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In questo articolo video, si descrive la sintesi in vitro di mRNA modificata per l'induzione dell'espressione proteica nelle cellule.
La consegna esogena di codifica messenger RNA sintetico (mRNA) per l'induzione della sintesi proteica nelle cellule desiderate ha un enorme potenziale nel campo della medicina rigenerativa, biologia cellulare di base, il trattamento di malattie e riprogrammazione delle cellule. Qui, descriviamo un passo per passo protocollo per la produzione di mRNA modificato con ridotto potenziale di attivazione immunitaria e una maggiore stabilità, controllo di qualità di prodotti mRNA, trasfezione di cellule con mRNA e la verifica della espressione proteica indotta mediante citometria a flusso. Fino a 3 giorni dopo una singola trasfezione con eGFP mRNA, le cellule HEK293 trasfettate producono eGFP. In questo articolo video, la sintesi di mRNA eGFP è descritto come esempio. Tuttavia, la procedura può essere applicata per la produzione di altri mRNA desiderati. Utilizzando il sintetico modificato mRNA, le cellule possono essere indotte ad esprimere transitoriamente le proteine desiderate, che normalmente non avrebbero esprimere.
Nelle cellule, la trascrizione di RNA messaggero (mRNA) e la seguente traduzione di mRNA in proteine desiderate assicurare il corretto funzionamento delle cellule. Malattie genetiche ereditarie o acquisite possono portare a insufficiente e disfunzionale sintesi delle proteine e causare gravi malattie. Pertanto, un nuovo approccio terapeutico per indurre la produzione di proteine mancanti o difettosi è la consegna esogena di sintetica modificata mRNA in cellule, che codifica per la proteina desiderata. In tal modo, le cellule vengono attivate per sintetizzare le proteine funzionali, che normalmente non possono produrre o sarebbe naturalmente non hanno bisogno. Usando questo approccio, malattie genetiche possono essere corretti dalla introduzione di mRNA che codifica per la proteina difettosa o mancante 1. La terapia mRNA può essere utilizzato anche per la vaccinazione di sintetizzare antigeni proteici che sono espressi dalle cellule tumorali o patogeni. In tal modo, il sistema immunitario dell'ospite può essere attivato per eliminare efficacemente le cellule tumorali o impedire infeZIONI 2,3. Inoltre, negli ultimi anni, mRNA è stato usato con successo per generare cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs). A tal fine, fibroblasti sono state trasfettate con mRNA di indurre l'espressione di fattori di riprogrammazione 4-6 e convertirli in iPSCs con un enorme potenziale in medicina rigenerativa.
In precedenza, l'uso di mRNA convenzionale è stata associata con scarsa stabilità e forte immunogenicità. In questo modo, le applicazioni cliniche di mRNA convenzionali erano limitate. Tuttavia, la sostituzione di citidina e uridina da 5-methylcytidine e pseudouridina all'interno della molecola di mRNA mediante Kariko e colleghi reso molecole di mRNA stabili nei fluidi biologici e drammaticamente ridotto attivazione immunitaria 7-10, che ora permette l'applicabilità clinica di mRNA modificati.
Utilizzando mRNA modificati sinteticamente prodotti, le trascrizioni del gene desiderato può essere recapitato temporaneamente in vivo 11o in vitro per indurre l'espressione della proteina. L'mRNA introdotto è tradotto in condizioni fisiologiche dalla macchina di traduzione cellulare. A causa della mancanza di integrazione nel genoma della cellula ospite, rispetto ai vettori di terapia genica virale, il rischio di oncogenesi è impedito 12,13. Pertanto, la terapia con mRNA sintetico modificato andrà meglio accettazione clinica nel futuro.
Qui, descriviamo un protocollo dettagliato per la produzione di mRNA modificato (Figura 1), trasfezione delle cellule con mRNA e la valutazione di espressione della proteina in cellule trasfettate.
1. Aumento di plasmidi contenenti richiesto codifica sequenze di DNA (CDS)
3. Controllo Passo: Qualità della PCR prodotto
4. Trascrizione in vitro (IVT)
5. Il trattamento di mRNA purificato con Antartico fosfatasi
6. Controllo Passo: Qualità di mRNA sintetizzato Modificato
7. Preparazione delle cellule per la trasfezione
8. L'esecuzione di mRNA trasfezione di cellule
9. Analisi di citometria a flusso eGFP espressione in cellule
10. Misura di espressione della proteina nel tempo
Utilizzando una pcDNA 3.3 plasmide contenente il CDS di eGFP, è stato stabilito la sintesi di mRNA modificato eGFP (Figura 1). Dopo l'inserimento di amplificazione mediante PCR e poli T-tailing, una banda chiara con una lunghezza di circa 1.100 bp viene rilevata (Figura 2). Aumentando il tempo IVT aumentata la resa di mRNA (Figura 3). Dopo l'IVT, una fascia mRNA chiaro con una lunghezza di circa 1.100 bp è stato rilevato, che corrisponde alla lunghezza di eGFP mRNA da produrre (Figura 4).
La funzionalità del generato eGFP mRNA è stato testato mediante trasfezione di cellule HEK293. A questo scopo, complessi trasfezione (lipoplexes) sono stati generati utilizzando un lipide cationico reagente di trasfezione. La trasfezione è stata effettuata con 2 x 10 5 cellule per pozzetto della piastra 12 pozzetti. La produzione di eGFP nelle cellule è stata rilevata 24 ore dopo la trasfezione tramite microscopia a fluorescenza (Figuri 5) e citometria a flusso (Figura 6).
Cellule HEK293 sono state trasfettate con eGFP mRNA. espressione di eGFP è stata determinata 1, 2, e 3 giorni dopo la trasfezione per valutare la durata di espressione proteica nelle cellule (Figura 7). Dopo 24 ore, l'espressione della proteina è stata più elevata nelle cellule. L'importo è stato ridotto di 1,6 volte ogni giorno successivo. Anche dopo 3 giorni, le cellule contenute eGFP.
Figura 1:. Panoramica del processo di produzione di mRNA modificato codifica sequenze di DNA (CDS) con sequenze fiancheggianti note sono amplificati mediante PCR utilizzando primer specifici. Il prodotto di PCR è purificato e la qualità del DNA generato è determinata. L'mRNA è generato dal prodotto DNA usando il processo di trascrizione in vitro. Il prodotto è purifie d e trattati con fosfatasi per rimuovere 5'-trifosfati. Dopo la purificazione aggiuntiva e controllo di qualità dei generato mRNA, le trasfezioni mRNA possono essere eseguite.
Figura 2:. Analisi del prodotto di DNA dopo la PCR DNA ladder e prodotti di PCR sono stati analizzati su un gel di agarosio 1%. Una banda di DNA libero con una lunghezza di circa 1.100 bp deve essere rilevato.
Figura 3:. Cinetica di trascrizione in vitro per la produzione di mRNA eGFP 1) RNA scaletta e IVT prodotti dopo 2 min) 0, 3) 10 min, 4) 30 min, 5) 180 min, 6) 360 min, e 7) solo stampo di DNA sono stati analizzati su un gel di agarosio 1%.
Figura 5: fluorescenza analisi microscopiche di cellule HEK293 24 ore dopo eGFP mRNA trasfezione. Immagine (A) Fase contrasto delle cellule con un ingrandimento di 100X. (B) immagini di fluorescenza di cellule con un ingrandimento di 100X.
Figura6: citometria a flusso analisi di espressione eGFP in cellule HEK293 24 ore dopo eGFP mRNA trasfezione La linea rosa rappresenta cellule senza mRNA trasfezione e la linea blu rappresenta le cellule positive eGFP dopo eGFP mRNA trasfezione.. Dopo eGFP mRNA trasfezione, 93.91% di tutte le cellule misurati sono positivi e il Geo Media (media geometrica di intensità di fluorescenza) è 720,16.
Figura 7: citofluorimetrica analisi di espressione eGFP in cellule HEK293 1, 2, e 3 giorni dopo eGFP mRNA trasfezione L'espressione proteica è massima 24 ore dopo la trasfezione mRNA.. Successivamente, l'importo è ridotto di 1,6 volte ogni giorno (n = 3).
Tabella 1: Composizione della miscela di PCR.
Componente | Concentrazione finale | Importo (ml) |
Forward Primer | 0,7 mM | 7 |
Primer Reverse | 0,7 mM | 7 |
5x Q-Solution | 1x | 20 |
5x HotStar HiFidelity PCR Buffer | 1x | 20 |
DNA plasmidico | 50 ng / 100ul | Variabile |
HotStar HiFidelity DNA polimerasi (2,5 U / ml) | 2.5 U | 1 |
Acqua priva di nucleasi | Variabile | |
Volume totale | 100 |
Tabella 1: Composizione della miscela di PCR.
Numero ciclo | Tempo | Temperatura (° C) | |
Fase di denaturazione iniziale | 1 | 5 min | 95 |
3-step ciclismo | 2-25 | ||
· Denaturazione | 45 sec | 95 | |
· Ricottura | 1 min | 55 | |
· Estensione | 1 min | 72 | |
Ultimo passo estensione | 26 | 10 min | 72 |
Fine della PCR ciclismo | Indefinito | 4 |
Tabella 2: PCR ciclismo protocol.
Componente | Concentrazione della (mm) | Concentrazione finale (mM) | Volume (ml) |
ATP (da MEGAscript T7 Kit) | 75 | 7.5 | 4 |
GTP (da MEGAscript T7 Kit) | 75 | 1.875 | 1 |
Me-CTP (da Trilink) | 100 | 7.5 | 3 |
Pseudo-UTP (da Trilink) | 100 | 7.5 | 3 |
3'-O-Me-m 7 G (5') ppp (5') G RNA struttura cap analogico | 10 | 2.5 | 10 |
Volume totale | 23 |
Tabella 3: Composizione della miscela analogico NTP / cap.
Componente | Concentrazione finale | Importo (ml) |
Acqua priva di nucleasi | Variabile | |
RNase Inhibitor | 40 U | 1 |
NTP / miscela analogico cap (dal punto 4.3) | 23 | |
Prodotto di PCR | 1 mg | Variabile |
Tampone di reazione 10x | 1x | 4 |
10x T7 RNA polimerasi mix enzima | 1x | 4 |
Volume totale | 40 |
Tabella 4: Composizione della trascrizione in vitro (IVT) miscela di reazione.
Componente | Importo (ml) |
Formammide | 3.3 |
37% di formaldeide | 1 |
Buffer di MEN (10x) | 1 |
Tampone di caricamento 6x (in dotazione con il peqGOLD gamma Mix DNA-Ladder) | 1.7 |
Volume totale | 7 |
Tabella 5: Preparazione del tampone di caricamento per elettroforesi su gel di RNA.
Terreno di coltura cellulare e Buffer | |
HEK-293 mezzo di coltura cellulare | Aggiungere 25 ml di FCS, 2,5 ml di penicillina / streptomicina, 2.5 ml di L-glutamine in 220 ml di DMEM alte concentrazioni di glucosio. Conservare il mezzo a 4 ° C e utilizzarlo entro 2 settimane. |
Tampone TBE (10x) | Sciogliere 0,9 M Tris base, acido borico 0,9 M e 20 mM EDTA in 1 L di acqua (Ampuwa). Il pH del tampone è 8. |
Buffer di MEN (10x) | Sciogliere MOPS 200 mm, 50 NaOAc mM, EDTA 10 mM in 1 L di acqua (Ampuwa). Regolare il valore di pH con NaOH a 7. |
Tabella 6: Cell terreno di coltura e tamponi.
La terapia mRNA ha un enorme potenziale nel campo della medicina rigenerativa, il trattamento di malattie e vaccinazione. In questo video, dimostriamo la produzione di un mRNA modificato stabilizzata per l'induzione dell'espressione proteica nelle cellule. Usando questo protocollo, altri mRNA desiderati possono essere generati. La sintesi in vitro di mRNA modificato consente trasfezione di cellule con mRNA desiderati per indurre l'espressione di proteine bersaglio. In tal modo, la proteina desiderata è espressa transitoriamente in condizioni fisiologiche fino mRNA esogenamente erogata è completamente degradata.
In questo video, l'espressione di eGFP è stata dimostrata per 3 giorni dopo una singola trasfezione di cellule HEK293 con eGFP mRNA. molecole di mRNA che codificano altre proteine potrebbe portare a un periodo più breve espressione della proteina. L'espressione della proteina diminuisce a causa della degradazione dell'mRNA esogenamente consegnato. Pertanto, la limitazione di questa tecnica per somapplicazioni e potrebbe essere l'induzione transitoria di espressione della proteina. Pertanto, per mantenere l'espressione della proteina in cellule per un periodo più lungo, è necessaria la consegna ripetuta di mRNA. Sebbene, mRNA trasfezione ha il vantaggio di non integrazione nel genoma dell'ospite, che impedisce mutagenesi inserzionale e lo sviluppo del cancro e la leucemia rispetto a vettori virali, l'efficienza di trasfezione in vivo potrebbe essere inferiore utilizzando vettori virali.
La concentrazione di mRNA richiesta e la quantità di reagente di trasfezione dovrebbero essere ottimizzati per ogni differente tipo di cellula 14, che sono le cellule bersaglio per la consegna esogena di mRNA per produrre la proteina mancante.
Cicli ripetuti di congelamento e scongelamento di mRNA deve essere evitata per mantenere la stabilità del prodotto mRNA. Pertanto, aliquote di lavoro possono essere preparati. Dopo la PCR e IVT, una sola banda specifica dovrebbe essere rilevata. Altrimenti, il numero di cicli di PCR, Annea Primertemperatura e / o la quantità di DNA plasmidico ling dovrebbero essere ottimizzati per ottenere il prodotto di DNA specifico per IVT. Inoltre, il tempo IVT e la quantità del DNA stampo per FPI possono essere ottimizzati per ottenere mRNA di una lunghezza specifica in quantità sufficienti.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Questo progetto è stato finanziato dal Fondo Sociale Europeo in Baden-Wuerttemberg, Germania.
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 |
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