Method Article
במאמר זה וידאו, אנו מתארים את הסינתזה במבחנה של mRNA שונה לזירוז של ביטוי חלבון בתאים.
המשלוח אקסוגני של קידוד RNA שליח סינטטי (mRNA) לזירוז סינתזה של חלבונים בתאים רצויים יש פוטנציאל עצום בתחומים של רפואת רגנרטיבית, ביולוגיה של תא בסיסי, טיפול במחלות, ותכנות מחדש של תאים. כאן, אנו מתארים צעד אחר צעד פרוטוקול לדור של mRNA שונה עם פוטנציאל מופחת חיסוני הפעלה ויציבות מוגברת, בקרת איכות של ה- mRNA מיוצר, transfection של תאים עם mRNA ואימות של ביטוי חלבון הנגרם על ידי זרימת cytometry. עד 3 ימים לאחר transfection יחיד עם eGFP mRNA, HEK293 תאי transfected לייצר eGFP. במאמר זה וידאו, הסינתזה של eGFP mRNA מתוארת כדוגמא. עם זאת, ההליך יכול להיות מיושם לייצור של ה- mRNA הרצוי האחר. שימוש בסינטטי שונה mRNA, יכולים להיגרם תאים לבטא את החלבונים הרצויים, שבו הם בדרך כלל לא מביעים זמניים.
בתאים, השעתוק של RNA שליח (mRNA) והתרגום הבא של ה- mRNA לחלבונים רצויים להבטיח את התפקוד התקין של תאים. הפרעות גנטיות תורשתיות או נרכשות יכולות להוביל לסינתזה מספיקה ולא מתפקדת של חלבונים וגורמות למחלות קשות. כך, גישה טיפולית חדשה ללעורר את הייצור של חלבונים חסרים או פגומים הוא המשלוח אקסוגני של סינטטי שונה mRNA לתאים, שקודים לחלבון הרצוי. וכך, תאים מופעלים לסנתז חלבונים פונקציונליים, שבו הם בדרך כלל לא יכולים לייצר או באופן טבעי לא צריכים. שימוש בגישה זו, ניתן לתקן הפרעות גנטיות על ידי הקדמה של mRNA שמקודד לחלבון הפגום או חסר 1. גם טיפול mRNA יכול לשמש לחיסון לאנטיגנים synthetize חלבון, אשר באים לידי ביטוי על ידי תאי גידול או פתוגנים. ובכך, מערכת חיסונית מארח יכולה להיות מופעלת כדי לחסל ביעילות תאים סרטניים או למנוע infections 2,3. יתר על כן, בשנים האחרונות, mRNA היה בהצלחה המשמש לייצור תאים מושרה pluripotent גזע (iPSCs). לצורך כך, fibroblasts היה transfected עם mRNAs לגרום הביטוי של תכנות מחדש גורמי 4-6 ולהמיר אותם בiPSCs עם פוטנציאל עצום ברפואת רגנרטיבית.
בעבר, השימוש בmRNA הקונבנציונלי היה קשור ביציבות נמוכה וחיסוני חזקים. כך, יישומים קליניים של mRNAs הקונבנציונלי היו מוגבלים. עם זאת, החלפת cytidine וuridine על ידי 5-methylcytidine וpseudouridine בתוך מולקולת mRNA על ידי Kariko ועמיתים שניתנו מולקולות mRNA יציבים בנוזלים ביולוגיים והפחתה דרמטית בהפעלת מערכת חיסונית 7-10, אשר כעת מאפשרת יישום הקליני של mRNAs שונה.
באמצעות מיוצר באופן סינטטי mRNAs שונה, תמלילי גן רצויים יכולים להיות מועברים באופן זמני בvivo 11או במבחנה כדי לגרום לביטוי חלבון. MRNA הציג מתורגם בתנאים פיסיולוגיים על ידי מכונות תרגום הסלולריות. בשל חוסר האינטגרציה לתוך הגנום של התא הפונדקאי לעומת וקטורי ריפוי גנטי נגיפיים, הסיכון של oncogenesis נמנע 12,13. כך, טיפול באמצעות mRNA הסינתטי שונה יקבל קבלה קלינית טובה יותר בעתיד.
כאן אנו מתארים פרוטוקול מפורט לייצור של ה- mRNA שונה, transfection של תאים עם mRNA וההערכה של ביטוי חלבון בתאי transfected (איור 1).
1. הגדלת של פלסמידים המכילים נדרש קידוד רצפי DNA (CDS)
3. בקרת שלב: איכות של מוצר ה- PCR
4. שעתוק במבחנה (IVT)
5. טיפול מזוקק mRNA עם אנטארקטיקה phosphatase
6. בקרת שלב: איכות המסונתזת mRNA השתנה
7. הכנה של תאים לTransfection
8. ביצוע mRNA Transfection של תאים
9. ניתוח תזרים Cytometric ביטוי eGFP בתאים
10. מדידה של ביטוי חלבון לאורך זמן
באמצעות פלסמיד pcDNA 3.3 המכיל את ה- CDS של eGFP, הסינתזה של eGFP mRNA שונה הוקמה (איור 1). לאחר הגברה להוסיף על ידי PCR ופולי T-עוקב, להקה ברורה באורך של כ -1,100 נ"ב הוא זוהה (איור 2). הגדלת זמן IVT Augmented התשואה של mRNA (איור 3). לאחר IVT, להקת mRNA ברורה באורך של כ -1,100 נ"ב זוהתה, אשר תואמת את אורכו של eGFP mRNA שיופק (איור 4).
הפונקציונליות של mRNA eGFP שנוצר נבדקה על ידי transfection של תאי HEK293. לצורך כך, מתחמי transfection (lipoplexes) היו שנוצרו באמצעות מגיב transfection שומנים בדם קטיוני. Transfection בוצע עם 2 x 10 5 תאים לכל טוב של 12 גם צלחת. הייצור של eGFP בתאים התגלה 24 שעות לאחר transfection באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי (Figuמחדש 5) וcytometry זרימה (איור 6).
HEK293 תאים היו transfected עם eGFP mRNA. ביטוי eGFP נקבע 1, 2, ו -3 ימים לאחר transfection כדי להעריך את משך הזמן של ביטוי חלבון בתאים (איור 7). לאחר 24 שעות, ביטוי החלבון היה הגבוה ביותר בתאים. הסכום הופחת 1.6 פי כל למחרת. גם לאחר 3 ימים, התאים הכילו eGFP.
איור 1:. סקירה של תהליך ייצור mRNA שונה קידוד רצפי DNA (CDS) עם רצפי איגוף ידועים, מועצמים על ידי PCR באמצעות פריימרים ספציפיים. מוצר ה- PCR הוא מטוהר והאיכות של ה- DNA שנוצר נקבעה. MRNA שנוצר ממוצר ה- DNA באמצעות בתהליך השעתוק במבחנה. המוצר הוא purifie ד וטופל בphosphatase להסיר 5'-triphosphates. לאחר הטיהור נוספת ובקרת איכות של ה- mRNA שנוצר, ניתן לבצע transfections mRNA.
איור 2:. ניתוח של מוצר ה- DNA לאחר PCR סולם DNA ומוצר ה- PCR היה לרוץ על 1% agarose ג'ל. להקת DNA ברורה באורך של כ -1,100 נ"ב צריכה להיות מזוהה.
איור 3:. קינטיקה של שעתוק במבחנה לדור של מוצרי סולם RNA mRNA 1) וIVT eGFP אחרי 2) 0 דקות, 3) 10 דקות, 4) 30 דקות, 5) 180 דקות, 6) 360 דקות, ו -7) תבנית ה- DNA לבד היו לרוץ על 1% agarose ג'ל.
איור 5: ניתוחים מיקרוסקופיים הקרינה של HEK293 תאים 24 שעות לאחר transfection eGFP mRNA. תמונת שלב () ניגודיות של התאים בהגדלה של 100X. (ב) תמונות הקרינה של התאים בהגדלה של 100X.
איור 6: תזרים cytometric מנתח ביטוי eGFP בHEK293 תאים 24 שעות לאחר transfection eGFP mRNA הקו הוורוד מייצג תאים ללא transfection mRNA והקו הכחול מייצג תאים חיוביים eGFP לאחר transfection eGFP mRNA.. לאחר transfection eGFP mRNA, 93.91% מכלל התאים הנמדדים הם חיוביים וגיאו Mean (הממוצע גיאומטרי של עוצמת הקרינה) הוא 720.16.
איור 7: תזרים cytometric מנתח ביטוי eGFP בHEK293 תאים 1, 2, ו -3 ימים לאחר transfection eGFP mRNA ביטוי החלבון הוא גבוהה ביותר 24 שעות לאחר transfection mRNA.. לאחר מכן, את הסכום מופחת 1.6 פי כל יום (n = 3).
טבלה 1: הרכב של תערובת PCR.
רכיב | ריכוז סופי | הסכום (μl) |
קדימה פריימר | 0.7 מיקרומטר | 7 |
פריימר ההפוך | 0.7 מיקרומטר | 7 |
5x Q-פתרון | 1x | 20 |
5x HotStar HiFidelity PCR מאגר | 1x | 20 |
פלסמיד דנ"א | 50 ng / 100μl | משתנה |
HotStar HiFidelity DNA פולימראז (2.5 U / μl) | 2.5 U | 1 |
nuclease ללא מים | משתנה | |
נפח כולל | 100 |
טבלה 1: הרכב של תערובת PCR.
מספר מחזור | זמן | טמפרטורה (° C) | |
צעד denaturation ראשוני | 1 | 5 דקות | 95 |
רכיבה על אופניים 3 שלבים | 2-25 | ||
· Denaturation | 45 שניות | 95 | |
· חישול | 1 דקות | 55 | |
· הארכה | 1 דקות | 72 | |
צעד ארכה סופי | 26 | 10 דקות | 72 |
סוף הרכיבה על אופניים PCR | ללא הגבלת זמן | 4 |
טבלה 2: יחסי ציבור רכיבה על אופניים PCR otocol.
רכיב | ריכוז מניות (מ"מ) | ריכוז סופי (מ"מ) | נפח (μl) |
ATP (מMEGAscript T7 ערכה) | 75 | 7.5 | 4 |
GTP (מMEGAscript T7 ערכה) | 75 | 1.875 | 1 |
שלי-CTP (מTrilink) | 100 | 7.5 | 3 |
פסאודו-UTP (מTrilink) | 100 | 7.5 | 3 |
3'של-O-Me-מ '7 G (5') ppp אנלוגי מבנה כובע RNA G (5') | 10 | 2.5 | 10 |
נפח כולל | 23 |
= "תמיד"> לוח 3: הרכב התערובת אנלוגית NTP / כובע.
רכיב | ריכוז סופי | הסכום (μl) |
nuclease ללא מים | משתנה | |
RNase מונעי | 40 U | 1 |
NTP / תערובת אנלוגית כובע (משלב 4.3) | 23 | |
מוצר ה- PCR | 1 מיקרוגרם | משתנה |
מאגר תגובת 10x | 1x | 4 |
תמהיל אנזים פולימראז 10x T7 RNA | 1x | 4 |
נפח כולל | 40 |
לוח 4: הרכב השעתוק במבחנה (אניVT) תערובת תגובה.
רכיב | הסכום (μl) |
Formamide | 3.3 |
פורמלדהיד 37% | 1 |
חיץ גברים (10x) | 1 |
חיץ 6x טעינה (מסופק עם ה- DNA סולם peqGOLD טווח Mix) | 1.7 |
נפח כולל | 7 |
לוח 5: הכנת מאגר טעינת ג'ל אלקטרופורזה RNA.
תרבית תאים בינוני והצפה | |
מדיום תרבות תא HEK-293 | להוסיף 25 מיליליטר של FCS, 2.5 מיליליטר של פניצילין / סטרפטומיצין, 2.5 מיליליטר של L-Glutamine בגלוקוז הגבוהה DMEM 220 מיליליטר. אחסן הבינוני על 4 מעלות צלזיוס ולהשתמש בו בתוך 2 שבועות. |
מאגר TBE (10x) | לפזר 0.9 בסיס M טריס, חומצה בור 0.9 מ 'ו 20 מ"מ EDTA במי 1 ליטר (Ampuwa). ה- pH של החיץ הוא 8. |
חיץ גברים (10x) | לפזר 200 מגבי מ"מ, 50 מ"מ NaOAc, 10 mM EDTA במי 1 ליטר (Ampuwa). התאם את ערך ה- pH עם NaOH עד 7. |
לוח 6: תרבית תאים בינוני ומאגרים.
יש טיפול mRNA פוטנציאל עצום בתחום של רפואת רגנרטיבית, טיפול במחלות וחיסונים. בסרטון הזה, אנחנו מדגימים את הייצור של ה- mRNA התייצב, שונה לזירוז של ביטוי חלבון בתאים. שימוש בפרוטוקול זה, יכול להיות שנוצר mRNA הרצוי אחר. הסינתזה במבחנה של mRNA שונה מאפשרת transfection של תאים עם mRNAs הרצוי כדי לגרום לביטוי של חלבוני יעד. וכך, החלבון הרצוי בא לידי ביטוי זמני בתנאים פיסיולוגיים עד mRNA מועבר באופן אקסוגני הוא מושפל לחלוטין.
בסרטון הזה, הביטוי של eGFP הודגם במשך 3 ימים לאחר transfection תאים אחת HEK293 עם eGFP mRNA. מולקולות mRNA קידוד חלבונים אחרים יכולות להוביל לתקופת ביטוי חלבון קצרה יותר. הביטוי של החלבון יורד עקב הידרדרות של mRNA מועבר באופן אקסוגני. לכן, ההגבלה של טכניקה זו לסוםיישומי דואר עשויים להיות האינדוקציה החולפת של ביטוי חלבון. לכן, כדי לשמור על ביטוי חלבון בתאים לתקופה ארוכה יותר, נדרש משלוח חוזר ונשנה של mRNA. למרות, transfection mRNA יש את היתרון של אי-השתלבות בגנום המארח, המונע mutagenesis insertional וההתפתחות של הסרטן ולוקמיה בהשוואה לוקטורים ויראליים, in vivo יעילות transfection יכולה להיות פחות מאשר שימוש בוקטורים ויראליים.
הריכוז הנדרש mRNA והסכום של מגיב transfection צריכים להיות מותאם לכל סוג תאים שונה 14, שהם תאי היעד למסירה אקסוגני של mRNA כדי לייצר את החלבון החסר.
יש להימנע הקפאה להפשרה של mRNA חוזרים כדי לשמור על היציבות של mRNA מיוצר. לכן, יכולים להיות מוכנים aliquots עובדים. לאחר PCR וIVT, צריכה רק להיות מזוהה להקה ספציפית אחד. אחרת, מספר מחזורי PCR, annea פריימרטמפרטורה, ו / או כמות ה- DNA פלסמיד לינג צריכה להיות מותאמת להשגת מוצר ה- DNA הספציפי לIVT. יתר על כן, זמן IVT והסכום של תבנית ה- DNA לIVT יכולים להיות מותאם להשגת mRNA של אורך מסוים בכמויות מספיקות.
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
פרויקט זה מומן על ידי קרנות החברתיות האירופיות באדן-וירטמברג, גרמניה.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cell culture | |||
DMEM, high glucose | PAA | E15-009 | |
FBS | Life Technologies | 10500 | |
Penicillin/Streptomycin | PAA | P11-010 | 100x |
L-glutamine | PAA | M11-004 | 200 mM |
DPBS without calcium and magnesium | PAA | E15-002 | |
0.04% Trypsin / 0.03% EDTA | Promocell | C-41020 | |
TNS | Promocell | C-41120 | Trypsin Neutralizing Solution, 0.05% trypsin inhibitor in 0.1% BSA |
HEK-293 cells | ATCC | CRL-1573 | |
Consumables | |||
Tissue culture plates, 12-well | Corning | 3512 | |
Cell culture flask (75 cm2) | Corning | 430641 | |
DNase-and RNase-free 1.5 ml sterile microcentrifuge tubes | Eppendorf | 0030 121.589 | Safe-Lock, Biopur |
15 ml conical tubes | greiner bio-one | 188271 | |
PCR clean and sterile epT.I.P.S. dualfilter pipette tips | Eppendorf | 10 µl: 022491202; 100 µl: 022491237; 1,000 µl: 022491253 | |
Cryovial | greiner bio-one | 122279-128 | Cryo.s |
14 ml polypropylene round bottom tube for bacterial culture | BD Falcon | 352059 | |
Plasmid amplification and purification | |||
pcDNA 3.3_eGFP Plasmid | Addgene | 26822 | |
One Shot Top10 chemically component Escherichia coli | Invitrogen | C4040-10 | |
Sterile water (Ampuwa) | Fresenius Kabi | 1636071 | |
LB medium (Luria/Miller) | Carl Roth | X968.1 | Dissolve 25 g L-1 in sterile water. |
LB agar (Luria/Miller) | Carl Roth | X969.1 | Dissolve 40 g L-1 in sterile water. |
Ampicillin Ready Made Solution | Sigma Aldrich | A5354 | 100 mg/ml |
Glycerol | Sigma Aldrich | G2025 | |
QIAprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27104 | |
mRNA production | |||
HotStar HiFidelity Polymerase Kit | Qiagen | 202602 | |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28106 | |
MEGAscript T7 Kit | Life Technologies | AM1334 | |
5-Methylcytidine-5´-triphosphate | Trilink | N1014 | 5-Methyl-CTP |
Pseudouridine-5´-triphosphate | Trilink | N1019 | Pseudo-UTP |
3´-O-Me-m7G(5´)ppp(5´)G RNA cap structure analog | New England Biolabs | S1411L | |
RiboLock RNase Inhibitor | Thermo Scientific | EO0381 | 40 U/µl |
TURBO DNase | Life Technologies | AM1334 | 2 U/µl (from MEGAscript T7 Kit) |
Antarctic phosphatase | New England Biolabs | MO289S | |
RNeasy mini kit | Qiagen | 74104 | |
RNaseZap solution | Life Technologies | AM9780 | |
Transfection | |||
Lipofectamine 2000 Transfection Reagent | Invitrogen | 11668-019 | Cationic lipid transfection reagent |
Opti-MEM I Reduced Serum Media | Invitrogen | 11058-021 | Improved Minimal Essential Medium (MEM) that allows a reduction of Fetal Bovine Serum (FBS) supplementation |
Gel electrophoresis | |||
Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
Gelred Nucleic Acid Gel Stain | Biotium | 41003 | 10,000x in water |
peqGOLD Range Mix DNA-Ladder | Peqlab | 25-2210 | |
Flow cytometry analyses | |||
CellFIX (1x) | BD Biosciences | 340181 | 10x concentrate |
Primer for insert amplification and poly (T) tail PCR | |||
Forward Primer (HPLC-grade) 10 µM | Ella Biotech | 5´-TTGGACCCTCGTAC AGAAGCTAATACG-3´ | |
Reverse Primer (HPLC-grade) 10 µM | Ella Biotech | 5´- T120-CTTCCTACT CAGGCTTTATTCAA AGACCA-3´ | |
Equipment | |||
Cell incubator | Binder | CO2 (5%) and O2 (20%) | |
CASY cell counter | Schärfe System | ||
Sterile workbench | BDK Luft-und Reinraumtecknik GmbH | ||
Bacterial incubator | Incutec | ||
Water bath | |||
ScanDrop spectrophotometer | Analytic Jena | ||
PCR thermocycler | Eppendorf | ||
Microcentrifuge | Eppendorf | ||
Vortex | peqlab | ||
Thermomixer | Eppendorf | ||
Gel apparatus for electrophoresis | Bio-Rad | ||
Gel documentation system | Bio-Rad | ||
FACScan System | BD Biosciences | ||
Fluorescence microscope | Nikon | ||
Phase-contrast microscope | Zeiss |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved