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1Department of Molecular and Cellular Biology, Beckman Research Institute of City of Hope, 2Graduate School of Biological Sciences, Beckman Research Institute of City of Hope, 3Shared Resource-DNA/RNA Peptide, Beckman Research Institute of City of Hope
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Zhou, J., Li, H., Zhang, J., Piotr, S., Rossi, J. Development of Cell-type specific anti-HIV gp120 aptamers for siRNA delivery. J. Vis. Exp. (52), e2954, doi:10.3791/2954 (2011).
全球艾滋病毒感染疫情已创建了一个新类抗逆转录病毒药物的迫切需要。很强的能力,抑制小分子干扰(SI)的RNA互补的RNA转录表达是被人利用作为一个新类的疗法,为各种疾病,包括艾滋病毒。许多以前的报告表明,新型RNAi为基础的治疗策略anti-HIV/AIDS有相当大的承诺,然而,成功的siRNAs的临床治疗中的应用和翻译的一个主要障碍是有效地提供。特别是,考虑RNAi为基础的疗法的安全性和有效性,它是非常可取的,制定有针对性的细胞内的siRNA传递到特定的细胞群体或组织的方法。 HIV - 1的gp120的蛋白质,对HIV - 1病毒表面的糖蛋白的信封,到病毒进入CD4细胞起着重要作用。已通过验证的触发HIV - 1项,并启动细胞融合的gp120与CD4的相互作用作为临床相关的抗病毒的药物发现策略。
在此,我们首先讨论2' - F改性抗- HIV的gp120基因的RNA适配子的选择和鉴定。使用传统的硝化纤维过滤器SELEX方法,几个新的适配纳摩尔亲和力,从50个随机NT RNA文库中分离。为了成功地获得绑定的物种具有较高的亲和力,选择紧缩小心控制调整的条件。选定适配特异性结合,并迅速进入细胞表达的HIV - 1包膜蛋白的内化。此外,单独的适配,可中和HIV - 1病毒的传染性。根据最好的适体A - 1中,我们还创建了一种新型的双抑菌功能抗- gp120的适配子的siRNA的嵌合体适体和siRNA的部分具有强大的抗艾滋病毒的活动。此外,我们利用gp120的适体的siRNA嵌合体细胞类型特定的siRNA传递到HIV - 1感染细胞。这种双重功能的嵌合体,显示了相当大的潜力相结合的各种核酸治疗剂(适体和siRNA)抑制HIV - 1感染,使适配子的siRNA嵌合体,没有高活性抗逆转录病毒疗法(HAART)的患者有吸引力的治疗候选人。
1。制备的RNA库
(2) 在体外生成的适配
3。 SELEX进展监测过滤器的结合实验
4。克隆,测序和路线
5。 通过体外转录生成的适体和嵌合体的RNA
6。凝胶迁移实验离解常数的测定
7。通过流式细胞仪检测细胞表面结合的研究
8。内化和细胞内定位研究活细胞共聚焦显微镜
在体外挑战HIV - 1和p24抗原检测9。
10。定量RT - PCR检测siRNA的功能检测
11。代表性的成果:
1。新的RNA适配子对HIV - 1 BAL gp120的孤立和特点。
在实验部分,最初的DNA寡核苷酸库,其中包含50 NT随机区域两侧固定引物的5'和3'末端的扩增和转录成一个RNA池地区。这个初始库由10月15日多样的序列(1 nmol),折叠成各种三维结构的广大阵列。初始库的高度复杂性和多样性,保证活动构造具有良好的亲和力目标。
采用体外 SELEX程序( 图1)选择2' -氟嘧啶修改RNA适配有选择性地绑定在R5株HIV - 1的BAL gp120的包膜蛋白7。 如图1所示,硝酸纤维素为基础的选择策略进行隔离来自非约束性的RNA分子的具体目标结合的RNA。由于蛋白质坚持以硝化棉,只有RNA /蛋白质复合物或聚合可以保留在膜和自由RNA是冲了出去。变性条件下,恢复和绑定的RNA反转录成cDNA,然后到双链DNA扩增,并随后在体外转录,以创建一个新的RNA池下一个选择周期。选择紧缩是通过降低靶蛋白的数量,增加竞争对手的tRNA数量增加。 RNA池,蛋白质和竞争对手的tRNA在每一轮选择使用量见表1。
监视器的选择SELEX循环后,每个过滤器结合试验的进展。评估的结合亲和力%的RNA上FIL保留之三中的总RNA池。起始RNA池(1 - RNA)的显示膜保留了输入的RNA的0.1%。然而,经过9轮筛选的第九届RNA库(9 - RNA)的有9.72%的输入的RNA。虽然其他选择进行了两轮,没有进一步浓缩,这表明,已达到最大结合的RNA池( 图2A)。与筛选结合法相似,凝胶迁移实验还确定解离常数的最流行的战略之一。此过程既简单又方便。 如图2b所示,凝胶迁移实验进一步证实的RNA池的具有约束力的活动。这些结果表明,配体与靶蛋白结合的特异性高一些,先后在这些RNA池丰富的..
克隆和序列的高度浓缩的适体池(12 - RNA)的。根据个人的克隆适体序列的路线,6个不同组别进行分类,如表2所示。约有40%的克隆(I和II组适配)包含一个保守的序列:(A / G)TTGAGGGACC(A / G)。我们选择从每个组的代表序列:进一步鉴定,因为它们在它们的组内的相对丰度(例如A - 1,A - 5,A - 10,A - 12,A - 28和B - 68)。通过本机的凝胶迁移实验中,这些代表适配的解离常数(K D)计算( 图 3A )。举例来说,A - 1的最佳适配,具有明显的Kd值的52纳米( 图3B) 。如图3a所示,这些选定的适配可以选择性地结合与目标巴尔gp120的HIV - 1,但不是艾滋病毒的gp120的CM蛋白质。
2。抗- gp120的适体特异性结合,并表达艾滋病毒gp160的细胞内化和抑制HIV - 1感染细胞培养。
CHO - gp160细胞稳定表达HIV包膜糖蛋白gp160是用来测试约束力和内部选定的抗- gp120的适配。这些细胞不加工成gp120和gp41 gp160的,因为他们缺乏信封加工所需的 GAG编码蛋 白酶。作为对照,我们用父母的CHO - EE细胞株不表达gp160。流( 图4A),流式细胞仪分析表明,Cy3标记的适配特异性结合gp160的CHO细胞,但不是控制的CHO - EE细胞。此外,实时活细胞共聚焦显微镜Z轴表示Cy3标记的核酸适配体是选择性- gp160的CHO细胞(图4B和 4C)内孵化后2小时内,但不是控制细胞的CHO - EE ( 图4D)。图4C还显示,适体,这表明gp120的适配可能通过受体介导的内吞作用进入细胞胞浆内聚集。
在HIV - 1的挑战的检测,HIV - 1感染外周血单个核细胞治疗与适配。在不同的日子里与适配的治疗后,媒体等分是检测病毒p24抗原水平(图 4E) 。结果表明,抗- gp120的适配(A - 1)抑制HIV - 1 P24与纳米摩尔浓度生产。
3。抗- gp120的适体的siRNA嵌合体的设计和评估其细胞类型特异siRNA传递系统的功效
所示,图5A,适体和感载核酸耐2' -氟UTP和CTP 2' -氟的siRNA链段,并从相应的双链DNA模板在体外噬菌体转录合成。为了增加分子的灵活性,两个核苷酸连接器(UU)之间插入的适体和Dicer的基板部分。为了准备含有嵌合体的siRNA, 在体外转录嵌合体适体感链聚合物摩尔浓度与未修改的反义链RNA退火。凝胶迁移实验( 图5B)和流式细胞仪( 图5C)这些数据表明,嵌合体维持大约相同的亲和力作为单独的适配。从实时共聚焦显微镜( 图5D)的时间,当然图像显示,Cy3标记的CH A - 1嵌合体可以成功地进入细胞的细胞质内在。正如预期的那样,没有摄取的嵌合体的CHO - EE控制细胞( 图5E)观察。
同样,抗病毒RNA的潜力是HIV - 1病毒的挑战测定评价。艾滋病毒p24抗原分析(图6A和6B)的结果表明,适体和嵌合体抑制P24的生产,但抑制作用最强的嵌合体的CH A - 1治疗观察。
要确认siRNA的组成部分是运作的“亚太贸易协定”MER,CH - 1感染的细胞嵌合体的内化,我们还通过定量RT - PCR表达分析评估抑制达/转基因表达的相对水平。我们发现,治疗感染的细胞嵌合体能够诱导达/转基因沉默,而适体本身并不影响达/转基因的表达( 图6C及6D)。这些结果提供进一步的支持,适体交付的siRNA触发的RNAi。
| 蛋白质的量,RNA池和tRNA用于选择 | |||||
| SELEX轮 | 目标/ RNA的比率 | GP120蛋白 | RNA的池 | 竞争对手的tRNA | 选择缓冲区 |
| 1 | 1/6.5 | 229.8 pmol | 40.1微克(1.5 nmol) | 0 | 低盐SELEX缓冲区 |
| 2 | 1/6.5 | 114.9 pmol | 0.75 nmol(20.1微克) | 0.25 nmol(6.6微克) | |
| 3 | 1 / 8 | 76.6 pmol | 0.625 nmol(16.7微克) | 0.25 nmol(6.6微克) | |
| 4 | 1 / 8 | 76.6 pmol | 0.625 nmol(16.7微克) | 0.25 nmol(6.6微克) | |
| 5 | 1 / 8 | 38.3 pmol | 0.306 nmol(8.18微克) | 13.2微克(0.5 nmol) | 高盐SELEX缓冲区 |
| 6 | 1 / 8 | 38.3 pmol | 0.306 nmol(8.18微克) | 13.2微克(0.5 nmol) | |
| 7 | 1 / 10 | 26.8 pmol | 0.268 nmol(7.16微克) | 13.2微克(0.5 nmol) | |
| 8 | 1 / 10 | 26.8 pmol | pmol 0.268 nmol(7.16微克) | 1 nmol(26.4微克) | |
| 9 | 1 / 10 | 15.3 pmol | 0.153 nmol(4.09微克) | 1 nmol(26.4微克) | |
| 10 | 1 / 10 | 15.3 pmol | 0.153 nmol(4.09微克) | 39.6微克(1.5 nmol) | |
| 11 | 1/12.5 | 7.66 pmol | 0.096 nmol(2.56微克) | 2 nmol(52.8微克) | |
| 12 | 1/12.5 | 7.66 pmol | 0.096 nmol(2.56微克) | 2 nmol(52.8微克) | |
表1:选择条件。蛋白质的量,RNA池和tRNA的每个选择和选择缓冲区使用的表示。
| 集团 | 核糖核酸 | 随机序列 | 频率(140个克隆) |
| I组 | A - 1 | AATTGAGGGACCA CGCGCTGCTTGTTGTGATAAGCAG TTTGT重心GATGG | 33(23.6%) |
| B - 7 | AATTGAGGGACCA ACGCGAGGATGTGGATAGTGTGTA TTTGC GT GATGG | 3 | |
| A - 32 | AATTGAGGGACCG TTGGTAAAAGCCGGA AATTG AGCT TTTAC GGC GATGG | 5 | |
| B - 55 | AATTGAGGTACCGCG TTATTAGGAACA AATTG GAATTCTAAACGC GATGG | 2 | |
| A - 24 | AATAGAGGGACC CAGATATAGGCTACACGGATGATGGTGTATCTG GATGG | 1 | |
| B - 19 | AATAGAGGAACCG TTTCAGAAGACTACAGGTTAGTCCAATGAAGC GACGG | 1 | |
| B - 31 | AATAGAGGGACCG TGGACAATAATTTATGGTCA TTTATTGGCAC GATGG | 1 | |
| 第二组 | A - 12 | AGTAGAGGAACCA AGCAATGGATGAATGCAAAAGTGTAAATGCTT GATGG | 10(7.1%) |
| 第三组 | A - 10 | TGAGTTTGGGTAAATTTCCGGTTTCGGTTTACTCACGAAAGATCGGTCGG | 15(10.7%) |
| IV组 | A - 28 | TAAAGGAGGGAAGGATGAGACCGCACGAAAAATATCAGCATACG TTTGTG | 10(7.1%) |
| 第五组 | A - 5 | GAAACTAGTTTGAATAATGGTGTAGAGGAGGGTCAATAGTTTCG TTGGTG | 9(6.4%) |
| 六和集团 | B - 68 | ACATAGTAATGACACGGAGGATGGAGAAAAAACAGCCATCTCTTGACGGT | 2 |
| 其他 | 孤儿序列 | 48 |
表2的路线和确定的RNA适配。继12 日一轮的选择,选定的RNA池被克隆和测序。全部140个克隆的对齐后,确定了6组,抗- gp120的适配。只有适体的核心区域的随机序列(5' - 3')表示。多种频率发生分离指定。

图1:在体外的遴选程序的示意图使用硝酸纤维素膜,巴尔为HIV - 1 gp120的蛋白质生成的RNA适配。 ( 一 )起始RNA的游泳池和靶蛋白孵育,形成复杂的。 (二)结合的RNA分子被保留在膜和膜变性条件下洗脱。 (三)未绑定的RNA被洪水冲走。 (四)被选定的RNA反转录和PCR扩增。 (e)有关的DNA其后转录成新的RNA为下一个选择循环池。 (六)10-15轮筛选后,选定适配被克隆和序列。

图2:HIV - 1 gp120的适配选择的进展。 ( 一 )在每个周期的结合活性的RNA池的过滤与竞争对手的tRNA结合实验进行了分析。结合活性RNA上的过滤器保留在蛋白质/ RNA的复杂输入的百分比计算。 (二)在每个周期的结合活性的RNA池通过凝胶迁移实验进行了分析。 12 日的RNA池显示出最高的结合活性。

图3:结合活性检测抗HIV - 1 巴尔 gp120的选择个人适配。 ( 一 )5' - P 32标记的个人适配培养目标gp120的蛋白质或者非特定CM蛋白的数量不断增加。凝胶迁移实验结合反应混合物进行了分析。适体A - 1和B - 68表现出最好的靶蛋白结合的亲和力,但没有CM蛋白。数据代表的四个平均复制。 (二)结合曲线从凝胶迁移实验。

图4:细胞类型的特异性结合和吸收适配研究。 ( 一 )Cy3标记的RNA的细胞表面结合,通过流式细胞仪检测评估。 Cy3标记的RNA - gp160的CHO细胞和CHO - EE控制细胞结合测试。选定的适配显示细胞类型特异性结合亲和力。 第二 RNA池和无关的RNA被用来作为阴性对照。数据代表三个平均复制。 (二)内在分析。 CHO - gp160细胞生长在35毫米板和培养与Cy3标记在实时活细胞共聚焦显微镜分析的培养基A - 1 100 nm的浓度。在15分钟的图像采集。使用40X放大倍率的间隔。 (C,D)定位分析。 CHO - gp160细胞和CHO - EE控制细胞生长在35毫米板。与Cy3标记A - 1 100 nm的孵化之前,细胞,用Hoechst 33342(活体细胞的核染料)染色,然后利用实时共聚焦显微镜分析。 (五)选定的抗- gp120的适配在以前与HIV - 1的NL4 - 3型病毒感染的人类外周血抑制HIV - 1的复制。不同浓度和时间pointes。 IC50值上市。数据表示的P24一式三份的测量平均。

图5:适体,嵌合体的siRNA传递系统的设计和评价。 ( 一 )示意图适体嵌合体RNA的siRNA的抗- gp120的适体的区域是负责结合gp120和siRNA是针对常见的外显子的HIV - 1达/转。修改2' -氟- siRNA的适体感的单链合作转录,通过互补的siRNA反义链退火完成嵌合分子。适体和siRNA之间的连接器(UU)是绿色表示。 (二)嵌合体的RNA适配子的siRNA的具有可比性的Kd值以及父母适配特异性结合艾滋病毒巴尔gp120的蛋白质。数据代表三个平均复制。 (三)细胞类型的特定约束力的适配研究。 Cy3标记的RNA - gp160的CHO细胞和CHO - EE控制细胞结合测试。细胞表面面对Cy3标记,标记的RNA绑定由流式细胞仪进行了评估。选定的适配显示细胞类型特异性结合亲和力。 第二届 RNA池和无关的RNA被用来作为阴性对照。数据代表平均两个复制。 (D,E)的内化和胞内本地化分析。 CHO - gp160细胞生长在35毫米板,并用Hoechst 33342(活体细胞的核染料)染色。随后,细胞在培养基中培养,与Cy3标记为实时活细胞共聚焦显微镜分析如前所述嵌合体的100纳米的浓度。

图6:双抑制适配子的siRNA嵌合体介导的HIV - 1感染。抗- gp120的适体和siRNA的适体,嵌合体中和HIV - 1感染( 一 )CEM细胞(IIIB应变)和(B)人类外周血单个核细胞(BAL应变)的文化,分 别为。数据代表的P24一式三份的测量平均。嵌合体表现出更强的抑制比适体,仅表示,(C,D) 的适配下调达/转的外周血单个核细胞的基因表达提供的siRNA。数据代表三个平均复制。
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适配是在体外进化承担具体的和稳定的三维形状的核酸,从而提供了非常具体的,紧密结合到目标分子 8 。低纳摩尔结合的亲和力和精致的特异性适配,他们的目标,使他们的多用途工具用于诊断,在体内成像和治疗9。随着适体进行有针对性的siRNA传递技术的到来,现在是可行的,使用的适体为受体介导的内吞作用的 siRNA 10-12的绑定功能。对细胞膜受体提出的适配已成为有前途的运载工具的目标鲜明的疾病或组织在一个细胞型13特有的方式,它可以提高疗效,以及减少不必要的药物的毒副作用。
到目前为止,针对特定类型的细胞或恶性细胞亚群已被成功分离,并通过使用传统的纯化膜蛋白质为基础的SELEX或完整的细胞为基础的SELEX过程的特点适配的越来越多。高效生成细胞特异性寻药的新适配仍是一个关键的挑战,表演时由于无法获得所需的受体物种,不稳定的原生和有问题的生化或物理性质,化学性质的重组蛋白的选择。因此,基于单元的SELEX提供了一个替代的一代,可以结合专为一个特定的靶细胞人口的适配。然而,它注意到死细胞产生的非特异性结合核酸,因此导致细胞SELEX失败。此外,与传统的分离纯化蛋白质为基础的SELEX,复杂性和细胞的多样性相反的表面也增加细胞SELEX实验过程的困难。到目前为止,大多数靶向给药的细胞特异性的适配已演变用纯化的蛋白为基础的SELEX方法。
硝酸纤维素膜为基础的SELEX适配隔离,那些传统的战略,是行之有效的,并在许多出版物中。在这里,我们采用此过程中,成功地分离出几个新的抗HIV gp120基因的RNA适配子,这是能具体结合gp120的细胞表达HIV包膜内在。作为这项技术的优点之一,它是没有必要的修改目标分子(例如:蛋白质),并固定在固相吸附剂(如:珠,树脂柱,板或芯片)的目标,这没有按的“影响原来目标的确认。它更可靠,更简单的选择。为了丰富与高亲和力结合的RNA种类,选择紧缩小心控制,调整的条件,如选择的缓冲系统,靶蛋白的浓度,竞争对手的tRNA和洗涤时间8。在选拔过程中,结合亲和力监测,以确保浓缩和选择的进展,从而微调在下一轮的选择条件。这些适配子,可以抑制几种不同的HIV - 1毒株,表明阻断gp120与CD4受体结合,抑制HIV - 1项的初始步骤,抗- gp120的适配可能在HIV - 1治疗中的应用非常有用。我们还利用提供抗艾滋病毒的siRNAs的净结果为艾滋病毒感染的细胞,复制和艾滋病毒的蔓延是强烈的适体的联合行动和针对达/转的siRNA抑制gp120的适体的一个精致的特异性常见的外显子的HIV - 1 7,14。因此,抗- gp120的适配功能抗病毒药物和siRNA的传递试剂。
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J. R和JZ有“特定细胞类型的适配子的siRNA的HIV - 1治疗传递系统”的未决的专利。美国专利商标局,号
我们感谢布丽塔赫恩,孙桂花,哈里斯Soifer有益的讨论和莉萨舍雷尔。这项工作是支持通过美国国立卫生研究院艾滋病研究和参考试剂计划,艾滋病司,NIAID的,美国国立卫生研究院从国立卫生AI29329,授予JJR下列试剂HL07470研究院获得资助的CHO - EE和CHO - gp160细胞行; pNL4 - 3吕克载体; gp120的HIV - 1 BAL DAIDS,NIAID的。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MF-Millipore membrane filter | EMD Millipore | HAWP01300 | Pore size 0.45 μm |
| Swinnex Filter holder | EMD Millipore | SX0001300 | 13 mm diameter |
| QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28706 | DNA purification |
| Microcon YM-30 column | EMD Millipore | 42410 | RNA concentration |
| Bio-spin 30 column | Bio-Rad | 732-6250 | RNA purification |
| Taq PCR DNA polymerase | Sigma-Aldrich | D1806 | |
| ThermoScript RT-PCR system | Invitrogen | 11146-024 | |
| DuraScribe T7 transcription Kit | Epicentre Biotechnologies | DS010925 | |
| dNTP for PCR | Roche Group | 1 581 295 | |
| Ribonucleic acid, transfer from E.coli | Sigma-Aldrich | R1753 | tRNA competitor |
| HIV-1Ba-L gp120 protein | National Institutes of Health | 4961 | Target protein |
| Silencer siRNA labeling kit - Cy3 | Ambion | 1632 | |
| Acid phenol/chloroform 5/1 solution (pH 4.5) | Ambion | AM9720 | |
| Chloroform/Isopropanol 24/1 solution | Sigma-Aldrich | C0549 | |
| Calf intestinal phosphatase (CIP) | New England Biolabs | M0290L | |
| T4 polynucleotide kinase | New England Biolabs | M0201L | |
| Glycogen | Roche Group | 10 901 393 001 | RNA precipitation |
| Gamma-P32-ATP | MP Biomedicals | 013502002 | Radiactivity |
| 40% AccuGel 19:1 | National Diagnostics | EC-850 | |
| 10xTBE | National Diagnostics | EC-860 | |
| N,N,N,N’-Tetramethylethylenediamine (TMEMD) | Sigma-Aldrich | T9281 | |
| Ammonium persulfate (APS) | Sigma-Aldrich | A3678 | |
| L-methioine sulfoximine | Sigma-Aldrich | M5379-250 mg | |
| RPMI Media 1640 | Invitrogen | 11835-030 | |
| Sodium Bicarbonate solution, 7.5% w/v | Invitrogen | 25080-094 | |
| Minimum Essential Medium (MEM) (10ï‚’) | Invitrogen | 11430-030 | |
| MEM non-essential amino acid (100ï‚’) | Invitrogen | 11140-050 | |
| TA cloning kit with pCR 2.1 | Invitrogen | K2040-01 |