Summary

Generering<em> De Novo</em> Antigenspecifikke humane T-celle receptorer ved retroviral transduktion af Centric Hemichain

Published: October 25, 2016
doi:

Summary

Heri beskriver vi en hidtil ukendt fremgangsmåde til at generere antigenspecifikke T-celle-receptorer (TCR'er) ved parring af TCRα eller TCRβ af en eksisterende TCR, der besidder den antigen-specificitet af interesse, med komplementær hemichain af den perifere T-celle receptor repertoire. De novo genererede TCR'er bevarer antigen-specificitet med varierende affinitet.

Abstract

T-cellereceptorer (TCR'er) anvendes klinisk til at dirigere specificiteten af ​​T-celler til at målrette tumorer som et lovende modalitet af immunterapi. Derfor har kloning TCR'er specifikke for forskellige tumorassocierede antigener været målet for mange undersøgelser. At fremkalde en effektiv T-celle respons, skal TCR genkender målantigenet med optimal affinitet. Imidlertid har kloning sådan TCR'er været en udfordring og mange tilgængelige TCR'er besidder suboptimal affinitet for dertil hørende antigen. I denne protokol, beskriver vi en metode til at klone de novo høj affinitet antigen-specifikke TCR'er bruger eksisterende TCR'er ved at udnytte hemichain centricity. Det er kendt, at for nogle TCR'er, behøver hver TCRα eller TCRβ hemichain ikke bidrager ligeligt til antigengenkendelse, og den dominerende hemichain omtales som den centriske hemichain. Vi har vist, at ved parring af centric hemichain med counter-kæder afviger fra den oprindelige counter-kæde, er vi i stand til at opretholde antigenet specificity, mens modulere dens interaktion styrke for den beslægtede antigen. Således kan det terapeutiske potentiale af en given TCR forbedres ved at optimere parring mellem centreret og counter hemichains.

Introduction

T-cellereceptorer (TCR'er) er heterodimere adaptive immune receptorer udtrykt af T-lymfocytter, bestående af et TCRα og TCRβ kæde. De genereres via somatisk omlejring af V (D) J-gensegmenter, som frembringer et meget varieret repertoire stand til at genkende næsten ubegrænsede konfigurationer af HLA / peptid-komplekser. Klinisk har T-celler manipuleret til at udtrykke klonotypisk TCR'er er specifikt for tumorassocierede antigener viste virkning i en række forskellige cancere 1. Men mange TCR'er klonede til dette formål mangler tilstrækkelig affinitet for antigenet af interesse, som begrænser deres terapeutiske anvendelse.

Her beskriver vi en metode til at overvinde denne begrænsning for eksisterende TCR'er ved at udnytte kæde-centricity. Det er blevet rapporteret, at en TCR hemichain kunne spille en mere dominerende rolle i erkendelse af målantigenet 2, her betegnet centricity. Crystal strukturelle analyser har vist, at en centrerethemichain af en TCR kunne redegøre for størstedelen af fodaftryk på MHC / peptid-kompleks 3,4. Ved hjælp af dette koncept, har vi tidligere vist, at SIG35α TCRα kan parre med en varieret repertoire af TCRβ kæder og vedligeholde reaktivitet mod MART1 27-35 peptid præsenteret af HLA-A2 5. Lignende resultater blev opnået med TAK1 TCR, hvor den centriske TCRβ hemichain parret med forskellige TCRα kæder og opretholdt reaktivitet for WT1 235-243 peptidet præsenteres af HLA-A24 6. Både MART1 og WT1 er tumor-associerede antigener. Kæde-centricity blev også anvendt til at studere antigen anerkendelse af CD1d-begrænsede invariante naturlige dræberceller (iNKT) TCR, ved at parre den invariante Vα24-Jα18 (Vα24i) TCRα kæde af menneskelige iNKT TCR'er med forskellige Vβ11 TCRβ kæder 7.

I alle tilfælde var vi i stand til at generere en de novo repertoire af TCR'er af transducere den centriske TCR hemichain til perifert blod T-celler, hvor den indførte hemichain parret med den endogene TCRα eller TCRβ counter-kæder. I det væsentlige centreret hemichain tjener som en lokkemad, der kan anvendes til at identificere de passende counter-kæder, som, når parret sammen danner TCR'er der opretholder antigenspecificitet af interesse, men varierende affinitet. Ud fra disse nye repertoirer, var vi i stand til at isolere klonotypisk TCR'er med forbedret interaktion styrke mod målantigenet sammenlignet med allerede eksisterende TCR'er. Derfor mener vi, denne metode vil fremskynde rørledningen identificere optimale TCR'er for klinisk anvendelse.

Protocol

1. Forberedelse Retroviral Construct Kodning TCR Hemichain of Interest Linearisere pMX vektoren for at tillade indsættelsen af ​​en TCR-gen i efterfølgende trin. Fordøje plasmid-DNA med EcoRI og NotI restriktionsenzymer ved 37 ° C i 3 timer (tabel 1) 8. Udfør elektroforese af det fordøjede plasmid på 1,2% agarosegel. Excise band på ca. 4500 basepar (bps), og der elueres i 30 pi sterilt vand anvendelse af kommercielt tilgængelige gel udvinding kits 9.</su…

Representative Results

Uden forudgående kendskab til hvilke hemichain er kæde-centreret, det TCRα og TCRβ kæde skal separat klonet og transduceres til perifere blod T-celler, som blev gjort i tilfældet med HLA-A24 / WT1 reaktiv TAK1 TCR (figur 1). Transduktion af TAK1β gav et mærkbart højere frekvens af antigenspecifikke T-celler. Omvendt ville transduktion af en ikke-centreret hemichain ikke give de novo multimer positive T-celler, som set med TAK1α kæde (figur 1)….

Discussion

Den første forudsætning for en vellykket anvendelse af denne metode er at opnå tilstrækkelig transduktionseffektivitet af primære T-celler med hemichain af interesse. Det er vores erfaring, at kombinationen af ​​anvendelse af PG13 som pakningscellelinie og pMX som retrovirale vektor resulterer i stabil og effektiv ekspression af det indførte gen i humane primære T-celler. PG13 pakkeceller kan være enkelt-celle klones at selektere for høj titer pakkeceller for at forbedre transduktionseffektivitet. Endvidere…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by NIH grant R01 CA148673 (NH); the Ontario Institute for Cancer Research Clinical Investigator Award IA-039 (NH); BioCanRX Catalyst Grant (NH); The Princess Margaret Cancer Foundation (MOB, NH); Canadian Institutes of Health Research Canada Graduate Scholarship (TG); Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Postgraduate Scholarship (TG); Province of Ontario (TG, MA); and Guglietti Fellowship Award (TO). HLA and CD1d monomers were kindly provided by the NIH tetramer core facility.

Materials

0.05% Trypsin-EDTA Wisent Bioproducts 325-043-CL
293GPG cells Generated by Ory et al. (ref 8)
Agar Wisent Bioproducts 800-010-CG
Agarose Wisent Bioproducts 800-015-CG
Ampicillin sodium salt Wisent Bioproducts 400-110-IG
Chloroform BioShop CCL402
Deoxynucleotide (dNTP) Solution Mix New England Biolabs N0447L
DMEM, high glucose, pyruvate Life Technologies 11995065
EcoRI New England Biolabs R0101S
EZ-10 Spin Column DNA Gel Extraction Kit BS353
Fetal Bovine Serum Life Technologies 12483020
Ficoll-Paque Plus GE Healthcare 17-1440-02
Filter Corning 431220 0.45 mm pore SFCA membrane
FITC-conjugated anti-human CD271 (NGFR) mAb Biolegend 345104 clone ME20.4
FITC-conjugated anti-human CD3 mAb Biolegend 300440 clone UCHT1
Gentamicin Life Technologies 15750078
Gibson Assembly Master Mix New England Biolabs E2611L used for multi-piece DNA assembly
HLA-A2 pentamer Proimmune depends on antigenic peptide HLA-A2/MART1 multimer used here was purchased from Proimmune
HLA/CD1d monomers NIH Tetramer Core Facility multimerize monomers according to protocol provided by NIH tetramer core facility
Human AB serum Valley Biomedical HP1022
human CD3 microbeads Miltenyi Biotec 130-050-101
IOTest Beta Mark TCR V beta Repertoire Kit Beckman Coulter IM3497
Jurkat 76 cells Generated by Heemskerk et al. (ref 10)
LB Broth Wisent Bioproducts 800-060-LG
LS MACS column Miltenyi Biotec 130-042-401
NEB 5-alpha Competent E. coli New England Biolabs C2987I
NEBuffer 3.1 New England Biolabs B7203S used for EcoRI and NotI digestion
NotI New England Biolabs R0189S
NucleoBond Xtra Midi Macherey-Nagel 740410 used for plasmid purification
PC5-conjugated anti-human CD8 mAb Beckman Coulter B21205 clone B9.11
PG13 cells ATCC CRL-10686
Phusion HF Buffer Pack New England Biolabs B0518S
Phusion High-Fidelity DNA Polymerase New England Biolabs M0530L
pMX retroviral vector Cell Biolabs RTV-010
polybrene Sigma-Aldrich H-9268
Proleukin (recombinant human interleukin-2) Novartis by Rx only equivalent product can be purchased from Sigma-Aldrich
Purified anti-human CD3 antibody Biolegend 317301 clone OKT3, used for T cell stimulation
RPMI 1640 Life Technologies 11875119
SA-PE Life Technologies S866 used for multimerizing monomers from NIH tetramer core facility
SMARTer RACE 5'/3'  Kit Clontech 634858
Sterile water Wisent Bioproducts 809-115-LL
SuperScript III First-Strand Synthesis System Invitrogen 18080051 for cDNA synthesis
Syringe BD 301604 10 mL, slip tip
Tetracycline hydrochloride Sigma-Aldrich T7660
TransIT-293 Mirus Bio MIR 2700 used to transfect 293GPG cells
TRIzol Reagent Life Technologies 15596026

References

  1. Maus, M. V., et al. Adoptive immunotherapy for cancer or viruses. Annu. Rev. Immunol. 32, 189-225 (2014).
  2. Yokosuka, T., , ., et al. Predominant role of T cell receptor (TCR)-alpha chain in forming preimmune TCR repertoire revealed by clonal TCR reconstitution system. J.Exp.Med. 195, 991-1001 (2002).
  3. Rudolph, M. G., Stanfield, R. L., Wilson, I. A. How TCRs bind MHCs, peptides, and coreceptors. Annu. Rev. Immunol. 24, 419-466 (2006).
  4. Shimizu, A., et al. Structure of TCR and antigen complexes at an immunodominant CTL epitope in HIV-1 infection. Sci. Rep. 3, 3097 (2013).
  5. Nakatsugawa, M., et al. Specific roles of each TCR hemichain in generating functional chain-centric TCR. J. Immunol. 194 (7), 3487-3500 (2015).
  6. Ochi, T., et al. Optimization of T-cell Reactivity by Exploiting TCR Chain Centricity for the Purpose of Safe and Effective Antitumor TCR Gene Therapy. Cancer Immunol. Res. 3 (9), 1070-1081 (2015).
  7. Chamoto, K., et al. CDR3beta sequence motifs regulate autoreactivity of human invariant NKT cell receptors. J. Autoimmun. 68, 39-51 (2016).
  8. Grozdanov, P. N., MacDonald, C. C. Generation of plasmid vectors expressing FLAG-tagged proteins under the regulation of human Elongation Factor-1α promoter using Gibson Assembly. J. Vis. Exp. (96), e52235 (2015).
  9. Beshiri, M. L., et al. Genome-wide analysis using ChIP to identify isoform-specific gene targets. J. Vis. Exp. (41), e2101 (2010).
  10. Gibson, D. G., et al. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat. Methods. 6 (5), 343-345 (2009).
  11. Johnson, D., et al. Expression and structure of the human NGF receptor. Cell. 47 (4), 545-554 (1986).
  12. Kim, J. H., et al. High cleavage efficiency of a 2A peptide derived from porcine teschovirus-1 in human cell lines, zebrafish and mice. PloS one. 6, e18556 (2011).
  13. Yang, S., et al. Development of optimal bicistronic lentiviral vectors facilitates high-level TCR gene expression and robust tumor cell recognition. Gene Ther. 15 (21), 1411-1423 (2008).
  14. Froger, A., Hall, J. E. Transformation of plasmid DNA into E. coli using the heat shock method. J. Vis. Exp. (6), e253 (2007).
  15. Birnboim, H. C., Doly, J. A rapid alkaline extraction procedure for screening recombinant plasmid DNA. Nucleic Acids Res. 7 (6), 1513-1523 (1979).
  16. Ory, D. S., Neugeboren, B. A., Mulligan, R. C. A stable human-derived packaging cell line for production of high titer retrovirus/vesicular stomatitis virus G pseudotypes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93 (21), 11400-11406 (1996).
  17. Imataki, O., et al. IL-21 can supplement suboptimal Lck-independent MAPK activation in a STAT-3-dependent manner in human CD8(+) T cells. J. Immunol. 188 (4), 1609-1619 (2012).
  18. Davies, J. K., Barbon, C. M., Voskertchian, A. R., Nadler, L. M., Guinan, E. C. Induction of alloantigen-specific anergy in human peripheral blood mononuclear cells by alloantigen stimulation with co-stimulatory signal blockade. J. Vis. Exp. (49), e2673 (2011).
  19. Butcher, M. J., Herre, M., Ley, K., Galkina, E. Flow cytometry analysis of immune cells within murine aortas. J. Vis. Exp. (53), e2848 (2011).
  20. Butler, M. O., et al. Establishment of antitumor memory in humans using in vitro-educated CD8+ T cells. Sci. Transl. Med. 3 (80), 80ra34 (2011).
  21. Chomczynski, P., Sacchi, N. Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction. Anal. Biochem. 162 (1), 156-159 (1987).
  22. Peterson, S. M., Freeman, J. L. RNA isolation from embryonic zebrafish and cDNA synthesis for gene expression analysis. J. Vis. Exp. (30), e1470 (2009).
  23. Ying, S. Y., Ying, S. Y. Complementary DNA Libraries. Generation of cDNA Libraries: Methods and Protocols. 221, 1-12 (2003).
  24. Hirano, N., et al. Engagement of CD83 ligand induces prolonged expansion of CD8+ T cells and preferential enrichment for antigen specificity. Blood. 107 (4), 1528-1536 (2006).
  25. Scotto-Lavino, E., Du, G., Frohman, M. A. 5′ end cDNA amplification using classic RACE. Nat. Protoc. 1 (6), 2555-2562 (2006).
  26. Heemskerk, M. H., et al. Redirection of antileukemic reactivity of peripheral T lymphocytes using gene transfer of minor histocompatibility antigen HA-2-specific T-cell receptor complexes expressing a conserved alpha joining region. Blood. 102 (10), 3530-3540 (2003).
  27. Yan, H., et al. Magnetic cell sorting and flow cytometry sorting methods for the isolation and function analysis of mouse CD4+ CD25+ Treg cells. J. Zhejiang Univ. Sci. B. 10, 928-932 (2009).
  28. Padovan, E., et al. Expression of two T cell receptor alpha chains: dual receptor T cells. Science. 262 (5132), 422-424 (1993).
  29. Johnson, L. A., et al. transfer of tumor-reactive TCR confers both high avidity and tumor reactivity to nonreactive peripheral blood mononuclear cells and tumor-infiltrating lymphocytes. J. Immunol. 177 (9), 6548-6559 (2006).
  30. Chinnasamy, N., et al. A TCR targeting the HLA-A*0201-restricted epitope of MAGE-A3 recognizes multiple epitopes of the MAGE-A antigen superfamily in several types of cancer. J. Immunol. 186 (2), 685-696 (2011).
check_url/54697?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Guo, T., Ochi, T., Nakatsugawa, M., Kagoya, Y., Anczurowski, M., Wang, C., Rahman, M. A., Saso, K., Butler, M. O., Hirano, N. Generating De Novo Antigen-specific Human T Cell Receptors by Retroviral Transduction of Centric Hemichain. J. Vis. Exp. (116), e54697, doi:10.3791/54697 (2016).

View Video