アデノ随伴ウイルス(AAV)キャプシド変異体のエンジニアリング、バーコード化、スクリーニングによる次世代遺伝子治療ベクターの単離(英語)
Summary
次世代AAVの作成のための新規特性を持つ候補のバーコード化によるAAVペプチドディスプレイライブラリの生成とその後の検証。
Abstract
アデノ随伴ウイルス(AAV)に由来する遺伝子送達ベクターは、遺伝病の治療のための最も有望なツールの1つであり、有望な臨床データといくつかのAAV遺伝子治療の承認によって証明されています。AAVベクターの成功の2つの主な理由は、(i)異なる特性を持つさまざまな天然に存在するウイルス血清型の事前分離、および(ii)その後の分子工学とハイスループットでの転用のための強力な技術の確立です。これらの技術の可能性をさらに高めるために、最近、選択されたAAVカプシドをDNAおよびRNAレベルでバーコード化するための戦略が実装され、単一の動物のすべての主要な臓器および細胞タイプで包括的かつ並行したin vivo層別化が可能になります。ここでは、AAVペプチドディスプレイを使用して、利用可能なカプシドエンジニアリング技術の多様な武器を表す、この一連の補完的な手段を網羅する基本的なパイプラインを紹介します。したがって、まず、所望の特性を有する候補のin vivo選択のためのAAVペプチドディスプレイライブラリを生成するための極めて重要なステップを説明し、続いて、二次in vivoスクリーニングのために最も興味深いカプシド変異体をバーコード化する方法のデモンストレーションを行います。次に、バーコード増幅やアダプターライゲーションを含む次世代シーケンシング(NGS)用のライブラリ作成の方法論を例示し、NGSデータ解析中の最も重要なステップの概要で締めくくります。ここで報告されているプロトコルは汎用性と適応性があるため、研究者はそれらを簡単に利用して、お気に入りの疾患モデルや遺伝子治療アプリケーションに最適なAAVキャプシドバリアントを濃縮できます。
Introduction
遺伝子導入療法は、細胞に遺伝物質を導入して、細胞の遺伝物質を修復、置換、または変更して、病気を予防、治療、治癒、または改善することです。遺伝子導入は、インビボとエクスビボの両方で、非ウイルス性とウイルス性の異なる送達システムに依存しています。ウイルスは、標的細胞を効率的に形質導入するために自然に進化しており、送達ベクターとして使用できます。遺伝子治療に使用されるさまざまな種類のウイルスベクターの中で、アデノ随伴ウイルスは、病原性の欠如、安全性、免疫原性の低下、そして最も重要なことに、長期の非組み込み型発現を維持する能力のためにますます使用されています1,2,3。AAV遺伝子治療は、過去10年間でかなりの成果を上げてきました。3つの治療法が、欧州医薬品庁と米国食品医薬品局によってヒトでの使用が承認されています3,4。他の場所でレビューされているように、血友病、筋肉、心臓、神経疾患などのさまざまな疾患を治療するためのいくつかの臨床試験も進行中です3。何十年にもわたる進歩にもかかわらず、遺伝子治療の分野は近年一連の挫折を経験しており4、最も重要なのは、特に筋肉などの巨大な組織、または脳などの到達が困難な組織の場合、用量制限毒性のために保留された臨床試験5での死亡6です。
現在臨床試験で使用されているAAVベクターは、いくつかの例外を除いて天然血清型に属しています1。AAVエンジニアリングは、優れた臓器または細胞特異性と効率を備えたベクターを開発する機会を提供します。過去20年間で、ペプチドディスプレイ、ループスワップ、カプシドDNAシャッフリング、エラー発生型PCR、ターゲットデザインなど、いくつかのアプローチが成功裏に適用され、多様な特性を持つ個々のAAVバリアントまたはそのライブラリが生成されました7。次に、これらは、他の場所でレビューされているように、目的の特性を持つバリアントを選択するために、指向性進化の複数のラウンドにかけられます1,3。すべてのカプシド進化戦略の中で、ペプチドディスプレイAAVライブラリは、比較的簡単に生成でき、高い多様性とハイスループットシーケンシングを達成できるため、進化を追跡できるといういくつかのユニークな特性により、最も広く使用されています。
最初に成功したペプチド挿入AAVライブラリは、ほぼ20年前に記述されました。最初の1つでは、Peraboら8 は、ランダムに生成されたオリゴヌクレオチドのプールが、カプシドから突き出た3倍軸のVP1キャプシドタンパク質のアミノ酸587に対応する位置のプラスミドに挿入された修飾AAV2キャプシドのライブラリを構築しました。アデノウイルスの共感染を用いて、AAVライブラリーを複数回の選択を通じて進化させ、最終的な再標的変異体は、親のAAV28に難治性の細胞株を形質導入できることが示された。その後まもなく、Müllerら9 はライブラリ作成のための2段階システムを導入し、プロトコルを大幅に改善しました。最初に、プラスミドライブラリは、アデノウイルスヘルパープラスミドとともに、キメラカプシドを含むAAVライブラリを生成するために使用されます。このAAVシャトルライブラリは、細胞ごとに1つのウイルスゲノムを導入することを目的として、感染多重度(MOI)の低い細胞に感染するために使用されます。アデノウイルスとの同時感染により、ゲノムとキャプシド9が一致するAAVの産生が保証されます。約10年後、ダルカラ10 は in vivo 指向進化を使用して7m8バリアントを作成しました。この変異体は、10アミノ酸挿入(LALGETTRPA)を有し、そのうち3つはリンカーとして作用し、硝子体内注射後の外網膜を効率的に標的とする10。このエンジニアリングキャプシドは、これまでにクリニックにたどり着いた数少ないエンジニアリングキャプシドの1つであるため、並外れたサクセスストーリーです11。
この分野は、次世代シーケンシング(NGS)技術の導入により、2番目の後押しを経験しました。2014年のAdachi et al.12と2015年のMarsic et al.13の2つの出版物は、バーコード化されたAAVキャプシドライブラリの分布を高精度で追跡するNGSの力を紹介しました。数年後、バーコード領域のNGSは、カプシドの進化に従うようにペプチド挿入領域に適応されました。Körbelinら14は、肺を標的とするAAV2ベースのキャプシドを同定するためにNGSガイド下スクリーニングを実施した。NGS分析は、選択ラウンド間の濃縮スコア、組織特異性を決定するための一般的な特異性スコア、そして最後に合計スコア14の3つの評価スコアを計算するのに役立ちました。Gradinaruラボ15は、細胞タイプ特異的な選択を容易にするCre組換えベースのAAVターゲット進化(CREATE)システムを同年に発表しました。このシステムでは、ポリA信号が2つのloxPサイトに隣接しているため、カプシドライブラリはCre反転可能スイッチを備えています。次に、AAVライブラリをCreマウスに注入し、ポリAシグナルがCre+細胞でのみ反転し、リバースPCRプライマーとキャプシド遺伝子内のフォワードプライマーを結合させるためのテンプレートを提供します。この非常に特異的なPCRレスキューにより、AAV-PHPの同定が可能になりました。血液脳関門15を通過できるB変異体。このシステムはさらにM-CREATE(Multiplexed-CREATE)に進化し、NGSと合成ライブラリ生成がパイプライン16に統合されました。
マグワイアラボ17のこのシステムの改良されたRNAベースのバージョンであるiTransduceは、細胞を機能的に形質導入し、そのゲノムを発現するカプシドのDNAレベルでの選択を可能にします。ペプチドディスプレイライブラリーのウイルスゲノムは、ユビキタスプロモーターの制御下にあるCre遺伝子と、p41プロモーターの制御下にあるカプシド遺伝子とを含む。このライブラリーは、tdTomatoの上流にloxP-STOP-loxPカセットを有するマウスに注入される。ウイルスゲノムを発現し、したがってCreがtdTomatoを発現するAAV変異体で形質導入された細胞は、細胞マーカーと組み合わせて、選別および選択することができる17。同様に、Nonnenmacher et al.18およびTabebordbarら19は、カプシド遺伝子ライブラリーを組織特異的プロモーターの制御下に置いた。異なる動物モデルに注射した後、ウイルスRNAを使用してカプシド変異体を単離した。
別の方法は、バーコードを使用してcapsidライブラリにタグを付けることです。ビョルクルンドラボ20 は、このアプローチを使用してペプチド挿入キャプシドライブラリをバーコード化し、バーコード化された合理的なAAVベクトル進化(BRAVE)を開発しました。1つのプラスミドでは、Rep2Capカセットを、倒立末端リピート(ITR)に隣接する黄色蛍光タンパク質(YFP)発現、バーコードタグ付き導入遺伝子の隣にクローニングします。 キャップ の端とバーコードの先頭の間のloxPサイトを使用して、 in vitro Cre組換えにより、NGSに十分小さいフラグメントが生成され、それによってペプチド挿入と固有のバーコード(ルックアップテーブル、LUT)との関連付けが可能になります。AAV産生はプラスミドライブラリを用いて行われ、mRNAで発現されたバーコードは、 in vivo 適用後に再びNGS20でスクリーニングされる。カプシドライブラリがキャプシド遺伝子全体のバリアント(すなわち、シャッフルされたライブラリ)を含む場合、ロングリードシーケンシングを使用する必要があります。いくつかのグループは、バーコードを使用してこれらの多様なライブラリにタグを付け、より高い読み取り深度でNGSを可能にしています。Kay lab21 は、 キャップ ポリA信号の下流にバーコードを使用して、非常に多様なキャプシドシャッフルライブラリにタグを付けました。最初のステップでは、バーコード化されたプラスミドライブラリが生成され、シャッフルされたカプシド遺伝子ライブラリがその中にクローニングされました。次に、MiSeq(ショートリード、より高い読み取り深度)とPacBio(ロングリード、より低い読み取り深度)のNGSとサンガーシーケンシングの組み合わせを使用して、LUT21を生成しました。2019年、チャーチラボ22 のオグデンと同僚は、すべての位置に一点変異、挿入、欠失を持つライブラリを使用して、複数の機能に対するAAV2キャプシド適合性を描写し、最終的に機械誘導設計を可能にしました。ライブラリの生成のために、カプシド遺伝子のより小さな断片を合成し、バーコードでタグ付けし、次世代配列を決定し、次に完全なカプシド遺伝子にクローニングしました。NGSデータはLUTを生成するために使用されました。次に、バーコードとショートリードシーケンスのみを使用してライブラリをスクリーニングし、より高い読み取り深度22を可能にしました。
バーコードライブラリは、カプシドライブラリを数回選択した後、またはカプシド進化研究とは無関係に、既知の天然および工学的バリアントのプールをスクリーニングするために主に使用されてきました。このようなライブラリの利点は、動物の数を減らし、動物間の変動を最小限に抑えながら、複数のカプシドをスクリーニングする機会です。この技術をAAV分野に導入した最初の研究は、ほぼ10年前に発表されました。中井研究室12は、AAV9のVP1上のアミノ酸356〜736をカバーする191個の二重アラニン変異体を12 ヌクレオチドのバーコードでタグ付けした。NGSを用いて、ライブラリーを、ガラクトース結合および他の特性について インビボ でスクリーニングした12。Marsicらは、1年後の二重バーコード分析も使用して、AAV変異体の生体分布を描写した13。非ヒト霊長類を対象としたより最近の研究では、異なる送達経路を使用して29個のカプシドの中枢神経系における生体分布を比較しました23。私たちの研究室は最近、天然および人工AAVを含む183のバリアントのバーコードAAVライブラリ画面を公開しました。DNAおよびRNAレベルでのこれらのスクリーニングは、マウスにおける高筋向性AAV変異体24ならびにマウス脳において高い細胞型特異性を示す他のもの25の同定につながった。
ここでは、この研究で使用された方法論について説明し、AAVペプチドディスプレイライブラリのスクリーニングを含むように拡張します。これには、AAV2ペプチドディスプレイライブラリの生成、定量のためのデジタルドロップレットPCR(dd-PCR)法、そして最後にAAV変異体を分析するためのNGSパイプラインが含まれ、Weinmannらの研究に一部基づいています24。最後に、バーコードAAVライブラリの生成と、同じ出版物で使用されるNGSパイプラインの説明が提供されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルでは、ペプチドディスプレイAAVキャプシドエンジニアリングとバーコードAAVライブラリスクリーニング、およびライブラリ組成とキャプシド性能のバイオインフォマティクス分析に必要な手順が概説されています。このプロトコルは、ほとんどのウイルス学研究所が分子生物学技術の習熟度に匹敵するプログラミングスキルに遅れをとっているため、これらのタイプのライブ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
D.G.は、DFG共同研究センターSFB1129(Projektnummer 240245660)およびTRR179(Projektnummer 272983813)を通じたドイツ研究財団(DFG)、ならびにドイツ感染研究センター(DZIF、BMBF;TTU-HIV 04.819)。
Materials
| Amplification primer | ELLA Biotech (Munich, Germany) | – | Second-strand synthesis of oligonucleotide insert |
| Agilent DNA 1000 Reagents | Agilent Technologies (Santa Clara, CA, USA) | 5067-1504 | DNA fragment validation |
| Agilent 2100 Bioanalyzer System | Agilent Technologies (Santa Clara, CA, USA) | G2938C | DNA fragment validation |
| AllPrep DNA/RNA Mini Kit | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 80204 | DNA/RNA extraction |
| Agilent DNA 1000 Reagents | Agilent Technologies (Santa Clara, CA, USA) | 5067-1504 | NGS Library preparation |
| Agilent 2100 Bioanalyzer System | Agilent Technologies (Santa Clara, CA, USA) | G2938C | NGS Library preparation |
| BC-seq fw: | IDT (San Joce, CA, CA, USA) | ATCACTCTCGGCATGGACGAGC | NGS Library preparation |
| BC-seq rv: | IDT (San Joce, CA, CA, USA) | GGCTGGCAACTAGAAGGCACA | NGS Library preparation |
| β-Mercaptoethanol | Millipore Sigma (Burlington, MA, USA) | 44-420-3250ML | DNA/RNA extraction |
| BglI | New England Biolabs (Ipswich, MA, USA) | R0143 | Digestion of double-stranded insert |
| C1000 Touch Thermal Cycler | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1851196 | dd-PCR cycler |
| dNTPS | New England Biolabs (Ipswich, MA, USA) | N0447S | NGS Library preparation |
| ddPCR Supermix for probes (no dUTP) | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1863024 | dd-PCR supermix |
| Droplet Generation Oil for Probes | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1863005 | dd-PCR droplet generation oil |
| DG8 Cartridges for QX100 / QX200 Droplet Generator | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1864008 | dd-PCR droplet generation cartridge |
| DG8 Cartridge Holder | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1863051 | dd-PCR cartridge holder |
| Droplet Generator DG8 Gasket | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1863009 | dd-PCR cover for cartridge |
| ddPCR Plates 96-Well, Semi-Skirted | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 12001925 | dd-PCR 96-well plate |
| E.cloni 10G SUPREME Electrocompetent Cells | Lucigen (Middleton, WI, USA) | 60081-1 | Electrocompetent cells |
| Electroporation cuvettes, 1mm | Biozym Scientific (Oldendorf, Germany) | 748050 | Electroporation |
| GAPDH primer/probe mix | Thermo Fischer Scientific (Waltham, MA, USA) | Mm00186825_cn | Taqman qPCR primer |
| Genepulser Xcell | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1652660 | Electroporation |
| High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems (Waltham, MA, USA) | 4368814 | cDNA reverse transcription |
| ITR_fw | IDT (San Joce, CA, USA) | GGAACCCCTAGTGATGGAGTT (https://signagen.com/blog/2019/10/25/qpcr-primer-and-probe-sequences-for-raav-titration/) | dd-PCR primer |
| ITR_rv | IDT (San Joce, CA, USA) | CGGCCTCAGTGAGCGA (https://signagen.com/blog/2019/10/25/qpcr-primer-and-probe-sequences-for-raav-titration/) | dd-PCR primer |
| ITR_probe | IDT (San Joce, CA, USA) | HEX-CACTCCCTCTCTGCGCGCTCG-BHQ1 (https://signagen.com/blog/2019/10/25/qpcr-primer-and-probe-sequences-for-raav-titration/) | dd-PCR probe |
| Illumina NextSeq 500 system | Illumina Inc (San Diego, CA, USA) | SY-415-1001 | NGS Library sequencing |
| KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X)* | Roche AG (Basel, Switzerland) | KK2600 07958919001 | NGS sample prepration |
| MagnaBot 96 Magnetic Separation Device | Promega GmbH (Madison, WI, USA) | V8151 | Sample prepration for NGS library |
| NanoDrop 2000 spectrophotometer | Thermo Fischer Scientific (Waltham, MA, USA) | ND-2000 | Digestion of double-stranded insert |
| NGS_frw | Sigma-Aldrich (Burlinght, MA, USA) | GTT CTG TAT CTA CCA ACC TC | NGS primer |
| NGS_rev | Sigma-Aldrich (Burlinght, MA, USA) | CGC CTT GTG TGT TGA CAT C | NGS primer |
| NextSeq 500/550 High Output Kit (75 cycles) | Illumina Inc (San Diego, CA, USA) | FC-404-2005 | NGS Library sequencing |
| Ovation Library System for Low Complexity Samples Kit | NuGEN Technologies, Inc. (San Carlos, CA, USA) | 9092-256 | NGS Library preparation |
| PX1 Plate Sealer | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1814000 | dd-PCR plate sealer |
| Pierceable Foil Heat Seal | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1814040 | dd-PCR sealing foil |
| Phusion High-Fidelity DNA-Polymerase | Thermo Fischer Scientific (Waltham, MA, USA) | F530S | Second-strand synthesis of oligonucleotide insert |
| PEI MAX – Transfection Grade Linear Polyethylenimine Hydrochloride (MW 40,000) | Polysciences, Inc. (Warrington, PA, USA) | 24765-1G | AAV library preparation |
| ProNex Size-Selective Purification System | Promega GmbH (Madison, WI, USA) | NG2002 | Sample prepration for NGS library |
| Phusion Hot Start II Polymerase | Thermo Fischer Scientific (Waltham, MA, USA) | F549L | NGS Library preparation |
| Proteinase K | Roche AG (Basel, Switzerland) | 5963117103 | DNA/RNA extraction |
| pRep2Cap2_PIS | ITR-Rep2Cap2-ITR vector. Peptide insertion site within the Cap2 ORF, manufactured/prepared in the lab | ||
| QX200 Droplet Generator | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1864002 | dd-PCR droplet generator |
| QX200 Droplet Reader | Bio-Rad (Hercules, CA, USA) | 1864003 | dd-PCR droplet analysis |
| QIAquick Nucleotide Removal Kit | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 28306 | Second-strand synthesis of oligonucleotide insert purification |
| QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 28704 | Plasmid vector purification |
| QIAGEN Plasmid Maxi Kit | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 12162 | Plasmid library DNA preparation |
| Qiaquick PCR Purification kit | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 28104 | Sample prepration for NGS library |
| Qubit fluorometer | Invitrogen (Waltham, MA, USA) | Q32857 | NGS Library preparation |
| Qubit dsDNA HS | Thermo Fischer Scientific (Waltham, MA, USA) | Q32851 | NGS Library preparation |
| QuantiFast PCR Master Mix | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 1044234 | Taqman qPCR |
| rep_fw | IDT (San Joce, CA, USA) | AAGTCCTCGGCCCAGATAGAC | dd-PCR primer |
| rep_rv | IDT (San Joce, CA, USA) | CAATCACGGCGCACATGT | dd-PCR primer |
| rep_probe | IDT (San Joce, CA, USA) | FAM-TGATCGTCACCTCCAACA-BHQ1 | dd-PCR probe |
| RNase-free DNase | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 79254 | DNA/RNA extraction |
| SfiI | New England Biolabs (Ipswich, MA, USA) | R0123 | Digestion of vector |
| 5 mm, steel Beads | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 69989 | DNA/RNA extraction |
| TRIMER-oligonucleotides | ELLA Biotech (Munich, Germany) | – | Degenerate oligonucleotide |
| T4 Ligase | New England Biolabs (Ipswich, MA, USA) | M0202L | Plasmid library ligation |
| TissueLyserLT | Qiagen (Venlo, Netherlands) | 85600 | DNA/RNA extraction |
| YFP_fw | IDT (San Joce, CA, USA) | GAGCGCACCATCTTCTTCAAG | dd-PCR primer |
| YFP_rv | IDT (San Joce, CA, USA) | TGTCGCCCTCGAACTTCAC | dd-PCR primer |
| YFP_probe | IDT (San Joce, CA, USA) | FAM-ACGACGGCAACTACA-BHQ1 | dd-PCR probe |
| Zymo DNA Clean & Concentrator-5 (Capped) | Zymo research (Irvine, CA, USA) | D4013 | Vector and Ligation purification |
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