The linear covalently closed (LCC) DNA minivector (DNA ministring) is a non-viral gene delivery vector offering high transfection efficiency and is relevant to any DNA delivery application. The production system is simple, rapid, and scalable in vivo. The following protocol provides visual step-by-step instructions for the production of DNA ministrings.
Abbiamo costruito lineari covalente chiusi minivectors (LCC) del DNA come un non-virale gene-delivery vettore alternativo prodotto tramite una semplice piattaforma in vivo. Ministrings DNA possiedono un profilo di sicurezza intensificata e anche fornire in modo efficiente il carico del DNA di cellule bersaglio. vettori di DNA convenzionali portano sequenze procariote indesiderati, tra cui geni di resistenza agli antibiotici, motivi CpG, e le origini di replicazione batteriche, che possono portare alla stimolazione della risposta immunitaria dell'ospite. La biodisponibilità di vettori di DNA convenzionali è anche compromessa a causa della loro dimensione molecolare maggiore. La loro natura circolare può anche impartire l'integrazione cromosomica, che porta alla mutagenesi inserzionale.
sequenze batteriche sono asportati dal minivectors DNA, lasciando solo il gene di interesse (GOI) e necessari elementi di espressione eucariotiche. I nostri minivectors LCC DNA, o ministrings DNA, sono privi di sequenze batteriche immunogeniche; migliorando quindi esimobiodisponibilità EIR ed espressione GOI. Nel caso di vettori integranti nel cromosoma, il Ministring LCC DNA lethally perturbare cromosoma ospite, eliminando così il mutante potenzialmente pericolosa dalla popolazione di cellule proliferanti. Di conseguenza, ministrings DNA offrono i vantaggi di DNA 'minicircolo', eliminando il rischio di eventi di integrazione vettore indesiderati. In confronto ai plasmidi convenzionali e le loro controparti in modo covalente chiusi isogenici circolari (CCC), ministrings DNA dimostrano biodisponibilità superiore, l'efficienza di trasfezione, e la cinetica citoplasmatici – che quindi richiedono minori quantità di tensioattivi cationici per un'efficace trasfezione di cellule bersaglio.
Abbiamo costruito un solo passaggio inducibile sistema vivo per la produzione di ministrings DNA in Escherichia coli che è semplice da utilizzare, rapida e scalabile.
L'obiettivo è quello di produrre quantità scalabili di lineare covalente chiuso minivectors (LCC) DNA utilizzando un solo passaggio in vivo DNA sistema di produzione Ministring semplice e ad alto rendimento termico-inducibile. ministrings DNA forniscono una strategia sicura ed efficace non virale per fornire DNA. Essi combinano la sicurezza dei vettori LCC con l'efficienza di minicircoli DNA, e offrono anche un'alternativa più sicura per i vettori di virus di derivazione senza compromettere l'efficienza di trasfezione.
Affinché un sistema di consegna transgene successo, il vettore DNA deve entrare nella cellula host di destinazione ed esprimere il transgene codifica (s). Ci sono diverse barriere cellulari che devono essere superate nella pratica, soprattutto nei mammiferi. Per evitare la degradazione da nucleasi siero e rilevazione immune sistema reticolo-endoteliale, il vettore di DNA deve essere bio e compatibile immunitario con sistema di destinazione. DNA non protetto è rapidamente digerito da nucleasi plasmae la membrana plasmide è composto di barriere lipoproteine dense così il vettore di DNA deve poter rapidamente attraversare la membrana plasmatica delle cellule bersaglio. Una volta nella cellula, vettori devono attraversare citoplasma e passare attraverso la membrana nucleare per inserire il nucleo di espressione del transgene. le tecniche di trasferimento dei geni non virali si concentrano sulla valorizzazione del tessuto-e cellule-targeting. Tuttavia, l'uso di plasmidi convenzionali con queste tecniche riduce l'efficienza di trasfezione per la presenza di sequenze batteriche immunogenici, che fa tacere rapidamente l'espressione genica 1,2. plasmidi convenzionali tipicamente portano geni resistenti agli antibiotici per la manutenzione in sistemi procarioti. Tuttavia, questi possono produrre effetti potenzialmente negativi per ospiti umani oa conferire resistenza alla naturale flora host tramite effetti trasferimento genico orizzontale. Plasmidi convenzionali contengono anche dinucleotide CpG motivi 2, che può innescare una risposta immunostimolante indesiderata, potenzialmenteridurre o tacere espressione del transgene.
Come si comprendono solo della cassetta di espressione eucariotica, minivectors DNA, come minicircoli DNA 3, sono una migliore alternativa per la consegna del gene in quanto presentano migliorate biodisponibilità extracellulare e intracellulare e una migliore espressione genica causa delle loro dimensioni ridotte e l'assenza di elementi procariote immunostimolante 4. Le dimensioni ridotte tariffe vettore migliori rispetto alla resistenza alle forze di taglio associate alla somministrazione in vivo di un sito di destinazione 5. Il numero di copie superiore del vettore per unità di massa richiede meno reagente di trasfezione, diminuendo così la tossicità. Tuttavia, nel caso di integrazione vettore casuale in un cromosoma ospite, circolarmente covalentemente chiuso vettori (CCC), inclusi sia minicircoli DNA e plasmidi convenzionali, conferire continuità molecolare e quindi può portare a mutagenesi inserzionale, che può avere conseguenze devastanti <sup> 6. Comparativamente, l'integrazione di un vettore di DNA lineare interrompe il cromosoma e avvia percorsi di morte cellulare, eliminando così la cellula mutante dalla popolazione di cellule proliferanti e prevenire mutagenesi inserzionale 7. Minimalista espressione genica immunologicamente definito (MIDGE) Vettori 8 e vettori micro-lineare 9 (MiLV) sono vettori LCC DNA sviluppati in vitro. Vettori Midge hanno mostrato fino ad un 17-fold migliorato l'espressione del transgene in vivo rispetto al DNA plasmide convenzionale vettori 11, e hanno dimostrato risultati promettenti in vaccino 10 e il cancro 8 terapia genica. Inoltre, a causa della struttura senza torsione del MINIVECTOR LCC, meno reagente di trasfezione è necessaria rispetto alla controparte CCC supercoiled, riducendo così la tossicità 7.
Le nostre avanzate vettori LCC DNA, ministrings DNA, hanno dimostrato l'efficienza espressione superiore e bioavailabilità 7. Inoltre, ministrings DNA sono prodotti su un vivo sistema di produzione di uno stadio di calore-inducibile in, un espediente e conveniente alternativa al Midge e MiLV LCC vettori, che richiedono più passaggi in vitro. Il sistema di produzione Ministring DNA da dimostrare è un semplice processo di calore-inducibile eseguiti in vivo, il che rende sia conveniente e facilmente scalabile. Questo sistema sfrutta la Yersinia enterocolitica batteriofago Tel / PAL PY54-derivato sistema ricombinazione 12 protelomerase per separare il minimo cassetta di espressione eucariotica dalla spina dorsale plasmide procariote. Abbiamo progettato Escherichia coli (W3NN) per esprimere Tel protelomerase sotto il controllo del calore-inducibile batteriofago λ promotore, cI [Ts] 857 13. Al espressione, Tel protelomerase agisce sui siti di destinazione PAL presenti all'interno di "Super Sequence" (SS) siti situati sul plasmide precursoreper produrre prodotti LCC, da cui il Ministring DNA può essere purificato (Figura 1). I siti SS sul plasmide DNA Ministring precursore codificare anche siti bersaglio per altre ricombinasi tra cui Cre ricombinasi (LOX), TELN protelomerase (telRL) e Flp ricombinasi (FRT), facilitando in tal modo la produzione di LCC isogenico e minivectors CCC da un plasmide precursore. Inoltre, ogni sito SS è affiancato su entrambi i lati da SV40 enhancer sequenze (SV40e), che servono a migliorare la traslocazione nucleare 14. Abbiamo dimostrato altrove che successiva aggiunta di SV40e conferisce progressivamente corrispondente aumento di efficienza di trasfezione 7. Il plasmide precursore (pDNA MiniString o PDMS) contiene un polylinker (Figura 1) per facilitare l'inserimento di qualsiasi gene di interesse desiderato in fusione trascrizionale con il reporter fluorescente verde (GFP).
La tecnologia MINIVECTOR DNA puòessere utilizzata al posto di metodi convenzionali per trasferimento genico, espressione di geni reporter, e le valutazioni verso l'efficienza di espressione del transgene in sistemi eucariotici. ministrings DNA combinano la biocompatibilità e l'aumento dei benefici di efficienza trasfezione di vettori "mini" con il profilo di sicurezza superiore di vettori di DNA lineari. La nostra solida piattaforma di produzione di uno stadio rapidamente e facilmente produce ministrings DNA per qualsiasi applicazione trasferimento genico e offre un profilo di sicurezza più elevato.
Descriviamo qui un sistema semplice per la produzione di ministrings LCC DNA utilizzando un calore inducibile protocollo one-step, che non richiede particolari attrezzature oltre a quello che viene utilizzato nella crescita batterica tipica e manipolazione. ministrings DNA sono stabili, cassette di espressione del DNA lineari senza torsione, prive di elementi genetici procarioti. Essi possono essere utilizzati al posto dei metodi convenzionali per trasferimento genico, espressione di geni reporter, nonché nelle valutazioni verso l'efficienza di espressione del transgene in sistemi eucariotici. ministrings DNA combinano la biocompatibilità e l'aumento dei benefici di efficienza trasfezione di vettori "mini" con il profilo di sicurezza superiore di vettori di DNA lineari. Il nostro robusto un'unica fase nella piattaforma di produzione vivo rapidamente e facilmente produce ministrings DNA per qualsiasi applicazione trasferimento genico senza la necessità di più processi costosi in vitro.
Ci sono diversi passaggi critici digarantire una produzione ottimale Ministring (figure 2 e 3). induzione di calore è la fase più critica per Ministring produzione. Completa mancanza di Ministring produzione è molto probabilmente a causa della mancanza di induzione di calore (le cellule conservate a 30 ° C), dove la repressione di espressione protelomerase impedisce la conversione del precursore plasmide per LCC Ministring. A seguito del protocollo di induzione di calore, si aspettano una efficienza di produzione di circa il 75%. induzione di calore è ottimale, mentre le cellule sono in fase di log. Anche se non vi è alcuna differenza statisticamente significativa nella Ministring PE quando si utilizzano le cellule in fase stazionaria ( "Overgrown", figura 3), abbiamo fatto osservare quasi una diminuzione del 50% nel rendimento complessivo plasmide. I rendimenti dipenderanno dal protocollo di estrazione plasmide usato. Per la produzione ottimale Ministring, innescare induzione di calore mentre le cellule sono in fase di log. produzione Ministring Poor sarà molto probabilmente il risultato di cambio marcia temperatura prolungata o insufficient scalata della temperatura. Passaggio alla marcia superiore della temperatura prolungata è sconsigliato in quanto questo attiva il E. coli risposta allo shock termico 15, che possono inibire l'attività protelomerase e interferire con la stabilità plasmide. Pertanto, i tempi della scalata di temperatura è un altro passo fondamentale per la produzione di Ministring efficiente. Senza tempo di incubazione supplementare a 30 ° C, Ministring efficienza di produzione è risultato essere molto poveri ( "cancellazione anticipata", figura 3). Ciò può essere attribuito alla quantità di tempo richiesto per l'espressione e l'attività Tel. L'originario profago codifica PY54 Tel protelomerase infetta normalmente Yersinia, che cresce in modo ottimale intorno a 28 ° C 12, indicando che 30 ° C può anche essere più ottimale per l'attività Tel.
Il sistema di produzione MINIVECTOR DNA utilizza una piattaforma in vivo per generare alta qualità batteriche minivectors DNA libero-sequenza. Le modifiche al protocollo PossoNCLUDE modifica i terreni di crescita per ottimizzare plasmid e produzione di proteine al fine di promuovere la crescita delle cellule durante la fase di crescita (TB anziché LB), o aumentare MiniString produzione ed efficienza di conversione. Per i volumi più grandi della cultura (200 ml e maggiori), scalata di temperatura e di incubazione a 30 ° C può essere esteso durante la notte senza grave impatto negativo sulla Ministring PE. Abbiamo incluso modifiche nostro protocollo per 500 ml culture come un esempio. Purificazione di ministrings DNA può essere accelerato attraverso in vitro endonucleasi digestione della spina dorsale procariote. Ci sono un certo numero di siti bersaglio di endonucleasi (ad esempio, PI-SCEI, Pvul, SCAI) disponibile sul backbone procariotico del plasmide precursore, che può essere tagliato per esporre lineari estremità aperte, permettendo degradazione in vitro del backbone procariotico. Isolamento di ministrings da altre specie vettore può essere ottenuta anche attraverso la cromatografia a scambio anionico membrana 16.
Una limitazione di corrente associata con il sistema produttivo vettoriale LCC DNA è la necessità di purificazione del DNA Ministring da altri prodotti LCC e CCC. Sebbene facilmente purificato utilizzando metodi di isolamento plasmide standard, la fase di isolamento può essere ancora uno svantaggio in un ambiente su larga scala. La separazione del Ministring può richiedere molto tempo utilizzando AGE se il Ministring e la spina dorsale procariote LCC sono troppo simili per dimensioni. In alternativa, l'anione cromatografia a scambio membrana può fornire una migliore separazione dei ministrings da specie CCC vettore 16. Temperatura cambio marcia può essere un altro potenziale limitazione come alte temperature attivano anche la risposta di shock termico in E. coli, che influisce negativamente sulla proteina ricombinante produce 17 e di conseguenza ridurre i tassi di plasmide per Ministring conversione. Riportiamo altrove ottimizzazioni della piattaforma di produzione di aggirare e / o attenuare tali effetti di shock termico 18. Noisono inoltre attualmente ottimizzare i metodi per eliminare o ridurre la contaminazione LCC dorsale procarioti in vivo.
l'integrazione cromosomica del DNA Ministring LCC interrompe il cromosoma ospite e sottopone la cellula all'apoptosi. Non solo questo ridurre i potenziali conseguenze negative di mutagenesi inserzionale quali oncogenesi e silenziamento di geni adiacenti, migliorando in tal modo la sua sicurezza; l'effetto letale può anche servire come un metodo ideale per knock-in e studi sostituzione genica senza gli effetti collaterali associati e danni di integrazione. Vettori MiniString DNA può essere applicato verso il trasferimento e l'espressione dei geni per le proteine terapeutiche, RNA, anticorpi o antigeni in un determinato bersaglio in vivo o sostituire un allele funzionale malfunzionamento o non. La semplice calore inducibile in vivo sistema di produzione di uno stadio permette vettori MiniString DNA per produrre facilmente per applicazioni cliniche o industriali.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori ringraziano i scienze naturali e ingegneria Research Council of Canada (NSERC) per il finanziamento di questo lavoro.
E. coli W3NN | Mediphage | strain for ministring processing: Nafissi & Slavcev, 2012 | |
pDMS.IRES.GFP | Mediphage | parent plasmid for ministring processing: also referred to as pDNA Ministring (pDMS) | |
BD™ Difco™ Dehydrated Culture Media: LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | Fisher Scientific | 244620 | |
Fisher BioReagents™ Terrific Broth | Fisher Scientific | BP2468500 | |
BD™ Bacto™ Dehydrated Agar | Fisher Scientific | 214010 | |
Ampicilin | MP Biomedicals LCC | 2190147 | |
Ultrapure Milipore Water | Fisher Scientific | Z00Q0V0US | Model: Mili-Q Advantage A10 Water Purification System |
Surgical Gloves | VWR | (S) 82026-424, (M)82026-426, (L) 82026-428, (XL) 82026-430 | |
Fisherbrand™ Petri Dishes with Clear Lid Raised Ridge (100 x 15 mm) | Fisher Scientific | FB0875712 | |
30 mL KIMAX® Test Tubes | VWR | 89001-448 | |
Spectrophotometer Cuvette | Sarstedt | 67.74 | |
Sterile 15 mL Falcon Tubes | BD Falcon | 62406-200, | |
Sterile 50 mL Centrifuge Tubes | FroggaBio | 2930-S0 | |
Falcon™ Disposable Polystyrene Serological Pipets 10 mL | BD Falcon | 13-675-20 | |
Falcon™ Disposable Polystyrene Serological Pipets 25 mL | BD Falcon | 13-668-2 | |
Micropipettor (100-1000 μL) | FroggaBio | C1000-1 | |
Micropipettor (20-200 μL) | FroggaBio | C200-1 | |
Sterile Pipette Tips (100-1250 μL) | VWR | 89079-472 | |
Sterile Pipette Tips (1-200 μL) | VWR | 89079-460 | |
Fisher Scientific Economy Burner | Fisher Scientific | 03-917Q | |
Incubator Shaker | New Brunswick Scientific | M1352-00000 | |
Sterile Erlenmeyer Flask (125 mL) | Pyrex (Sigma Aldrich) | CLS4980125 Aldrich | |
Sterile Erlenmeyer Flask (250 mL) | Pyrex (Sigma Aldrich) | CLS4980250 Aldrich | |
Sterile Erlenmeyer Flask (500 mL) | Pyrex (Sigma Aldrich) | CLS4980500 Aldrich | |
Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | 335901 | Model: Genesys 10 Vis |
Floor Centrifuge | Beckman Coulter | 369001 | Model: Avanti J-E |
Benchtop Centrifuge | Beckman | 362114 | Model: GS-6R |
Fisher Scientific Analog Vortex Mixer | Fisher Scientific | 02-215-365 | |
1 kb DNA Ladder | New England BioLabs | N3232S |