dem observeret med umodificeret protein; og kan transportere proteiner og enzymer i en lang række celletyper med en virkningsgrad, der overskrider traditionelle cellepenetrerende peptid- eller proteintransduktionsdomæne system…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health (DP1CA174426 til Carlos F. Barbas) og ShanghaiTech University, Shanghai, Kina (til JL). Molekylære grafik blev dannet ved anvendelse PyMOL.

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

References

  1. Berg, A., Dowdy, S. F. Protein transduction domain delivery of therapeutic macromolecules. Curr. Opin. Biotechnol. 22, 888-893 (2011).
  2. Lindsay, M. A. Peptide-mediated cell delivery: application in protein target validation. Curr. Opin. Pharmacol. 2, 587-594 (2002).
  3. Luo, D., Saltzman, W. M. Synthetic DNA delivery systems. Nat. Biotechnol. 18, 33-37 (2000).
  4. Guo, X., Huang, L. Recent advances in nonviral vectors for gene delivery. Acc. Chem. Res. 45, 971-979 (2012).
  5. 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).
  6. Frankel, A. D., Pabo, C. O. Cellular uptake of the tat protein from human immunodeficiency virus. Cell. 55, 1189-1193 (1988).
  7. Elliott, G., O’Hare, P. Intercellular trafficking and protein delivery by a herpesvirus structural protein. Cell. 88, 223-233 (1997).
  8. 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).
  9. Smith, B. A., et al. Minimally cationic cell-permeable miniature proteins via alpha-helical arginine display. J. Am. Chem. Soc. 130, 2948-2949 (2008).
  10. 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).
  11. Karagiannis, E. D., et al. Rational design of a biomimetic cell penetrating peptide library. ACS Nan. 7, 8616-8626 (2013).
  12. 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).
  13. Fuchs, S. M., Raines, R. T. Arginine grafting to endow cell permeability. ACS Chem. Biol. 2, 167-170 (2007).
  14. 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).
  15. Panyam, J., Labhasetwar, V. Biodegradable nanoparticles for drug and gene delivery to cells and tissue. Adv. Drug Deliv. Rev. 55, 329-347 (2003).
  16. Zelphati, O., et al. Intracellular delivery of proteins with a new lipid-mediated delivery system. J. Biol. Chem. 276, 35103-35110 (2001).
  17. 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).
  18. Voelkel, C., et al. Protein transduction from retroviral Gag precursors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 7805-7810 (2010).
  19. Sinha, V. R., Trehan, A. Biodegradable microspheres for protein delivery. J. Control Release. 90, 261-280 (2003).
  20. 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).
  21. Ramakrishna, S., et al. Gene disruption by cell-penetrating peptide-mediated delivery of Cas9 protein and guide RNA. Genome Res. 24, 1020-1027 (2014).
  22. Fuchs, S. M., Raines, R. T. Polyarginine as a multifunctional fusion tag. Protein Sci. 14, 1538-1544 (2005).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Jones, S. W., et al. Characterisation of cell-penetrating peptide-mediated peptide delivery. Br. J. Pharmacol. 145, 1093-1102 (2005).
  26. 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).
  27. Carroll, D. Genome engineering with zinc-finger nucleases. 유전학. 188, 773-782 (2011).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Gaj, T., Gersbach, C. A., Barbas, C. F. ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends Biotechnol. 31, 397-405 (2013).
  32. Perez-Pinera, P., Ousterout, D. G., Gersbach, C. A. Advances in targeted genome editing. Curr. Opin. Chem. Biol. 16, 268-277 (2012).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Radcliff, G., Jaroszeski, M. J. Basics of flow cytometry. Methods Mol. Biol. 91, 1-24 (1998).
  36. 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).
  37. 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).
check_url/kr/52814?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Gaj, T., Liu, J. Direct Protein Delivery to Mammalian Cells Using Cell-permeable Cys2-His2 Zinc-finger Domains. J. Vis. Exp. (97), e52814, doi:10.3791/52814 (2015).

View Video