組換えを介した遺伝子工学法である組換えは、酵素消化に依存せずに正確なウイルスゲノム改変を可能にします。このアプローチは、標的欠失などの基礎研究や、腫瘍溶解療法、遺伝子治療、遺伝子ワクチンに使用される操作ウイルスの開発に不可欠であり、研究と臨床応用の両方で可能性を広げます。
方法論記事
組換えを介した遺伝子工学法である組換えは、酵素消化に依存せずに正確なウイルスゲノム改変を可能にします。このアプローチは、標的欠失などの基礎研究や、腫瘍溶解療法、遺伝子治療、遺伝子ワクチンに使用される操作ウイルスの開発に不可欠であり、研究と臨床応用の両方で可能性を広げます。
基礎研究とトランスレーショナル研究の両方で操作されたウイルスベクターの需要が高まっているため、組換え DNA ウイルスを生成するための柔軟で迅速かつスケーラブルな方法の必要性が強調されています。制限酵素の消化とライゲーションに依存する戦略は、配列依存の制限と時間のかかるクローニングステップによって制約されます。ここでは、細菌の人工染色体(BAC)におけるウイルスゲノムの正確かつシームレスな改変を可能にすることで、これらの制限を回避する組換えを介した遺伝子工学法(組換え)について説明します。このアプローチにより、コードまたは非コード遺伝要素の効率的な削除、挿入、または置換が可能になり、ハイスループットウイルスベクター開発のための強力なプラットフォームが提供されます。組換えは、ウイルス遺伝子の機能を調査するための欠失や変異などの基礎研究用途において特に価値があります。さらに重要なことは、この方法論により、異なる免疫刺激または治療ペイロードをコードする数十の組換えウイルスを並行して生成できるため、新規コンストラクトの迅速な前臨床評価に非常に適しています。この技術はあらゆる科学的目的に実装できる可能性がありますが、この記事では、単純ヘルペスウイルスに基づく腫瘍溶解性ウイルスの生成と、遺伝子導入のための非複製アデノウイルスベクターの開発という2つの特定の分野での組換えの応用に焦点を当てます。結論として、組み換えはウイルスゲノム工学への多用途のアプローチを提供し、設計から機能テストまでのパイプラインを大幅に加速します。その関連性は、進化する研究や臨床ニーズを満たすために、基礎ウイルス学からトランスレーショナル医療まで多岐にわたります。
ウイルスベクターは、遺伝物質を宿主細胞に送達する自然な能力により、遺伝子治療、腫瘍溶解性ウイルス療法、遺伝子ワクチン開発における強力なツールとして浮上しています。これらはウイルスの自然な向性と形質導入メカニズムを活用し、一過性および長期的な遺伝子発現を促進します。それらは細胞外環境で生き残り、特定の細胞受容体(ウイルス向性を定義する)に付着してそれらの内在化を促進し、宿主細胞の遺伝子発現機構を乗っ取って独自の遺伝子の発現を促進し、自然免疫群の膜結合および細胞内センサーを回避することができます1,2.このようにして、生産的なウイルス感染の後、ウイルスは細胞をウイルスの子孫工場に変え、新しいウイルスを生物に広げ、最終的に病気を引き起こします。
野生型ウイルスは、遺伝子工学によってバイオテクノロジーツールに変換できます:そのゲノムを簡単に操作して形質導入能力を維持し、臨床転帰を得ることができます。それらの臨床応用に基づいて、ウイルスベクターは、複製能力を(少なくとも部分的に)保持または除去して、複製能力または複製不能力ベクターのいずれかを生成するように設計することができます3,4。
複製能力のあるウイルスは、主に腫瘍溶解性ウイルスの目的を目的としています。抗ウイルス防御が欠損していることが多いがん細胞1は、病原性遺伝子の欠失によって操作された弱毒化組換えウイルスの複製を可能にします。これらのウイルスは、正常組織を温存しながら腫瘍内で選択的に複製します。ウイルス学の理解が進むにつれて、弱毒化ウイルスは、安全性と治療効果の両方を高めるために設計された、より正確なゲノム修飾に取って代わられてきました。
ウイルスゲノムの外科的分子工学を必要とする関心のある分野には、次のものがあります。i)ウイルスプロモーターが腫瘍関連プロモーター(腫瘍細胞で過剰転写される細胞プロモーター)に置き換わり、それによってウイルス遺伝子発現を病変細胞に制限する複製条件付き腫瘍溶解性ウイルス5。ii)向性が変化したウイルス6,7、感染を決定するエンベロープ糖タンパク質は、腫瘍細胞で過剰発現したタンパク質を標的とする抗体断片またはリガンドで修飾または置換される可能性があります8,9。iii) 武装腫瘍溶解性ウイルス。腫瘍溶解性ウイルスによって誘発される腫瘍細胞死は、炎症性メディエーター 1,10 および腫瘍抗原11 の放出を特徴とする免疫原性細胞死 (ICD) を引き起こします。これらのシグナルは、免疫系による腫瘍抗原の効率的な認識を促進し、サーベイランス12を回復し、免疫チェックポイント阻害剤13、14、15およびRNAベースの治療法やワクチンなどの他の免疫治療薬との併用を可能にします16。
この免疫治療効果を支持するために、目的の導入遺伝子をウイルスゲノム内にコードすることができ、それによってウイルスの腫瘍溶解活性だけでなく、関連するペイロードのin-situ産生を通じてその免疫治療の可能性を高めることができます3,7,17,18,19。これらのペイロードは、サイトカイン、ケモカイン、抗体、自殺遺伝子、および抗原3,20を含むことができる。挿入には精度が必要であり、ウイルス遺伝子の破壊を最小限に抑え、複製と効力を維持するために、ウイルスゲノムの遺伝子間領域が好まれます7。したがって、最適な挿入部位と目的の導入遺伝子の両方のスクリーニングを可能にする技術が不可欠です。
一方、遺伝子治療または遺伝子ワクチンの媒体として使用される非複製ウイルスの文脈では、毒性を回避するために、ウイルスベクターが宿主細胞に複製せずに導入遺伝子を(一過性または長期にわたって)送達することが重要です21。アデノウイルスベクターは、高い形質導入効率、導入遺伝子の堅牢な発現、および分裂細胞と非分裂細胞の両方に感染する能力を特徴としています3。これらの特性により、COVID-19などの新興感染症や遺伝子置換療法を含む遺伝子ワクチンの開発において、クラス初の存在となっています22。市場に出回ったアデノウイルスベクターの最も有名な例は、SARS-CoV-2のスパイクタンパク質をコードする改変チンパンジーアデノウイルスChAdOx1をベースにした、コビシールドまたはバクシェブリアの商品名で知られるオックスフォード・アストラゼネカのCOVID-19ワクチンである。筋肉内経路で注射すると、コビシールドは細胞内に浸透してスパイクタンパク質の発現を誘導し、免疫系がスパイクタンパク質に対する免疫応答を開始するようにプライミングすることができます3。
制限酵素認識部位に制約されることなくウイルスゲノムを改変する必要性は明らかです。腫瘍溶解性ウイルスの中で、単純ヘルペスウイルス-1(HSV-1)ベースのベクターは、溶解能力、安全性、および大きなゲノムサイズなどの独自の利点を提供し、かなりの導入遺伝子または複数の遺伝的要素の挿入を可能にします23,24。HSV以外にも、Sasso et al.3で最近レビューされたように、他の多くのウイルスが治療の可能性を示しています。普遍的な「クラス最高の」ベクターではなく、さまざまなウイルスプラットフォームが異なる治療ニーズに適しています3.現在、細菌またはハイブリッド酵母-細菌クローニングにおける相同組換えシステムは、制限酵素の最も一般的な代替手段であり続けていますが、これらは手間がかかり、多段階であり、非効率的です25。
新たな代替手段は、ワクシニアウイルス(VV)、単純ヘルペスウイルス、アデノウイルスベクターなどのウイルスのゲノムを操作するために最近適用されたCRISPR/Cas9の使用です。Cas9は、インデル変異による遺伝子の不活性化に魅力的ですが、ゲノムセグメントを削除したり、ドナーDNAを介して導入遺伝子を挿入したりするために複数のカットが必要な場合、実用性が低くなります。さらに、編集は、gRNA設計、ウイルスゲノムと宿主ゲノムの両方におけるオフターゲット効果、および関心領域におけるPAM配列への依存によって制限されます25。
これを念頭に置いて、HSVとアデノウイルスに基づく2つの例を通して、ウイルスからバクテリオファージ、複雑なプラスミド、および多様な実験システムまで幅広く適用できる組換え法を示します。組換え(相同RECOMBInation媒介遺伝子工学)は、主に大腸菌で使用されるin vivo遺伝子工学技術であり、温度依存性バクテリオファージ組換えタンパク質を利用して、わずか30 bpの相同性でDNA要素間の相同組換えを触媒します26。このアプローチにより、制限部位やDNAサイズに依存することなく、配列の正確な挿入、削除、または修飾が可能になります。この原稿では、熱誘導性大腸菌SW102に基づくバージョンについて説明しますが、特定の誘導性システムを持つ代替株も利用可能です27。
組換えは、制御された温度ショックを通じて電気コンピテント細菌細胞を調製し、ファージ組換え機構を活性化することから始まります。次に、適切な相同性アームを担うDNA分子をエレクトロポレーションします。これらは、制限消化またはPCRによって生成された二本鎖DNA(dsDNA)、またはオリゴヌクレオチドなどの一本鎖DNA(ssDNA)である可能性があります。活性組換えタンパク質とともに相同配列が存在することで、所望の修飾を持つ新しいDNA分子の作成が可能になります。
組換え分子クローニング技術は、精密な遺伝子工学を可能にし、プラスミド、細菌染色体DNA、細菌人工染色体(BAC)への選択可能または選択不可能なマーカーの挿入など、さまざまな状況に適用されます。BAC は、アデノウイルスや HSV DNA などの大きなゲノム断片のクローニングに特に価値があり、ウイルスベクターの迅速な生産を可能にします。組換えは、トランスレーショナルアプリケーションを超えて、ウイルス遺伝子またはタンパク質ドメインの標的欠失、修飾、または置換を可能にすることで、基礎研究もサポートします。組換えにはいくつかの制限があります:短い相同性アームは、反復領域での組換えを妨げます。PCR増幅基質は、時折変異を導入することがあります。そして、ターゲット領域のシーケンスがわかっていなければなりません。
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組換えの前提条件として、目的のBACゲノムを持つ熟練した細菌株(SW102など)が利用可能でなければなりません。組換えは、所望の修飾を受けたコロニーを濃縮するための非常に効率的な方法ですが、ここでは、第1ステップと第2ステップと呼ばれる2段階の組換え戦略について説明します(図1)。最初のステップでは、ポジティブおよびネガティブの両方の選択マーカーを含む発現カセットを目的の遺伝子座に挿入します。2番目のステップでは、このカセットは、最終ゲノムを目的とした実際の遺伝子組み換えに置き換えられます。この研究で使用された選択マーカーには、アンピシリン耐性 (AmpR)、ベータガラクトシダーゼ活性 (β-gal)、および sacB 遺伝子が含まれます。ただし、研究グループの特定のニーズに応じて、正の選択マーカーと陰の選択マーカーの任意の組み合わせを使用できます。
1. 選択カセットをターゲット領域に挿入します
2. 選択カセットを希望の変更に交換します
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IL12をコードする腫瘍溶解性ヘルペスウイルスの生成
この研究の導入セクションで概説されているように、組換えの潜在的な応用の1つは、免疫治療の可能性を高めることを目的として、腫瘍溶解性ウイルスのゲノムに免疫賦生導入遺伝子を挿入することです。以下に、HSV-1に基づく腫瘍溶解ベクターを用いたそのような応用例を示します。具体的には、この研究では、HSV-1ゲノムのUs1-Us2領域内の遺伝子間遺伝子座への導入遺伝子挿入の影響を調査します。実際、ウイルスゲノム内の挿入はウイルスの機能に有害であることが判明し、複製欠陥を引き起こし、in vivoの抗腫瘍効果と製造収量の両方を損なう可能性があります。このような問題により、最終的には製造プロセスが臨床開発要件と互換性がなくなる可能性があります。本研究では、構成的真核生物プロモーター(増強型CMV)と、それに続く短い5'非翻訳領域(UTR)、マウスIL-12のコード配列、ポリアデニル化シグナル(BGH)を含む発現カセットを挿入することを目的とした。
IL-12 の選択は、抗腫瘍活性を持つさまざまな免疫細胞...
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この「RECOMBINEERING」(相同RECOMBInationを介した遺伝的エンジニアリング)プロトコルは、2段階の戦略を使用します:1つ目は、選択カセットを目的のゲノム遺伝子座に統合し、2つ目は、このカセットを目的の修飾に置き換えます(図1)。
使用される選択マーカーには、アンピシリン耐性(AmpR)、ベータガラクトシダーゼ(β-gal)、およびsacBが含まれます。AmpRは抗生物質耐性に基づく選択を可能にし、β-galは青/白スクリーニングを可能にし、sacBは逆選択のためのスクロース感受性を付与します。カセットを統合するコロニーは、誘導プレート上で青色に見えます。非誘導コントロールの成長は、低品質の材料を示唆しています。続行する前に、すべてのマーカーの機能を検証する必要があります。
2番目のステップでは、sacB発現により、スクロースプレート上の逆選択が可能になります。コロニーは、sac...
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著者には、開示すべき関連する金銭的または非金銭的利益はありません。
この研究は、PRIN 2022-MUR Italy、Grant 20224NCSN5 (PreMeRetHOn) によって支援されました。POR Campania: piattaforma per lo sviluppo di nuove tecnologie vaccinali.PNRR CN3 RNA技術に基づく国立遺伝子治療・医薬品センターPNRR PE13 新興感染症に対するアンメットニーズに対処するワンヘルスの基礎的およびトランスレーショナルリサーチ活動。著者らは、カスタムDNAを提供してくれたGeneart合成サービスに感謝しています。著者らはまた、この研究の成功に貢献したミケーレ・ヴェネルーソ氏にも心からの感謝の意を表します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アンピシリン | 任意 | 任意 | 分子グレード |
| オリゴが増幅するために Il-12: CTGGCTAGCGTTTAA ACGGGCCCTCTAGACTCG AGCGGCCGCACGCCACCA TGTGTCCTCAGAAGCTAACC | 任意 | 任意 | HPLC精製 |
| オリゴからAmplofy AmpR/LacZ/SacB へ;カセット: CTGGCTAGCGTTTAAA CGGGCCCTCTAGACTCGAG CGGCCGCACGCCACCACC CCTATTTGTTTTTTTC | 任意 | 任意 | HPLC精製 |
| IPTGの | 任意 | 任意 | 分子グレード |
| LB寒天培地 | |||
| LBミディアム | |||
| Phusion ホットスタート II 高忠実度 DNA ポリメラーゼ | サーモサイエンティフィック | F549S | |
| Il12を増幅するリフレボオリゴ:GGCAACTAGAAGGCA CAGTCGAGGCTGATCAGC GGTTTAAACTTAAGCTTTC AGGCGGAGCTCAGATAG | 任意 | 任意 | HPLC精製 |
| Rev oligo から amplofy AmpR/LacZ/SacB カセット: GGCAACTAGAAGGCAC AGTCGAGGCTGATCAGC GGTTTAAACTTAAGCTTT TATTTGTTAACTGTTAATTG | 任意 | 任意 | HPLC精製 |
| SacB/AmpR/LacZ選択カセット | この原稿 | - | - |
| 蔗糖 | 任意 | 任意 | 分子グレード |
| SW102 と BAC-HSV-1 または BAC-Adv | この原稿 | - | - |
| トリプトン | 任意 | 任意 | 分子グレード |
| ウィザードSVジェル | プロメガ | A9281 | |
| エックスギャル | 任意 | 任意 | 分子グレード |
| 酵母エキス | 任意 | 任意 | 分子グレード |
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