Évaluation de l'efficacité et la toxicité des ARNs Ciblage VIH-1 Production pour utilisation en thérapie génique ou des médicaments
Summary
Methods to evaluate the efficacy and toxicity of RNA molecules targeting post-integration steps of the HIV-1 replication cycle are described. These methods are useful for screening new molecules and optimizing the format of existing ones.
Abstract
Small RNA therapies targeting post-integration steps in the HIV-1 replication cycle are among the top candidates for gene therapy and have the potential to be used as drug therapies for HIV-1 infection. Post-integration inhibitors include ribozymes, short hairpin (sh) RNAs, small interfering (si) RNAs, U1 interference (U1i) RNAs and RNA aptamers. Many of these have been identified using transient co-transfection assays with an HIV-1 expression plasmid and some have advanced to clinical trials. In addition to measures of efficacy, small RNAs have been evaluated for their potential to affect the expression of human RNAs, alter cell growth and/or differentiation, and elicit innate immune responses. In the protocols described here, a set of transient transfection assays designed to evaluate the efficacy and toxicity of RNA molecules targeting post-integration steps in the HIV-1 replication cycle are described. We have used these assays to identify new ribozymes and optimize the format of shRNAs and siRNAs targeting HIV-1 RNA. The methods provide a quick set of assays that are useful for screening new anti-HIV-1 RNAs and could be adapted to screen other post-integration inhibitors of HIV-1 replication.
Introduction
Une limitation du VIH-1, les traitements actuels est qu'ils doivent être administrés de façon chronique pour prévenir la progression de la maladie. Transplant du VIH-1 résistant à des lymphocytes T, ou cellules souches hématopoïétiques, a le potentiel de fournir le contrôle à long terme du VIH-1 replication en l'absence de traitement médicamenteux 1,2 et peut également être une approche efficace pour atteindre un VIH-1 cure 3. Une façon de rendre les cellules résistantes au VIH-1 réplication consiste à insérer un ou plusieurs gènes codant des anticorps anti-VIH-1 ARN ou des peptides dans les cellules d'un individu infecté au cours d' une transplantation autologue 4. Plusieurs candidats anti-VIH-1 des gènes ont été conçus avec des essais cliniques qui entrent en combinaison de deux 5 ou trois 6, pour prévenir le développement du VIH-1 résistance à un seul gène.
Anti-VIH-1 ARN sont parmi les meilleurs candidats pour la thérapie génique combinée en raison de leur faible potentiel pour obtenir des réponses immunitaires et parce qu'ilson transcrit à partir des séquences de gènes très courts. Quelques-anti-VIH-1 ARN ont été conçus pour cibler l'intégration et l'entrée virale. Cependant, la plupart des anti-VIH-1 ARN cible étapes de post-intégration dans le cycle de vie du virus (figure 1). Les inhibiteurs post-intégration comprennent des ARN leurre, ciblant les VIH-1 protéines régulatrices Tat ou Rev 1, et des ARN antisens à base, ciblant différents sites en ARN VIH-1, tels que ribozymes 7, shRNA 8 et U1i ARNs 9. Les méthodes qui ont été utilisées pour comparer l'efficacité des anti-VIH-1 ARN comprennent la surveillance de la réplication virale dans les cellules transduites avec les gènes codant pour des ARN candidates et en mesurant la production virale dans des cellules transfectées de manière transitoire avec des plasmides exprimant des ARN candidates et un rétrovirus VIH-1 du plasmide d' expression 10 -13. Nous avons déjà utilisé un test de production du VIH-1 à l' écran ARN VIH-1 pour les nouveaux ribozymes sites cibles 13-15. Ces méthodes ont été affinées pour optimiser la forme d'un ARNmolécule d'interférence exprimée à partir de l' ADN plasmidique comme un shRNA ou livré comme un siRNA synthétique 16. L'essai mesure la production de virus matures à partir de cellules de rein embryonnaire humain (HEK 293T), et peut être utilisé pour comparer les effets des inhibiteurs qui ciblent les étapes de post-intégration dans le cycle de réplication du VIH-1 (Figure 1). Pour les inhibiteurs qui ciblent les étapes de pré-intégration, les tests alternatifs comme une infectivité cellulaire dosage TZM-bl 17 sont nécessaires pour évaluer l' efficacité antivirale.
problèmes de sécurité majeurs pour la fourniture d'anti-VIH-1 ARN dans la clinique comprennent les effets hors-cible potentiels sur les ARN ou les protéines humaines, et l'activation des capteurs immunitaires innées. Afin d' évaluer la toxicité des anticorps anti-VIH-1 ARNsi, nous avons utilisé un test de viabilité cellulaire dans les différentes lignées cellulaires 16. Nous avons également mesuré l'activation des capteurs à double brin d'ARN immunitaire, l'ARN protéine kinase activée par R (PKR) et Toll like receptor 3 (TLR3), ainsi que l'expression de l'interféron stimulé gène, p150 ADAR1. Ces essais peuvent être utilisés pour confirmer l'efficacité des anticorps anti-VIH-1 ARN ne résulte pas d'effets indirects sur la viabilité cellulaire ou l'activation du capteur immunitaire. Ils sont également utiles en excluant les ARN candidats avec les toxicités potentielles de développement ultérieur.
Dans les protocoles suivants, les procédures pour identifier les nouveaux ARN thérapeutiques et d'optimiser le format de celles existantes sont décrites. Les méthodes sont utiles pour les inhibiteurs de post-intégration d'ARN de dépistage à base de VIH-1 réplication et pourraient être adaptés à l' écran d' autres inhibiteurs de post-intégration, tels que les petites molécules ciblant Rev exportation médiation de l' ARN viral 18 ou CRISPR / systèmes Cas conçus pour cibler intégrée ADN du VIH-1 19.
Protocol
Representative Results
Discussion
HIV-1 essai de production décrite a été réalisée en utilisant des cellules HEK293T (figure 2) et est similaire à essais utilisés pour cribler ARN VIH-1 pour un ribozyme efficace 13, shRNA 10,29, 30 ARNsi et les sites 11,31 U1i ARN cibles. L'utilisation de différentes méthodes pour quantifier le VIH-1 la production, la plupart des études ont mesuré la production virale 48 heures après co-transfection d'un plasmide d'expression de VIH-1 a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le travail présenté ici a été soutenue par les Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC) (accorde DCB-120266, PPP-133377 et HBF-348967 à AG).
Materials
| DMEM HyClone | GE Healthcare | SH30243.01 | |
| FBS HyClone | GE Healthcare | SH30396.03 | |
| Penicillin/Streptomycin Gibco | Thermo Fisher | 15140-122 | |
| Cell culture plates, 96 well, 24 well, 6 well. | Corning | 353075, 353047, 353043 | |
| Micro tubes Axygen | Corning | 311-08-051 | |
| Low molecular weight Poly I:C | InvivoGen | 3182-29-6 | |
| DharmaFECT-1 | Dharmacon | T-2001-01 | transfection reagent for synthetic RNAs |
| TransIT-LT1 | Mirus | MIR 2300 | transfection reagent for RNA expression plasmids |
| Nonidet P40 (NP-40) | USB | 19628 | |
| [32P]dTTP | Perkin Elmer | BLU505H | |
| poly(A) RNA template | Sigma-Aldrich | 10108626001 | |
| oligo(dT)12-18 DNA primer | Thermo Fisher | 18418-012 | |
| DEAE filtermat paper | Perkin Elmer | 1450-522 | |
| Microplate scintillation counter | Perkin Elmer | 1450-024 | |
| MTT | Sigma-Aldrich | M-2128 | |
| DPBS HyClone | GE Healthcare | SH30028.02 | |
| Microplate spectrophotometer | Bio-rad | 1706930 | |
| Lysis buffer tablets | Roche | 4693159001, 4906837001 | protease and phosphatase inhibitors |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5415R | |
| Bradford reagent | Bio-rad | 500-0006 | |
| Gel running chamber | Hoefer | SE600 | |
| Semi-dry transfer cell | Bio-rad | 1703940 | |
| Protein ladder EZ-Run | Thermo Fisher | BP3603-500 | |
| Nitrocellulose membrane | Bio-rad | 162-0094 | |
| BSA | Sigma-Aldrich | A9647-1006 | |
| Antibody stripping solution | Millipore | 2504 | |
| ECL – Pierce | Thermo Fisher | PI32106 | |
| ADAR1 antibody | from Dr. B.L. Bass | ||
| phospho-T446-PKR antibody | Abcam | ab32036 | |
| phospho-S396-IRF3 antibody | Cell Signaling | 4947 | |
| PKR antibody | from Dr. A. Hovanessian | ||
| IRF3 antibody | Cell Signaling | 11904 | |
| Actin antibody | Millipore | MAB1501 | |
| Peroxidase-labeled goat anti-rabbit | KPL | 474-1506 | |
| Peroxidase-labeled goat anti-mouse | KPL | 474-1806 | |
| Ponceau S | Sigma-Aldrich | 6226-79-5 |
References
- Hoxie, J. A., June, C. H. Novel cell and gene therapies for HIV. Cold Spring Harb Perspect Med. 2, a007179 (2012).
- Bobbin, M. L., Burnett, J. C., Rossi, J. J. RNA interference approaches for treatment of HIV-1 infection. Genome Med. 7, 50 (2015).
- Allers, K., et al. Evidence for the cure of HIV infection by CCR5Delta32/Delta32 stem cell transplantation. Blood. 117, 2791-2799 (2011).
- DiGiusto, D. L., et al. Development of hematopoietic stem cell based gene therapy for HIV-1 infection: considerations for proof of concept studies and translation to standard medical practice. Viruses. 5, 2898-2919 (2013).
- Burke, B. P., et al. Engineering Cellular Resistance to HIV-1 Infection In Vivo Using a Dual Therapeutic Lentiviral Vector. Mol Ther Nucleic Acids. 4, e236 (2015).
- DiGiusto, D. L., et al. RNA-based gene therapy for HIV with lentiviral vector-modified CD34(+) cells in patients undergoing transplantation for AIDS-related lymphoma. Sci Transl Med. 2, 36ra43 (2010).
- Scarborough, R. J., Gatignol, A. HIV and Ribozymes. Adv Exp Med Biol. 848, 97-116 (2015).
- Eekels, J. J., Berkhout, B. Toward a durable treatment of HIV-1 infection using RNA interference. Prog Mol Biol Transl Sci. 102, 141-163 (2011).
- Blazquez, L., Fortes, P. U1 interference (U1i) for Antiviral Approaches. Adv Exp Med Biol. 848, 51-69 (2015).
- McIntyre, G. J., et al. 96 shRNAs designed for maximal coverage of HIV-1 variants. Retrovirology. 6, 55 (2009).
- Sajic, R., et al. Use of modified U1 snRNAs to inhibit HIV-1 replication. Nucleic Acids Res. 35, 247-255 (2007).
- Low, J. T., et al. SHAPE-directed discovery of potent shRNA inhibitors of HIV-1. Mol Ther. 20, 820-828 (2012).
- Scarborough, R. J., et al. A Conserved Target Site in HIV-1 Gag RNA is Accessible to Inhibition by Both an HDV Ribozyme and a Short Hairpin RNA. Mol Ther Nucleic Acids. 3, e178 (2014).
- Lainé, S., et al. In vitro and in vivo cleavage of HIV-1 RNA by new SOFA-HDV ribozymes and their potential to inhibit viral replication. RNA Biol. 8, 343-353 (2011).
- Scarborough, R. J., Lévesque, M. V., Perreault, J. P., Gatignol, A. Design and Evaluation of Clinically Relevant SOFA-HDV Ribozymes Targeting HIV RNA. Methods Mol Biol. 1103, 31-43 (2014).
- Scarborough, R. J., Adams, K. L., Daher, A., Gatignol, A. Effective Inhibition of HIV-1 Production by Short Hairpin RNAs and Small Interfering RNAs Targeting a Highly Conserved Site in HIV-1 Gag RNA Is Optimized by Evaluating Alternative Length Formats. Antimicrob Agents Chemother. 59, 5297-5305 (2015).
- Sarzotti-Kelsoe, M., et al. Optimization and validation of the TZM-bl assay for standardized assessments of neutralizing antibodies against HIV-1. J Immunol Methods. 409, 131-146 (2014).
- Campos, N., et al. Long lasting control of viral rebound with a new drug ABX464 targeting Rev – mediated viral RNA biogenesis. Retrovirology. 12, 1-15 (2015).
- Zhu, W., et al. The CRISPR/Cas9 system inactivates latent HIV-1 proviral DNA. Retrovirology. 12, 22 (2015).
- Bounou, S., Leclerc, J. E., Tremblay, M. J. Presence of host ICAM-1 in laboratory and clinical strains of human immunodeficiency virus type 1 increases virus infectivity and CD4(+)-T-cell depletion in human lymphoid tissue, a major site of replication in vivo. J Virol. 76, 1004-1014 (2002).
- Shan, L., et al. A novel PCR assay for quantification of HIV-1 RNA. J Virol. 87, 6521-6525 (2013).
- Clerzius, G., et al. The PKR activator, PACT, becomes a PKR inhibitor during HIV-1 replication. Retrovirology. 10, 96 (2013).
- Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 72, 248-254 (1976).
- Stoscheck, C. M. Quantitation of protein. Methods Enzymol. 182, 50-68 (1990).
- Battisti, P. L., et al. Additive activity between the trans-activation response RNA-binding protein, TRBP2, and cyclin T1 on HIV type 1 expression and viral production in murine cells. AIDS Res Hum Retroviruses. 19, 767-778 (2003).
- Bannwarth, S., et al. Cell-specific regulation of TRBP1 promoter by NF-Y transcription factor in lymphocytes and astrocytes. J Mol Biol. 355, 898-910 (2006).
- Clerzius, G., et al. ADAR1 interacts with PKR during human immunodeficiency virus infection of lymphocytes and contributes to viral replication. J Virol. 83, 10119-10128 (2009).
- Burugu, S., Daher, A., Meurs, E. F., Gatignol, A. HIV-1 translation and its regulation by cellular factors PKR and PACT. Virus Res. 193, 65-77 (2014).
- ter Brake, O., Konstantinova, P., Ceylan, M., Berkhout, B. Silencing of HIV-1 with RNA interference: a multiple shRNA approach. Mol Ther. 14, 883-892 (2006).
- Naito, Y., et al. Optimal design and validation of antiviral siRNA for targeting HIV-1. Retrovirology. 4, 80 (2007).
- Mandal, D., Feng, Z., Stoltzfus, C. M. Excessive RNA splicing and inhibition of HIV-1 replication induced by modified U1 small nuclear RNAs. J Virol. 84, 12790-12800 (2010).
- Chang, Z., et al. Enhanced expression and HIV-1 inhibition of chimeric tRNA(Lys3)-ribozymes under dual U6 snRNA and tRNA promoters. Mol Ther. 6, 481-489 (2002).
- Chang, L. J., Liu, X., He, J. Lentiviral siRNAs targeting multiple highly conserved RNA sequences of human immunodeficiency virus type 1. Gene Ther. 12, 1133-1144 (2005).
- Daniels, S. M., et al. HIV-1 RRE RNA acts as an RNA silencing suppressor by competing with TRBP-bound siRNAs. RNA Biol. 12, 123-135 (2015).
- Castanotto, D., et al. Combinatorial delivery of small interfering RNAs reduces RNAi efficacy by selective incorporation into RISC. Nucleic Acids Res. 35, 5154-5164 (2007).
- Vickers, T. A., Sabripour, M., Crooke, S. T. U1 adaptors result in reduction of multiple pre-mRNA species principally by sequestering U1snRNP. Nucleic Acids Res. 39, e71 (2011).
- Tai, C. J., Li, C. L., Tai, C. J., Wang, C. K., Lin, L. T. Early Viral Entry Assays for the Identification and Evaluation of Antiviral Compounds. J Vis Exp. , (2015).
- Riss, T. L., et al., Sittampalam, G. S., et al. . Assay Guidance Manual. , (2004).
- Reynolds, A., et al. Induction of the interferon response by siRNA is cell type- and duplex length-dependent. Rna. 12, 988-993 (2006).
- Whitehead, K. A., Dahlman, J. E., Langer, R. S., Anderson, D. G. Silencing or stimulation? siRNA delivery and the immune system. Annu Rev Chem Biomol Eng. 2, 77-96 (2011).
