$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Вирусные векторы стали мощными инструментами в генной терапии, онколитической виротерапии и разработке генетических вакцин благодаря их естественной способности доставлять генетический материал в клетки-хозяева. Они используют естественный тропизм и механизмы трансдукции вирусов, способствуя как переходной, так и долгосрочной экспрессии генов. Они способны выживать во внеклеточной среде, прикрепляться к специфическому клеточному рецептору (определяющему вирусный тропизм) и способствовать его интернализации, захватывать механизм экспрессии генов клетки-хозяина и управлять экспрессией своих собственных генов, а также ускользать от мембраносвязанных и внутриклеточных рецепторов врожденного иммунного плеча.. Таким образом, после продуктивной вирусной инфекции вирусы превращают клетки в фабрики вирусного потомства, которые распространяют новые вирусы в организме, в конечном итоге вызывая заболевание.
Вирусы дикого типа могут быть преобразованы в биотехнологический инструмент с помощью генной инженерии: их геномом можно легко манипулировать, чтобы сохранить способность к трансдукции и получить клинический результат. Основываясь на их клиническом применении, вирусные векторы могут быть сконструированы таким образом, чтобы сохранять (по крайней мере, частично) или абнулировать их репликационную компетентность для получения либо репликативно-компетентных, либо некомпетентных в репликациивекторов 3,4.
Репликационно-компетентные вирусы в основном предназначены для онколитических вирусных целей. Раковые клетки, часто испытывающие дефицит противовирусной защиты1, позволяют реплицироваться ослабленным рекомбинантным вирусам, сконструированным путем делеции генов вирулентности. Эти вирусы избирательно реплицируются в опухолях, щадя при этом нормальные ткани. По мере развития понимания вирусологии ослабленные вирусы были вытеснены более точными модификациями генома, предназначенными для повышения безопасности и терапевтической эффективности.
К числу областей, требующих хирургической молекулярной инженерии вирусных геномов, относятся: i) Репликационно-обусловленные онколитические вирусы, в которых вирусные промоторы заменяются опухолеассоциированными промоторами (клеточными промоторами, чрезмерно транскрибируемыми в опухолевых клетках), тем самым ограничивая экспрессию вирусных генов больными клетками. ii) Вирусы с измененным тропизмом 6,7, где гликопротеины оболочки, определяющие инфекцию, могут быть модифицированы или заменены фрагментами антител или лигандами, нацеленными на белки, сверхэкспрессируемые на опухолевых клетках 8,9. iii) Вооруженные онколитические вирусы. Индуцированная онколитическими вирусами гибель опухолевых клеток вызывает иммуногенную гибель клеток (ИКД), характеризующуюся высвобождением медиаторов воспаления 1,10 и опухолевых антигенов11. Эти сигналы способствуют эффективному распознаванию опухолевых антигенов иммунной системой, восстанавливая эпиднадзор12и обеспечивая возможность комбинации с ингибиторами иммунных контрольных точек 13,14,15 и другими иммунотерапевтическими средствами, такими как терапия на основе РНК и вакцины16.
В поддержку этого иммунотерапевтического эффекта представляющие интерес трансгены могут быть закодированы в вирусном геноме, тем самым используя вирус не только из-за его онколитической активности, но и для усиления его иммунотерапевтического потенциала за счет производства in situ соответствующих полезных нагрузок 3,7,17,18,19. Эти полезные нагрузки могут содержать цитокины, хемокины, антитела, гены самоубийства и антигены 3,20. Вставка требует точности, при этом предпочтение отдается межгенным областям вирусного генома, чтобы свести к минимуму нарушение вирусных генов и сохранить репликацию и потенцию. Таким образом, методы, которые позволяют проводить скрининг как оптимальных сайтов введения, так и представляющих интерес трансгенов, имеют важное значение.
С другой стороны, в контексте нерепликативных вирусов, используемых для генной терапии или в качестве носителей для генетических вакцин, важно, чтобы вирусный вектор доставлял трансген (либо временно, либо долго) без репликации в клетку-хозяина, чтобы избежатьтоксичности. Аденовирусные векторы характеризуются высокой эффективностью трансдукции, устойчивой экспрессией трансгенов и способностью инфицировать как делящиеся, так и неделящиеся клетки3. Эти свойства сделали их первыми в своем классе для разработки генетических вакцин, в том числе против новых инфекционных заболеваний, таких как COVID-19, а также для заместительной геннойтерапии22. Самым известным примером аденовирусного вектора, попавшего на рынок, является вакцина Oxford-AstraZeneca против COVID-19, известная под коммерческим названием Covishield или Vaxzevria, основанная на модифицированном аденовирусе шимпанзе ChAdOx1, кодирующем спайковый белок SARS-CoV-2. При внутримышечном введении Covishield способен проникать внутрь клеток и индуцировать экспрессию белка Spike, подготавливая иммунную систему к формированию иммунного ответапротив него.
Существует явная потребность в модификации вирусных геномов, не ограничиваясь сайтами распознавания ферментов рестрикции. Среди онколитических вирусов векторы на основе вируса простого герпеса-1 (ВПГ-1) обладают уникальными преимуществами, включая литическую способность, безопасность и большой размер генома, что позволяет встраивать значительные трансгены или множественные генетические элементы23,24. Помимо ВПГ, многие другие вирусы демонстрируют терапевтические перспективы, как недавно было рассмотрено в Sasso et al.3. Вместо универсального «лучшего в своем классе» вектора, различные вирусные платформы подходят для различных терапевтических потребностей3. В настоящее время гомологичные рекомбинационные системы в клонировании бактерий или гибридных дрожжев-бактерий остаются наиболее распространенными альтернативами ферментам рестрикции, но они трудоемки, многоступенчаты инеэффективны.
Новой альтернативой является использование CRISPR/Cas9, недавно примененного для создания геномов вирусов, включая вирус коровьей оспы (VV), вирус простого герпеса и аденовирусные векторы. Cas9 призывает к инактивации генов с помощью индель-мутаций, но становится менее практичным, когда требуются множественные разрезы для удаления сегментов генома или вставки трансгена через донорскую ДНК. Кроме того, редактирование ограничено дизайном гРНК, нецелевыми эффектами как в вирусном, так и в геноме хозяина, а также зависимостью от последовательностей PAM в областях, представляющих интерес.
Имея это в виду, а также на двух примерах, основанных на ВПГ и аденовирусе, данная статья иллюстрирует метод рекомбинации, который может быть применен широко — от вирусов до бактериофагов, сложных плазмид и различных экспериментальных систем. Рекомбинирование (гомологичное генетическое образование, опосредованное RECOMBInation) — это метод генной инженерии in vivo , используемый в основном для Escherichia coli, который использует зависящие от температуры белки рекомбинации бактериофагов для катализа гомологичной рекомбинации между элементами ДНК с гомологией всего 30.о.26. Этот подход позволяет точно вставлять, делеировать или модифицировать последовательности независимо от сайтов рестрикции или размера ДНК. В данной рукописи мы описываем версию, основанную на индуцируемом нагреванием штамме E. coli SW102, хотя доступны и альтернативные штаммы со специфическими индуцируемыми системами27.
Рекомбинация начинается с подготовки электрокомпетентных бактериальных клеток с помощью контролируемого температурного шока для активации механизма рекомбинации фагов. Молекулы ДНК, несущие соответствующие гомологические плечи, затем подвергаются электропоре. Это могут быть двухцепочечные ДНК (дцДНК), полученные путем рестрикционного расщепления или ПЦР, или одноцепочечные ДНК (одноцепочечные ДНК), такие как олигонуклеотиды. Наличие гомологичных последовательностей вместе с активными рекомбинационными белками позволяет создавать новые молекулы ДНК с желаемой модификацией.
Технология рекомбинирующего молекулярного клонирования обеспечивает точную генную инженерию и применяется в различных контекстах, включая вставку селективных или неселективных маркеров в плазмиды, бактериальную хромосомную ДНК и бактериальные искусственные хромосомы (БАС). БАС особенно ценны для клонирования больших фрагментов генома, включая аденовирусную ДНК и ДНК ВПГ, что позволяет быстро производить вирусные векторы. Помимо трансляционных приложений, рекомбинирование также поддерживает фундаментальные исследования, позволяя целенаправленно делеировать, модифицировать или заменять вирусные гены или белковые домены. Рекомбинирование имеет некоторые ограничения: короткие плечи гомологии препятствуют рекомбинации в повторяющихся областях; Субстраты, амплифицированные с помощью ПЦР, могут иногда вносить мутации; и последовательность целевой области должна быть известна.