Method Article
Décrit ici est un protocole pour caractériser des modules des miRNAs biologiquement synergiques et de leur assemblage en transgènes courts, qui permet la surexpression simultanée pour des applications de thérapie génique.
La pertinence biologique des microARN (miARN) dans la santé et la maladie repose de manière significative sur des combinaisons spécifiques de nombreux miARN simultanément déréglementés plutôt que l'action d'un seul miRNA. La caractérisation de ces modules miRNAs spécifiques est une étape fondamentale dans la maximisation de leur utilisation en thérapie. Ceci est extrêmement pertinent parce que leurs attributs combinatoires peuvent être pratiquement exploités. Décrit ici est une méthode pour définir une signature spécifique de miRNA pertinente au contrôle des répresseurs oncogènes de chromatine dans le glioblastoma. L'approche définit d'abord un groupe général de miARN qui sont déréglementés dans les tumeurs par rapport au tissu normal. L'analyse est encore affinée par des conditions de culture différentielles, soulignant un sous-groupe de miARN qui sont co-exprimés simultanément au cours d'états cellulaires spécifiques. Enfin, les miARN qui satisfont ces filtres sont combinés en un transgène polycistronique artificiel, qui est basé sur un échafaudage de gènes de grappes de miARN naturellement existants, puis utilisés pour la surexpression de ces modules miRNA dans les cellules réceptrices.
miRNAs offrent une occasion inégalée pour le développement d'une approche de thérapie génique large à de nombreuses maladies1,2,3, y compris le cancer4,5. Ceci est basé sur plusieurs caractéristiques uniques de ces molécules biologiques, y compris leur petite taille6, biogenèse simple7, et la tendance naturelle à fonctionner en association8. Beaucoup de maladies sont caractérisées par des modèles spécifiques d'expression miRNA, qui convergent souvent vers la régulation des fonctions biologiques complexes9. Le but de cette méthode est d'abord de définir une stratégie pour identifier les groupes de miARN qui sont synergiquement pertinents pour des fonctions cellulaires spécifiques. Par conséquent, il fournit une stratégie pour le rétablissement de ces combinaisons miRNA dans les études et les applications en aval.
Cette méthode permet l'analyse fonctionnelle de plusieurs miARN à la fois, en s'appuyant sur leur ciblage simultané d'un grand nombre de MARN, récapitulant ainsi les paysages complexes des maladies. Cette approche a été récemment employée pour définir un groupe de trois miRNAs que 1) sont simultanément downregulated dans le cancer du cerveau et 2) montrent un modèle fort de co-expression pendant la différenciation neurale aussi bien qu'en réponse au stress génotoxique par rayonnement ou un Agent alkylating d'ADN. La réexpression combinatoire de ce module de trois miARN par la méthode de regroupement décrite ci-dessous entraîne une interférence profonde avec la biologie des cellules cancéreuses et peut être facilement utilisée comme stratégie de thérapie génique pour les études précliniques10. Ce protocole peut être particulièrement intéressant pour ceux qui participent à la recherche miRNA et à ses applications translationnelles.
1. Caractérisation des miARN fonctionnellement associés dans le glioblastome
2. Assemblage de modules miRNA dans un cluster transgénique polycistronique
3. Obtenir des Transgènes par synthèse d'ADN
Cette méthode a permis la caractérisation d'un module de trois miRNAs qui sont uniformément downregulated dans les tumeurs cérébrales, qui sont co-exprimées spécifiquement pendant la différenciation neuronale (figure 1) et impliquées dans la réponse de survie de tumeur après thérapie (Figure 2). Ceci est accompli en régulant une voie répressive oncogène complexe de chromatine. Ce modèle de coexpression suggérait une forte activité synergique parmi ces trois miRNAs (Figure 3). Par conséquent, profitant de la petite taille et de la biogenèse simple des miARN, la deuxième partie de ce protocole a été utilisée pour concevoir un transgène (Figure 4) qui pourrait récapituler simultanément l'expression des trois miARN dans les cellules du glioblastome, à la fois in vitro et in vivo, avec des interférences significatives dans la biologie tumorale et l'applicabilité translationnelle prometteuse (Figure 5A,B,C)10. En outre, il a été démontré que le groupe transgénique est également fonctionnel dans un modèle de cancer du sein (Figure 5D, E).
Figure 1 : Caractérisation d'un module miARN fonctionnel dans le glioblastome. (A) Parcelle volcanique représentant les miARN exprimés différemment dans des échantillons de glioblastome humain (n 516) par rapport au cerveau normal (n - 10) obtenus à partir de TCGA. En vert sont miRNAs avec la différence de 4 fois. Le cercle rouge représente les 10 miARN les plus significativement downregulated dans le glioblastoma. (B) Expression relative des 10 miARN sélectionnés dans (A) lors de l'induction de différentes voies de différenciation dans les cellules souches neurales, montrant une régulation claire des modules miR-124, miR-128 et miR-137 lors de l'induction de la différenciation neuronale. Moyenne - DD à partir de trois répliques biologiques (p 'lt; 0.05; 'p 'lt; 0.01; 'p 'lt; '0.001; 'p 'lt; 'lt; 0.0001; T-test de l'étudiant, à deux queues). Ce chiffre a été modifié avec la permission de la référence10. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Confirmation des modèles de coexpression des modules miRNA pendant le stress génotoxique. Expression relative des trois miARN définis dans la figure 1 dans les cellules et les lignées cellulaires multiples de glioblastoma (G62-mesenchymal ; MGG4-proneural; U251, U87 pro-neural-like, et T98G mesenchymal-comme les lignées cellulaires de glioblastoma) après induction de la résistance au temozolomide (TMZ, barres roses) ou rayonnement ionisant (RT, barres vertes). Rapportés sont des moyens avec SD à partir de deux répliques indépendantes. Ce chiffre a été modifié avec la permission de la référence10. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Analyse de la convergence fonctionnelle des targetomes des miARN co-exprimés. Sortie de diagramme de Venn du site Web de bioinformatique et de génomique évolutionnaire, croisant simultanément le targetome des miARN étiquetés avec les ARNm constituant une catégorie d'intérêt GO (dans ce cas, les répresseurs de chromatine). Les ARNm uniquement ciblés par des miARN uniques ont été choisis pour d'autres études fonctionnelles en aval. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Structure 2D d'une séquence de miARN conçue codant les trois amarnades cluster. Sortie graphique du programme RNAweb Fold. Notez la présence de trois structures de boucle de tige bien définies qui représentent les épingles à cheveux de chaque miRNA respectif (miR-124, miR-128, miR-137) codées par le transgène. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : Preuve du traitement des transgènes et de son effet biologique en aval. (A) Quantification relative de l'expression miRNA après transduction médiée par lentiviral des cellules de glioblastome de G34 avec le cluster transgénique de miRNA (cluster 3) ou le contrôle négatif (ctrl). Les moyens rapportés sont des moyens de trois expériences indépendantes - SD. (B) Fluorescence microscope images de g34 glioblastoma sphères exprimant transgène de contrôle négatif vs Cluster 3 transgène. Barre d'échelle de 100 m. (C) Croissance in vivo des xénogreffes humaines intracrâniennes de cellules G34 exprimant le contrôle ou le cluster 3 transgènes. Barre d'échelle de 1 mm. Ce chiffre a été reproduit avec la permission10. (D) Quantification relative de l'expression miRNA après transduction médiée par lentiviral des cellules cancéreuses du sein MDA-MB-231 avec le cluster transgénique de miRNA (cluster 3) ou le contrôle négatif (ctrl). (E) Images de microscope de fluorescence des cellules de cancer du sein de MDA-MB-231 exprimant le transgène négatif de commande contre le transgène de groupe 3. Barre d'échelle de 100 m. Toutes les expériences ont été réalisées dans des tripliques (p 'lt; 0.05; 'p 'lt; 0.01; Comparaisons multiples à deux queues de l'élève). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 1 : Flux de travail TargetScan. (A) Capture d'écran de la page d'accueil, montrant les options de sélection pour la recherche miRNA. (B) Résultats de recherche représentatifs pour miR-137. La liste des gènes cibles se trouve dans la colonne de gauche. La boîte rouge désigne les gènes avec des sites de ciblage conservés (suggérant une plus grande confiance dans le ciblage réel). Veuillez cliquer ici pour voir ce chiffre. (Clic droit pour télécharger.)
Figure supplémentaire 2 : Flux de travail ToppGene Suite. (A) Capture d'écran de la page d'accueil montrant la boîte de recherche où la liste des gènes à analyser est insérée. (B) Résultat de recherche représentatif pour le cible miR-137, montrant les catégories de Génologie (GO) les plus statistiquement significatives. Veuillez cliquer ici pour voir ce chiffre. (Clic droit pour télécharger.)
Ce protocole est basé sur l'idée que plutôt que de fonctionner isolément, les miARN sont biologiquement pertinents en travaillant en groupes, et ces groupes sont transcriptionnellement déterminés par des contextes cellulaires spécifiques26. Pour justifier cette approche d'un point de vue translationnel, un protocole de suivi qui permet de recréper ce modèle multi-miRNA dans les cellules/tissus est introduit. Ceci est possible en profitant de la biogenèse relativement simple des miRNAs, par qui la reconnaissance de l'épingle à cheveux miRNA caractéristique par microprocesseur est nécessaire et suffisante pour le traitement correct miRNA27. Dans le même temps, cette exigence minimale permet l'utilisation de l'échafaudage génétique des amas naturels de miRNA comme colonne vertébrale pour l'expression des modules miRNA désirés, qui sont contenus dans de courtes séquences d'ADN qui peuvent être installés dans tous les vecteurs de livraison de prédilection. La principale exigence de ce protocole est de maintenir la structure de l'épingle à cheveux et la longueur suffisante de la composante de la tige pour permettre un clivage approprié.
Il y a deux considérations critiques majeures concernant l'exécution de ce protocole. Le premier point est la détermination précise des combinaisons optimales de miRNA. Ceci est déterminé par une analyse minutieuse non seulement de la signature d'expression miRNA des cellules ou des tissus par rapport aux contrôles, mais aussi de tous les changements d'expression simultanés observés que les cellules sont expérimentalement manipulées. Une fois qu'un ensemble de miRNAs est défini, il est également fondamental de s'assurer que la modulation artificielle de chacun ne modifie pas singulièrement l'expression des autres.
Le deuxième aspect critique concerne la construction de séquences chimériques pour récapituler artificiellement ce clustering fonctionnel de miRNA. Il est fondamental de respecter les exigences structurelles de la machinerie de traitement miRNA, qui est la présence d'une séquence de tige assez longue (mesurant au moins 11 nucléotides) à l'origine de chaque épingle à cheveux miRNA18, ainsi que le maintien de l'original séquences d'espacement de l'échafaudage indigène de cluster de miRNA. D'après notre expérience, le fait de satisfaire à ces deux exigences a toujours donné lieu à un pliage approprié de l'ARN (figure 4) et a donné lieu à une expression multi-miRNA réussie.
La principale limitation de cette technique est le nombre fini de miARN qui peuvent être regroupés en un transgène fonctionnel. Nous avons réussi à concevoir des séquences surexprimant jusqu'à six miRNAs différents, mais observé une certaine diminution de l'efficacité de traitement que le nombre d'épingles à cheveux augmente. Jusqu'à présent, la structure génétique de l'amas miR-17-92 a été utilisée, parce que c'est celle qui code le plus grand nombre d'épingles à cheveux (six) dans la séquence d'ADN la plus courte (800 paires de base)8. Comme il existe d'autres amas naturels de miRNA, on s'attend à ce qu'ils puissent également être utilisés à cette fin28. Enfin, il a été observé que la modification des séquences d'espacement entre les enpinets diminue leur traitement, il ya donc quelques contraintes quant à la mesure dans laquelle la structure native peut être modifiée.
L'aspect le plus significatif et le plus avantageux de cette méthode proposée est qu'elle permet l'ingénierie des transgènes capables de surexprimer simultanément plusieurs miARN désirés principalement en utilisant une approche in silico, limitant la nécessité de fastidieux et étapes de clonage moléculaire chronophage, comme décrit précédemment29,30,31. Le protocole décrit est facile à exécuter et ne nécessite pas d'équipement ou de compétences spécialisés.
Compte tenu de l'importance reconnue des miARN en biologie moléculaire et de leur potentiel dans les applications thérapeutiques, ce protocole intéresse un large public de chercheurs. Cette approche devrait encourager les études futures qui se concentrent sur les propriétés combinatoires des miARN et servira d'outil simple et robuste pour leur exécution. Plus important encore, ces transgènes groupés représentent des cargaisons idéales pour les vecteurs de thérapie génique. Des preuves de la livraison in vivo réussie d'un groupe de 3-miRNA ont déjà été obtenues par l'injection intratumorale directe des vecteurs d'AAV (données non publiées). On s'attend donc à ce que cette technique stimule considérablement les aspects translationnels de la recherche sur le miARN.
Les auteurs ne signalent aucun conflit d'intérêts.
Les auteurs tiennent à remercier les membres du Laboratoire de neuro-oncologie Harvey Cushing pour leur soutien et leurs critiques constructives. Ce travail a été soutenu par les subventions NINDS K12NS80223 et K08NS101091 à P. P.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.4% low melting temperature agarose | IBI Scientific | IB70058 | |
0.45 µM sterile filter unit | Merck Millipore | SLH033RS | |
1.5 mL Microcentrifuge tube | Eppendorf | 22431081 | |
6-Well plates | Greiner Bio-One | 657160 | |
Athymic mice (FoxN1 nu/nu) | Envigo | 069(nu)/070(nu/+) | |
B-27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 12587010 | |
Cell culture flask | Greiner Bio-One | 660175 | |
Cell Scraper, 16cm | Sarstedt | 83.1832 | |
Cesium 137 irradiator | JL Sheperd and Associates | Core Facility (Harvard Medical School) | |
Chloroform | Sigma-Aldrich | 439142-4L | |
DMEM, high glucose, pyruvate | Thermo Fisher Scientific | 11995040 | |
Dulbecco’s phosphate-buffered saline | Gibco | 14190144 | |
Eosin Y solution | Sigma-Aldrich | E4009 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F9665 | |
Formalin solution | Sigma-Aldrich | HT501128 | |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | |
HEK-293 | American Type Culture Collecti | ATCC CRL-1573 | |
Hematoxylin solution | Sigma-Aldrich | 1051750500 | |
Human primary glioma stem-like cells (GBM62) | Provided by Dr. E. A. Chiocca (Brigham and Women’s Hospital, Boston, MA) | ||
Human primary glioma stem-like cells (MGG4) | Provided by Dr. Hiroaki Wakimoto (Massachusetts General Hospital, Boston, MA) | ||
Lentiviral vector pCDH-CMV-MCS-EF1-copGFP | System Biosciences | CD511B-1 | |
Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher Scientific | 11668019 | |
Microcentrifuge refrigerated | Eppendorf | model no. 5424 R, cat. no.5404000138 | |
Mounting medium | Thermo Fisher Scientific | 4112APG | |
Nalgene High-Speed Polycarbonate Round Bottom Centrifuge Tubes | Thermo Fisher Scientific | 3117-0380PK | |
NanoDrop | Thermo Fisher Scientific | 2000c | |
Neural Progenitor cells (NPC) | Provided by Dr. Jakub Godlewski (Brigham and Women’s Hospital, Boston, MA) | ||
Neurobasal Medium | Thermo Fisher Scientific | 21103049 | |
Nikon eclipse Ti motorized fluorescent microscope system | Nikon, Japan | 14314 | |
Opti-MEM | Thermo Fisher Scientific | 31985088 | |
PCR tubes | Sigma-Aldrich | CLS6571-960EA | |
Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Petri-Dishes 94/16 | Greiner Bio-One | 632180 | |
Poly-D-Lysine | Sigma- Aldrich | P4707 | |
Recombinant Human EGF | PeproTech | AF-100-15 | |
Recombinant Human FGF-basic | PeproTech | AF-100-18B | |
Retinoic acid | Gibco | 12587-010 | |
RNA Miniprep Kit | Direct-zol | R2050 | |
S1000 Thermal Cycler | Bio-Rad | 1852196 | |
Small Animal Image-Guided Micro Irradiator | Xstrahal Life Sciences, UK | Core facility (Dana-Farber Cancer Institute, Boston, MA) | |
Sorvall WX+ Ultracentrifuge | Thermo Fisher Scientific | 75000100 | |
StemPro Accutase | Thermo Fisher Scientific | A1110501 | |
StepOne Real-Time PCR System | Applied Biosystems | 4376357 | |
SterilGARD biosafety cabinet | The Baker Company | SG403A-HE | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S9378 | |
T98-G | American Type Culture Collecti | ATCC CRL-1690 | |
TaqMan MicroRNA Reverse Transcription Kit | Thermo Fisher Scientific | 4366596 | |
TaqMan Universal PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4324018 | |
Temozolomide | Tocris Bioscience | 2706 | |
Tissue-Tek optimum cutting temperature | Fisher Scientific | NC9636948 | |
TRIzol Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596026 | Lysis reagent |
U251-MG | American Type Culture Collecti | ATCC HTB-17 | |
U87-MG | American Type Culture Collecti | ATCC HTB-14 | |
ViraPower Lentivector Expression system | Thermo Fisher Scientific | K4970-00 | |
Water, HPLC grade | Fisher | W54 | |
Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 |
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