Precyzyjna edycja genów stanowi fundament głównych postępów biomedycznych obejmujących opracowywanie nowych strategii walki z chorobami genetycznymi. Na czele technologii edycji genów znajduje się metoda oparta na wykorzystaniu systemu clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9, który został początkowo zidentyfikowany jako element odporności bakteryjnej przeciwko inwazji wirusowego materiału genetycznego (omówiono w referencjach1,2). Główną zaletą systemu CRISPR/Cas9 w porównaniu z innymi narzędziami do edycji genów, takimi jak nukleazy z palcem cynkowym (ZFN) i nukleazy efektorowe podobne do aktywatora transkrypcji (TALEN) (omówiono w referencji3), jest względna prostota projektowania plazmidów i konstrukcji komponentów CRISPR — cecha ta przyczyniła się do rozprzestrzenienia edycji genów z kilku wyspecjalizowanych laboratoriów do znacznie szerszej społeczności badawczej. Dodatkowo prostota programowania CRISPR/Cas9 oraz zdolność do multipleksowego rozpoznawania celów dodatkowo zwiększyły popularność tej technologii jako efektywnej kosztowo i łatwej w użyciu. Wśród różnych metod dostarczania takich komponentów do edycji genów do komórek, wektory wirusowe pozostają zdecydowanie najpopularniejszym i najskuteczniejszym systemem.
Wektory lentiwirusowe (LV) stały się preferowanym nośnikiem do dostarczania komponentów systemu CRISPR/Cas9 in vivo w różnorodnych zastosowaniach4,5,6,7. Kilka kluczowych cech sprawia, że LV są popularnym wyborem w tym procesie, w tym ich zdolność do infekowania zarówno komórek dzielących się, jak i niedzielących się, niska immunogenność oraz minimalna toksyczność komórkowa (przegląd w referencji8). W rezultacie terapia genowa z wykorzystaniem LV była stosowana w leczeniu chorób zakaźnych, takich jak HIV-1, HBV i HSV-1, a także w korekcji defektów leżących u podstaw dziedzicznych chorób ludzkich, takich jak mukowiscydoza i neowaskularna zwyrodzenie plamki4,5,7,9,10,11. Ponadto wektory LV zostały skutecznie zmodyfikowane w celu przeprowadzania multipleksowej edycji genów w różnych locus genomowych przy użyciu pojedynczego systemu wektorowego12.
Jednakże immanentna właściwość LV polegająca na integracji z genomem gospodarza może mieć charakter mutagenny i często ogranicza ich użyteczność jako nośników transgenów, zwłaszcza w zastosowaniach klinicznych. Co więcej, ponieważ stabilnie zintegrowane LV wykazują trwałą, wysoką ekspresję transgenów, system ten nie nadaje się do dostarczania komponentów edycji genów, takich jak CRISPR/Cas9; nadekspresja Cas9-guide RNA (gRNA) oraz podobnych białek, takich jak ZFNs, wiąże się z podwyższonym poziomem efektów off-target, obejmujących niepożądane mutacje13,14,15,16,17 i może potencjalnie zwiększać cytotoksyczność18. Dlatego też, aby osiągnąć precyzyjną edycję genów przy minimalnych efektach off-target, niezbędne jest zaprojektowanie systemów umożliwiających przejściową ekspresję komponentów edycji genów.
W ostatnich latach opracowano wiele platform dostarczania w celu przejściowej ekspresji CRISPR/Cas9 w komórkach16,19,20,21 (przegląd w referencji22). Obejmują one metody opierające się na bezpośrednim wprowadzaniu oczyszczonego białka Cas9 wraz z odpowiednimi przewodnimi RNA do komórek, co okazało się bardziej skuteczne w ukierunkowanej edycji genów w porównaniu z transfekcją za pomocą plazmidów16. Badania wykazały, że kompleksy rybonukleoproteinowe (RNP) składające się z cząsteczek gRNA/Cas9 są szybko degradowane po przeprowadzeniu cięcia DNA w miejscach docelowych, co sugeruje, że krótkotrwała ekspresja tych komponentów jest wystarczająca do uzyskania skutecznej edycji genów16. Można przypuszczać, że nieintegrujące platformy wektorów wirusowych, takie jak wektory wirusów adeno-zależnych (AAV), mogą stanowić realną alternatywę dla dostarczania mechanizmów edycji genów do komórek. Niestety, kapsydy AAV posiadają znacznie niższą zdolność pakowania niż LV (<5kb), co poważnie ogranicza możliwość zapakowania wieloskładnikowego zestawu CRISPR w ramach pojedynczego wektora (przegląd w referencji8). Warto zauważyć, że dodanie związków hamujących deacetylazy histonowe (np. maślan sodu23) lub blokujących cykl komórkowy (np. kofeinę24) może zwiększać miana lentiwirusów. Pomimo postępów, systemy ekspresji przejściowej opracowane do tej pory wciąż borykają się z kilkoma wadami, takimi jak niższa wydajność produkcji, co prowadzi do zredukowanych mian wirusów, oraz niska wydajność transdukcji wirusów generowanych za pomocą takich podejść25.
Lentiwirusowe wektory pozbawione integrazą (IDLVs) stanowią istotny postęp w opracowywaniu nośników dostarczania genów, ponieważ łączą zdolność pakowania charakterystyczną dla LV z dodatkową zaletą utrzymywania episomalnego w komórkach, podobnie jak w przypadku AAV. Cechy te pozwalają IDLVs w dużej mierze uniknąć głównych problemów związanych z wektorami integrującymi, takich jak ciągła nadekspresja potencjalnie genotoksycznych elementów oraz mutagenność indukowana przez integrację. Wcześniej wykazano, że IDLVs mogą być skutecznie modyfikowane w celu zwiększenia ekspresji genów episomalnych26,27. W odniesieniu do dostarczania CRISPR/Cas9 za pomocą IDLV, niskie miana produkcji oraz niższa ekspresja genomów przenoszonych episomalnie w porównaniu z systemami lentiwirusowymi posiadającymi integrazę ograniczają ich użyteczność jako bona fide narzędzi do dostarczania transgenicznych konstruktów do edycji genomu. Niedawno wykazaliśmy, że zarówno ekspresja transgenu, jak i miana wirusowe związane z produkcją IDLV są znacząco zwiększone dzięki włączeniu miejsc wiązania dla czynnika transkrypcyjnego Sp1 w obrębie wirusowej kasety ekspresyjnej28. Zmodyfikowane IDLVs skutecznie wspierały edycję genów za pośrednictwem CRISPR zarówno in vitro (w komórkach HEK-293T), jak i in vivo (w postmitotycznych neuronach mózgowych), wywołując przy tym minimalną liczbę mutacji poza docelowych w porównaniu z odpowiadającymi im systemami opartymi na ICLV28. Podsumowując, opracowaliśmy nowy, kompaktowy, zintegrowany zestaw narzędzi CRISPR przenoszony na platformie IDLV i opisaliśmy różnorodne zalety stosowania takiego nośnika w celu usprawnienia edycji genów.
W niniejszym dokumencie opisano protokół produkcji systemu IDLV-CRISPR/Cas9, obejmujący poszczególne etapy składania, oczyszczania, zagęszczania i miareczkowania IDLV, a także strategie walidacji skuteczności edycji genów za pomocą tych wektorów. Protokół ten można łatwo skalować w zależności od potrzeb badaczy i został on opracowany tak, aby skutecznie generować wektory LV o mianach w zakresie 1 x 1010 jednostek transdukcyjnych (TU)/mL. Wektory wytworzone zgodnie z tym protokołem mogą być wykorzystane do wydajnego zakażania kilku różnych typów komórek, w tym trudnych do transdukcji embrionalnych komórek macierzystych, komórek krwiotwórczych (limfocytów T i makrofagów) oraz neuronów hodowlanych i wstrzykiwanych in vivo. Ponadto protokół ten jest równie odpowiedni do produkcji wektorów lentiwirusowych kompetentnych integrazowo w podobnych ilościach.

Rycina 1: Pakowanie IDLV. (a) Schemat białka integrazą typu dzikiego (b) Modyfikowany plazmid został wyprowadzony z psPAX2 (szczegóły patrz w sekcji Metody, konstrukcja plazmidu). Reprezentatywny obraz żelu agarozy klonów przesiewanych pod kątem zmutowanych klonów integrazą. Próbki DNA przygotowane za pomocą standardowego mini-zestawu do izolacji plazmidowego DNA analizowano poprzez trawienie EcoRV i SphI. Prawidłowo trawiony klon (numer 5, przerywana czerwona ramka) został następnie zweryfikowany za pomocą bezpośredniego sekwencjonowania (Sanger) pod kątem substytucji D64E w INT. Kaseta pakująca pozbawiona integrazą została nazwana pBK43. (c) Schemat protokołu przejściowej transfekcji zastosowanego do generowania wektorów IDLV-CRISPR/Cas9, przedstawiający komórki 293T transfekowane kasetami VSV-G, pakującą oraz kasetą transgenu (plazmid all-in-one Sp1-CRISPR/Cas9). Cząstki wirusowe wypączkowujące z błony komórkowej zawierają pełnowymiarowe RNA wektora (wyrażane z kasety transgenu). Zastosowano drugą generację systemu pakowania IDLV, która obejmuje białka regulacyjne Tat i Rev. Ekspresja Rev jest dodatkowo uzupełniana z oddzielnej kasety (plazmid RSV-REV). Skróty: LTR – długa powtórka końcowa, VSV-G – białko G wirusa zapalenia jam ustnych pęcherzykowego, pCMV – promotor cytomegalowirusa; promotor wirusa białaczkowego ptaków (RSV); RRE – element odpowiedzi Rev (Rev Response Element). Inne elementy regulacyjne w kasecie ekspresyjnej obejmują miejsca wiązania Sp1, element odpowiedzi Rev (RRE), posttranskrypcyjny element regulacyjny wirusa zapalenia wątroby świstaka (WPRE), promotor czynnika elongacyjnego 1α (EFS-NC), element pakowania wektora ψ (psi), ludzki promotor Cytomegalowirusa (hCMV) oraz ludzki promotor U6. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.