التعبير عابرة من البروتينات عن طريق هيدرودينامي الجينات في الفئران التسليم
Summary
في ترنسفكأيشن المجراة من الحمض النووي عارية عن طريق التسليم الجين الهيدروديناميكية يدخل الجينات في الأنسجة حيوان مع الحد الأدنى من الاستجابة الالتهابية. تتولد كميات كافية من الجين المنتج بحيث ظيفة الجين والتنظيم فضلا عن بنية البروتين وظيفة يمكن تحليلها.
Abstract
التعبير كفاءة من الجينات المحورة في الجسم الحي هو من الأهمية بمكان في دراسة وظائف الجينات وتطوير علاجات للأمراض. على مدى السنوات الماضية، والتسليم الجين الهيدروديناميكية (HGD) برز بوصفه وسيلة بسيطة وسريعة وآمنة وفعالة لإيصال الجينات المحورة في القوارض. تعتمد هذه التقنية على القوة الناتجة عن حقن السريع لكمية كبيرة من محلول الفسيولوجية لزيادة نفاذية أغشية الخلايا من الأجهزة perfused وبالتالي تقديم الحمض النووي في الخلايا. واحدة من المزايا الرئيسية لHGD هو القدرة على إدخال الجينات المحورة في خلايا الثدييات باستخدام الحمض النووي البلازميد عاريا (PDNA). إدخال جين الخارجية باستخدام البلازميد هو شاقة الحد الأدنى، كفاءة عالية و، خلافا لناقلات الفيروسية وآمنة بشكل ملحوظ. واستخدمت في البداية لتقديم HGD الجينات في الفئران، ويتم استخدامه الآن لتقديم مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك [أليغنوكليوتيد، الكروموسومات الاصطناعية، RNA، البروتينات والجزيئات الصغيرة في الفئران والجرذانو، إلى درجة محدودة، والحيوانات الأخرى. يصف هذا البروتوكول HGD في الفئران، ويركز على ثلاثة جوانب رئيسية للطريقة التي تعتبر بالغة الأهمية لتنفيذ الإجراء بنجاح: الإدراج الصحيح للإبرة في الوريد، الحقن حجم وسرعة التسليم. يتم إعطاء أمثلة لإظهار تطبيق هذا الأسلوب إلى التعبير عابرة من اثنين من الجينات التي تكود يفرز والبروتينات الرئيسيات محددة، ئي LI (APOL-I) والبروتين المتصلة هابتوغلوبين (HPR).
Introduction
ليو وآخرون. وتشانغ وآخرون، أصبح إيصال الجينات الهيدروديناميكية (HGD) منذ أول وصف من قبل أداة لا تقدر بثمن لدراسة وظائف الجينات في نظم نموذج القوارض 1، 2. والأسلوب الذي ينطوي على حقن السريع (5-7 ثانية) من حجم كبير (8-12٪ من وزن الجسم) من الحل في الوريد ذيل الفئران لتسهيل امتصاص الحمض النووي البلازميد بواسطة خلايا الأعضاء المستهدفة 1، 2. هذه الظروف تؤدي إلى التعبير الجيني قوية في الكبد وأقل التعبير الجيني في الكلى والطحال والرئة والقلب.
حقن 10 ميكروغرام pCMV-LacZ البلازميد يمكن بالنقل بقدر 40٪ من خلايا الكبد، مما يجعل HGD الأكثر كفاءة، غير الفيروسية، في الجسم الحي طريقة إيصال الجينات إلى تاريخ 1. على عكس شركات الطيران الفيروسية، PDNA هي سهلة التحضير، لا تثير استجابة مناعية في المضيف القوارض 3 و لا تشكل مخاطر على الصحة من خلال إعادة مزج مع نهايةogenous الفيروسات. بالإضافة إلى ذلك، منذ جزيئات الحمض النووي التي ألقاها HGD لا تحتاج التعبئة والتغليف، وهذا الأسلوب هو مناسبة لإيصال الكروموسومات البكتيرية المصطنعة (BAC) كبيرة مثل 150 كيلو بايت 4. أنواع أخرى من الجزيئات التي تم تسليمها من خلال طريقة الهيدروديناميكية تشمل الحمض النووي الريبي 5-10، morpholinos 11، والبروتينات 12 و 13 و الجزيئات الصغيرة الأخرى 12 و 14. وقد نوقشت مزايا ومساوئ HGD أكثر من غيرها من طرق التسليم في الاستعراضات ممتازة في الأدب 15-20 وقدمت عددا من الكتاب وصفا تفصيليا للإجراءات 21-23.
إدخال الجينات المحورة في الفئران عن طريق HGD هي آمنة وفعالة 1-3، 24، واستخدمت الأسلوب في الفئران مقارنة مع النجاح 25. مع بعض التعديلات، وقد أجريت إثبات صحة مفهوم التجارب في الدجاج 26، راببت 27 و 28 الخنازير، على الرغم من أن في الجسم الحي تطبيق هذه التقنية في الحيوانات الكبيرة لا تزال تشكل تحديا. عند استخدام هذا الأسلوب، الحد آخر شائع هو أن العديد من ناقلات التعبير الثدييات المتاحة تفتقر إلى المكونات لتحقيق الثابتة، ومستوى عال من التعبير الجيني. باستخدام pCMV لوك البلازميد، التعبير الجيني في الأجهزة المستهدفة هو واضح في وقت مبكر بعد عشر دقائق HGD، ومع ذلك، يسقط الأولية، وارتفاع مستوى التعبير بشكل حاد في الأسبوع الأول بعد الحقن 1. طويلة الأجل التعبير التحوير من الممكن اعتمادا على المروج وإنترون المستخدمة في تصميم البلازميد 3، 24 الحقن ومع ذلك، والحفاظ على التعبير الجيني على مستوى عال في كثير من الأحيان يتطلب المتكررة. لهذا السبب، HGD قد تكون أقل مناسبة لدراسة الأمراض المزمنة التي هي نتيجة التعرض الطويل الأمد للبروتينات ضارة أو منتجات البروتين. مع هذه القيود، HGD هو أداة قوية بشكل استثنائي لدراسة بودور tential من الجينات وتأثير ذلك المسوخ في الجسم الحي، فضلا عن الآثار العلاجية وتنظيم البروتينات وإنشاء نماذج حيوانية من المرض (للمراجعة، انظر 15). على سبيل المثال، HGD يمكن أن تستخدم لتعيين وظيفة إلى مجالات والأحماض الأمينية للبروتينات بشكل فردي عن طريق إدخال مختلف بنيات الجينات في الفئران التي طرقت الجينات المعنية بها. علاوة على ذلك، هذه التقنية يمكن استخدامها في أي سلالة الماوس.
يصف هذا البروتوكول HGD في الفئران مع التركيز على الجوانب الفنية اللازمة لتحقيق النجاح ترنسفكأيشن: غرز الإبرة الصحيح في الوريد، الحقن حجم وسرعة التسليم. ويتجلى في تطبيق هذا الأسلوب في نموذج الفأر من داء المثقبيات الأفريقي، وهو مرض قاتل للبشر والماشية 29، 30. بينما عدة أنواع من المثقبيات يسبب مرض في الماشية، ومعظم لا يمكن أن تسبب المرض لدى البشر بسبب المركبات المناعية الفطرية في بlood تسمى عوامل التحللي المثقبيات (TLFs) 29، 31، 32. تشكيل هذه المسام، والبروتينات الدهنية عالية الكثافة (HDL) تحتوي على اثنين فريدة من نوعها، الرئيسيات محددة البروتينات: HPR، يجند، مما يسهل امتصاص TLFs في المثقبيات، وAPOL-I، المكون التحللي 31، 33-38 المثقبية البروسية الروديسية قادر على إصابة البشر بسبب التعبير عن المقاومة المرتبطة البروتين مصل (SRA) التي تربط لويحيد الإنسان APOL-I 34، 39. لم يتم تحييد البابون TLF بواسطة حساب الاحتياطي الخاص نظرا لاختلاف APOL-I البروتين 40. كما ذكرت سابقا، وذلك باستخدام ناقلات التعبير الثدييات (pRG977)، والتعبير المعدلة وراثيا من البابون مكونات TLF في الفئران تمنح حماية ضد المثقبيات للعدوى الإنسان 40. إظهار بيانات تمثيلية المقدمة هنا كيف يمكن تطبيق إيصال الجينات الهيدروديناميكية لدراسة الآثار العلاجية للبروتين.
Protocol
Representative Results
Discussion
عندما يقوم بشكل صحيح، HGD هو وسيلة آمنة وفعالة بشكل ملحوظ التسليم التحوير. الخطوات الحاسمة لنجاح HGD هي: 1) تسليم كمية مناسبة من الحمض النووي في كمية كبيرة من المركبات المالحة 2) في الوريد ذيل الفأر 3) في أقل من 8 ثوان.
على الرغم من أن عمل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر ليو شيا (Regeneron صيدلة) ليعلمنا هذا الأسلوب في البداية HGD والدكتور راسيل طومسون (كلية ألبرت اينشتاين للطب) للتوجيه المستمر له في مختلف جوانب التكنولوجيا. وقد تم تمويل هذا العمل من قبل كلية هانتر، جامعة مدينة نيويورك بدء الأموال والجائزة NSF الخبز IOS-1249166. نشكر NYULMC التشريح المرضي مركز كور NYUCI دعم غرانت، المعاهد الوطنية للصحة / NCI 5 P30CA16087-31 لالأنسجة في كبد الفأر.
Materials
| Alcohol Prep Wipe | Webcol | 6818 | |
| AST kit, Amplite Colorimetric | AAT Bioquest | 13801 | |
| Conical Tube, 50 ml | BD Falcon | 352070 | |
| EndoFree Plasmid Maxi Kit | Qiagen | 12362 | |
| KimWipes | KIMTECH | 34120 | |
| Mouse Tail Illuminator | Braintree Scientific | MTI RST | Or equivalent |
| Needle, 20 Gx 1 (0.9mmx25mm) | BD | 305175 | |
| Needle, 27 Gx 1/2 (0.9mmx25mm) | BD | 305109 | |
| pRG977 (mammalian expression vector) | Regeneron Pharmaceuticals | Material Transfer Agreement required | |
| Sodium Chloride, 0.9% INJ USP 10 ml, Hospira | Fisher | NC9054335 | |
| Syringe, 3ml, Luer-Lok Tip | BD | 309657 | Luer Lock necessary to withstand pressure from HGD |
References
- Liu, F., Song, Y., Liu, D. Hydrodynamics-based transfection in animals by systemic administration of plasmid DNA. Gene Ther. 6, 1258-1266 (1999).
- Zhang, G., Budker, V., Wolff, J. A. High levels of foreign gene expression in hepatocytes after tail vein injections of naked plasmid DNA. Hum Gene Ther. 10, 1735-1737 (1999).
- Miao, C. H., Thompson, A. R., Loeb, K., Ye, X. Long-term and therapeutic-level hepatic gene expression of human factor IX after naked plasmid transfer in vivo. Mol Ther. 3, 947-957 (2001).
- Magin-Lachmann, C., et al. In vitro and in vivo delivery of intact BAC DNA — comparison of different methods. J Gene Med. 6, 195-209 (2004).
- Chang, J., Sigal, L. J., Lerro, A., Taylor, J. Replication of the human hepatitis delta virus genome Is initiated in mouse hepatocytes following intravenous injection of naked DNA or RNA sequences. J Virol. 75, 3469-3473 (2001).
- Giladi, H., et al. Small interfering RNA inhibits hepatitis B virus replication in mice. Mol Ther. 8, 769-776 (2003).
- Kobayashi, N., et al. Vector-based in vivo RNA interference: dose- and time-dependent suppression of transgene expression. J Pharmacol Exp Ther. 308, 688-693 (2004).
- Layzer, J. M., et al. In vivo activity of nuclease-resistant siRNAs. Rna. 10, 766-771 (2004).
- McCaffrey, A. P., et al. RNA interference in adult mice. Nature. 418, 38-39 (2002).
- McCaffrey, A. P., et al. Determinants of hepatitis C translational initiation in vitro, in cultured cells and mice. Mol Ther. 5, 676-684 (2002).
- McCaffrey, A. P., Meuse, L., Karimi, M., Contag, C. H., Kay, M. A. A potent and specific morpholino antisense inhibitor of hepatitis C translation in mice. Hepatology. 38, 503-508 (2003).
- Zhang, G., et al. Hydroporation as the mechanism of hydrodynamic delivery. Gene Ther. 11, 675-682 (2004).
- Kobayashi, N., Kuramoto, T., Yamaoka, K., Hashida, M., Takakura, Y. Hepatic uptake and gene expression mechanisms following intravenous administration of plasmid DNA by conventional and hydrodynamics-based procedures. J Pharmacol Exp Ther. 297, 853-860 (2001).
- Kobayashi, N., Nishikawa, M., Hirata, K., Takakura, Y. Hydrodynamics-based procedure involves transient hyperpermeability in the hepatic cellular membrane: implication of a nonspecific process in efficient intracellular gene delivery. J Gene Med. 6, 584-592 (2004).
- Bonamassa, B., Hai, L., Liu, D. Hydrodynamic gene delivery and its applications in pharmaceutical research. Pharm Res. 28, 694-701 (2011).
- Al-Dosari, M. S., Gao, X. Nonviral gene delivery: principle, limitations, and recent progress. Aaps J. 11, 671-681 (2009).
- Gao, X., Kim, K. S., Liu, D. Nonviral gene delivery: what we know and what is next. Aaps J. 9, (2007).
- Herweijer, H., Wolff, J. A. Gene therapy progress and prospects: hydrodynamic gene delivery. Gene Ther. 14, 99-107 (2007).
- Kobayashi, N., Nishikawa, M., Takakura, Y. The hydrodynamics-based procedure for controlling the pharmacokinetics of gene medicines at whole body, organ and cellular levels. Adv Drug Deliv Rev. 57, 713-731 (2005).
- Al-Dosari, M. S., Knapp, J. E., Liu, D. Hydrodynamic delivery. Adv Genet. 54, 65-82 (2005).
- Bell, J. B., et al. Preferential delivery of the Sleeping Beauty transposon system to livers of mice by hydrodynamic injection. Nat Protoc. 2, 3153-3165 (2007).
- Osorio, F. G., de la Rosa, J., Freije, J. M. Luminescence-based in vivo monitoring of NF-kappaB activity through a gene delivery approach. Cell Commun Signal. 11, (2013).
- Knapp, J. E., Liu, D. Hydrodynamic delivery of DNA. Methods Mol Biol. 245, 245-250 (2004).
- Yang, J., Chen, S., Huang, L., Michalopoulos, G. K., Liu, Y. Sustained expression of naked plasmid DNA encoding hepatocyte growth factor in mice promotes liver and overall body growth. Hepatology. 33, 848-859 (2001).
- Maruyama, H., et al. High-level expression of naked DNA delivered to rat liver via tail vein injection. J Gene Med. 4, 333-341 (2002).
- Hen, G., et al. Expression of foreign genes in chicks by hydrodynamics-based naked plasmid transfer in vivo. Domestic animal endocrinology. 30, 135-143 (2006).
- Eastman, S. J., et al. Development of catheter-based procedures for transducing the isolated rabbit liver with plasmid DNA. Hum Gene Ther. 13, 2065-2077 (2002).
- Yoshino, H., Hashizume, K., Kobayashi, E. Naked plasmid DNA transfer to the porcine liver using rapid injection with large volume. Gene Ther. 13, 1696-1702 (2006).
- Vanden Bossche, P. Some general aspects of the distribution and epidemiology of bovine trypanosomosis in southern Africa. Int J Parasitol. 31, 592-598 (2001).
- Fevre, E. M., Picozzi, K., Jannin, J., Welburn, S. C., Maudlin, I. Human African trypanosomiasis: Epidemiology and control. Adv Parasitol. 61, 167-221 (2006).
- Lugli, E. B., Pouliot, M., Portela Mdel, P., Loomis, M. R., Raper, J. Characterization of primate trypanosome lytic factors. Mol Biochem Parasitol. 138, 9-20 (2004).
- Pays, E., et al. The trypanolytic factor of human serum. Nat Rev Microbiol. 4, 477-486 (2006).
- Raper, J., Fung, R., Ghiso, J., Nussenzweig, V., Tomlinson, S. Characterization of a novel trypanosome lytic factor from human serum. Infect Immun. 67, 1910-1916 (1999).
- Vanhamme, L., et al. Apolipoprotein L-I is the trypanosome lytic factor of human serum. Nature. 422, 83-87 (2003).
- Nielsen, M. J., et al. Haptoglobin-related protein is a high-affinity hemoglobin-binding plasma protein. Blood. 108, 2846-2849 (2006).
- Molina-Portela Mdel, P., Lugli, P., Recio-Pinto, E., Raper, J. Trypanosome lytic factor, a subclass of high-density lipoprotein, forms cation-selective pores in membranes. Mol Biochem Parasitol. 144, 218-226 (2005).
- Perez-Morga, D., et al. Apolipoprotein L-I promotes trypanosome lysis by forming pores in lysosomal membranes. Science. 309, 469-472 (2005).
- Molina-Portela, M. P., Samanovic, M., Raper, J. Distinct roles of apolipoprotein components within the trypanosome lytic factor complex revealed in a novel transgenic mouse model. J Exp Med. 205, 1721-1728 (2008).
- Oli, M. W., Cotlin, L. F., Shiflett, A. M., Hajduk, S. L. Serum resistance-associated protein blocks lysosomal targeting of trypanosome lytic factor in Trypanosoma brucei. Eukaryot Cell. 5, 132-139 (2006).
- Thomson, R., Molina-Portela, P., Mott, H., Carrington, M., Raper, J. Hydrodynamic gene delivery of baboon trypanosome lytic factor eliminates both animal and human-infective African trypanosomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 19509-19514 (2009).
- Genovese, G., et al. Association of trypanolytic ApoL1 variants with kidney disease in African Americans. Science. 329, 841-845 (2010).
- Tzur, S., et al. Missense mutations in the APOL1 gene are highly associated with end stage kidney disease risk previously attributed to the MYH9 gene. Hum Genet. 128, 345-350 (2010).
- Suda, T., Gao, X., Stolz, D. B., Liu, D. Structural impact of hydrodynamic injection on mouse liver. Gene Ther. 14, 129-137 (2007).
