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I vettori virali sono emersi come potenti strumenti nella terapia genica, nella viroterapia oncolitica e nello sviluppo di vaccini genetici grazie alla loro naturale capacità di fornire materiale genetico nelle cellule ospiti. Sfruttano il trofismo naturale e i meccanismi di trasduzione dei virus, facilitando l'espressione genica sia transitoria che a lungo termine. Sono in grado di sopravvivere nell'ambiente extracellulare, di legarsi a uno specifico recettore cellulare (che definisce il tropismo virale) e promuovere la loro internalizzazione, di dirottare il meccanismo di espressione genica della cellula ospite e guidare l'espressione dei propri geni, e di eludere i sensori intracellulari e legati alla membrana del braccio immunitario innato 1,2. In questo modo, dopo un'infezione virale produttiva, i virus trasformano le cellule in fabbriche di progenie virale che diffondono nuovi virus nell'organismo, causando infine una malattia.
I virus wild-type possono essere trasformati in uno strumento biotecnologico mediante l'ingegneria genetica: il loro genoma può essere facilmente manipolato per mantenere la capacità di trasduzione e ottenere un risultato clinico. Sulla base della loro applicazione clinica, i vettori virali possono essere ingegnerizzati per mantenere (almeno in parte) o essere ablati nella loro competenza di replicazione per generare vettori competenti o incompetenti per la replicazione 3,4.
I virus competenti per la replicazione sono destinati principalmente ai virus oncolitici. Le cellule tumorali, spesso carenti di difese antivirali1, consentono la replicazione di virus ricombinanti attenuati ingegnerizzati attraverso la delezione di geni di virulenza. Questi virus si replicano selettivamente nei tumori risparmiando il tessuto normale. Con l'avanzare della comprensione della virologia, i virus attenuati sono stati sostituiti da modifiche più precise del genoma progettate per migliorare sia la sicurezza che l'efficacia terapeutica.
Tra i campi di interesse che richiedono l'ingegneria molecolare chirurgica dei genomi virali vi sono: i) Virus oncolitici replication-condition, in cui i promotori virali sono sostituiti da promotori associati al tumore (promotori cellulari sovra-trascritti nelle cellule tumorali), limitando così l'espressione genica virale alle cellule malate5. ii) Virus con tropismo alterato 6,7, dove le glicoproteine dell'involucro che determinano l'infezione possono essere modificate o sostituite con frammenti di anticorpi o ligandi che hanno come bersaglio proteine sovraespresse sulle cellule tumorali 8,9. iii) Virus oncolitici armati. La morte delle cellule tumorali indotta dai virus oncolitici innesca la morte cellulare immunogenica (ICD), caratterizzata dal rilascio di mediatori infiammatori 1,10 e antigeni tumorali11. Questi segnali promuovono un riconoscimento efficiente degli antigeni tumorali da parte del sistema immunitario, ripristinando la sorveglianza12e consentendo la combinazione con inibitori del checkpoint immunitario 13,14,15 e altre terapie immunitarie come terapie e vaccini basati sull'RNA16.
A sostegno di questo effetto immunoterapeutico, i transgeni di interesse possono essere codificati all'interno del genoma virale, sfruttando così il virus non solo per la sua attività oncolitica, ma anche per migliorare il suo potenziale immunoterapico attraverso la produzione in situ di carichi utili rilevanti 3,7,17,18,19. Questi carichi utili possono comprendere citochine, chemochine, anticorpi, geni suicidi e antigeni 3,20. L'inserimento richiede precisione, con le regioni intergeniche del genoma virale preferite per ridurre al minimo l'interruzione dei geni virali e preservare la replicazione e la potenza7. Pertanto, sono essenziali tecniche che consentano lo screening sia dei siti di inserzione ottimali che dei transgeni di interesse.
D'altra parte, nel contesto dei virus non replicativi, utilizzati per la terapia genica o come veicoli per vaccini genetici, è importante che il vettore virale trasmetta il transgene (transitoriamente o di lunga durata) senza replicarsi nella cellula ospite per evitare la tossicità21. I vettori adenovirali sono caratterizzati da un'elevata efficienza di trasduzione, da una robusta espressione dei transgeni e dalla capacità di infettare sia le cellule in divisione che quelle non in divisione3. Queste proprietà li hanno resi i primi della categoria per lo sviluppo di vaccini genetici, compresi quelli per le malattie infettive emergenti, come il COVID-19, e per le terapie di sostituzione genica22. L'esempio più famoso di vettore adenovirale che ha raggiunto il mercato è il vaccino Oxford-AstraZeneca COVID-19, noto con il nome commerciale di Covishield o Vaxzevria, basato su un adenovirus di scimpanzé modificato, ChAdOx1, che codifica per la proteina Spike di SARS-CoV-2. Quando iniettato per via intramuscolare, Covishield è in grado di penetrare all'interno delle cellule e indurre l'espressione della proteina Spike, innescando il sistema immunitario a montare una risposta immunitaria contro di essa3.
C'è una chiara necessità di modificare i genomi virali senza essere vincolati da siti di riconoscimento degli enzimi di restrizione. Tra i virus oncolitici, i vettori basati sull'Herpes Simplex Virus-1 (HSV-1) offrono vantaggi unici, tra cui la capacità litica, la sicurezza e le grandi dimensioni del genoma, consentendo l'inserimento di transgeni considerevoli o di più elementi genetici23,24. Oltre all'HSV, molti altri virus mostrano promesse terapeutiche, come recentemente rivisto in Sasso et al.3. Piuttosto che un vettore universale "best-in-class", diverse piattaforme virali sono adatte a esigenze terapeutiche distinte3. Attualmente, i sistemi di ricombinazione omologa nei batteri o il clonaggio ibrido lievito-batteri rimangono le alternative più comuni agli enzimi di restrizione, ma questi sono laboriosi, a più fasi e inefficienti25.
Un'alternativa emergente è l'uso di CRISPR/Cas9, recentemente applicato per ingegnerizzare genomi di virus, tra cui il virus vaccinico (VV), il virus dell'herpes simplex e i vettori adenovirali. Cas9 è attraente per l'inattivazione genica tramite mutazioni indel, ma diventa meno pratico quando sono necessari tagli multipli per eliminare segmenti di genoma o inserire un transgene tramite il DNA del donatore. Inoltre, l'editing è limitato dalla progettazione del gRNA, dagli effetti off-target sia nel genoma virale che in quello dell'ospite e dalla dipendenza dalle sequenze PAM nelle regioni di interesse25.
Con questo in mente, e attraverso due esempi basati su HSV e adenovirus, questo articolo illustra il metodo di ricombinazione, che può essere applicato ampiamente, dai virus ai batteriofagi, ai plasmidi complessi e ai diversi sistemi sperimentali. La ricombinazione (ingegneria genetica omologa mediata da RECOMBInation) è una tecnica di ingegneria genetica in vivo , utilizzata principalmente in Escherichia coli, che sfrutta proteine di ricombinazione batteriofago dipendenti dalla temperatura per catalizzare la ricombinazione omologa tra elementi di DNA con un minimo di 30 bp di omologia26. Questo approccio consente l'inserimento, la delezione o la modifica precisi delle sequenze senza dipendere dai siti di restrizione o dalle dimensioni del DNA. In questo manoscritto, descriviamo una versione basata sul ceppo di E. coli inducibile dal calore SW102, sebbene siano disponibili anche ceppi alternativi con specifici sistemi inducibili27.
La ricombinazione inizia con la preparazione di cellule batteriche elettrocompetenti attraverso uno shock a temperatura controllata per attivare il meccanismo di ricombinazione dei fagi. Le molecole di DNA che trasportano i bracci di omologia appropriati vengono quindi elettroporizzate. Questi possono essere DNA a doppio filamento (dsDNA) generati dalla digestione di restrizione o PCR o DNA a singolo filamento (ssDNA) come gli oligonucleotidi. La presenza di sequenze omologhe insieme a proteine attive di ricombinazione consente la creazione di nuove molecole di DNA con la modifica desiderata.
La tecnologia di clonazione molecolare ricombinante consente un'ingegneria genetica precisa e viene applicata in diversi contesti, tra cui l'inserimento di marcatori selezionabili o non selezionabili in plasmidi, DNA cromosomico batterico e cromosomi artificiali batterici (BAC). I BAC sono particolarmente preziosi per la clonazione di grandi frammenti genomici, tra cui il DNA adenovirale e l'HSV, consentendo la rapida produzione di vettori virali. Oltre alle applicazioni traslazionali, la ricombinazione supporta anche la ricerca di base consentendo la delezione, la modifica o la sostituzione mirata di geni virali o domini proteici. La ricombinazione ha alcune limitazioni: i bracci corti di omologia ostacolano la ricombinazione nelle regioni ripetitive; I substrati amplificati con PCR possono occasionalmente introdurre mutazioni; e la sequenza della regione target deve essere nota.