陳 晨, 杜增民, 吳 俠, 蔣 威, 趙 陽(yáng), 肖 嘯, 鄭 靜
(華東理工大學(xué)藥學(xué)院,上海 200237)
心肌病屬于一組異質(zhì)性心肌疾病,是導(dǎo)致患者過(guò)早死亡的主要原因,常見(jiàn)癥狀為心力衰竭、外周水腫、疲勞、勞累呼吸困難、陣發(fā)性夜間呼吸困難、暈厥和心臟缺血等[1-3]。常規(guī)的治療包括使用β受體阻滯劑、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、手術(shù)治療和外科治療。但是常規(guī)的治療方法預(yù)后不太理想,嚴(yán)重時(shí)更需要進(jìn)行心臟移植[1,4],治療難度大、風(fēng)險(xiǎn)高,而基因治療的發(fā)展為心肌病持久治療或治愈提供了新的可能。
腺相關(guān)病毒(Adeno-Associated Virus,AAV)是目前心臟基因傳遞最有效的載體[5-6]。天然的AAV血清型,例如AAV1、AAV6和AAV9能夠在小鼠靜脈注射后轉(zhuǎn)導(dǎo)到心肌[7-8],而AAV6直接心肌內(nèi)注射最迅速,轉(zhuǎn)導(dǎo)效率最為高效[9-10],靜脈注射會(huì)較多地轉(zhuǎn)導(dǎo)到成年小鼠骨骼肌和肝臟中[11-12]。轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中AAV載體會(huì)感染其他組織,AAV6會(huì)感染較多的骨骼肌,AAV9會(huì)大量地感染肝臟,這會(huì)造成不必要的脫靶危險(xiǎn),所以降低其他組織的特異性十分必要[13-15]。對(duì)于特定的疾病,則需要基因載體在特定的細(xì)胞和組織中表達(dá),在AAV載體的構(gòu)建中,使用特異性啟動(dòng)子能夠減少AAV載體全身性的表達(dá),可避免目的基因在細(xì)胞或組織中有害表達(dá)[16],因此,開(kāi)發(fā)新的能夠靶向心肌的同時(shí)減少非心肌組織感染的AAV載體非常重要,可以減少心肌病基因治療中的副作用[17]。
AAV基因組由rep基因和cap基因以及兩側(cè)的末端重復(fù)序列(ITR)基因構(gòu)成[18]。其中rep基因編碼涉及病毒復(fù)制、包裝和基因組整合的非結(jié)構(gòu)蛋白,而cap基因編碼包括3個(gè)衣殼結(jié)構(gòu)蛋白VP1、VP2和VP3[19]。從人類(lèi)和猴子中分離出的大量AAV血清型和其突變體在不同組織上表現(xiàn)出不同的感染性。AAV血清型特異性的主要決定于受體、輔助受體、轉(zhuǎn)導(dǎo)效率等因素[20-21],AAV衣殼的特異性為新型AAV載體的研究和篩選打下了基礎(chǔ)[22]。DNA shuffling技術(shù)常用來(lái)做AAV衣殼載體的改造,得到突變體AAV衣殼庫(kù)可以被用來(lái)篩選理想的載體,例如低中和抗體水平[23-24]和特定組織親和性[25]的AAV衣殼。
本研究通過(guò)DNA shuffling技術(shù)和小鼠體內(nèi)篩選技術(shù)設(shè)計(jì)了心肌靶向的AAV衣殼,對(duì)AAV血清型AAV1~AAV4, AAV6~AAV9的cap基因進(jìn)行了重組,構(gòu)建了突變體AAV衣殼文庫(kù);同時(shí)根據(jù)AAV在心肌中高靶向性和肝臟中低靶向性的原則,將AAV衣殼文庫(kù)在小鼠體內(nèi)進(jìn)行了兩輪篩選,最終篩選到了AAVH50與AAVH59兩種衣殼,并且對(duì)其在小鼠模型和原代大鼠新生心肌細(xì)胞(Primary Neonatal Rat Cardiomyocytes,PNRC)中進(jìn)行檢測(cè),驗(yàn)證了其在心肌靶向性和心肌以外組織的非靶向性。
8種天然AAV載體(AAV1、AAV2、AAV3B、AAV4、AAV6、AAV7、AAV8、AAV9)、pAAVCMV-GFP、pAAV-CMV-Luc、phelper為華東理工大學(xué)新藥設(shè)計(jì)與研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保存;大腸桿菌TOP10購(gòu)于全式金生物;Taq聚合酶、T4連接酶、DNase I酶購(gòu)于Takara公司;限制性?xún)?nèi)切酶HindIII和NotI購(gòu)于Takara公司;HEK293細(xì)胞為ATCC(美國(guó)菌株保藏中心)保存;胎牛血清(FBS)、DMEM培養(yǎng) 基(Dulbecco’s modified eagle medium)、雙 抗(Penicillin-Streptomycin)及胰蛋白酶(2.5 g/L)均購(gòu)于Biological Industries公司;Benzonase酶購(gòu)于HaiGene公司;碘克沙醇購(gòu)于Sigma-Aldrich公司;C57BL/6J小鼠購(gòu)于杰思捷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物公司。
高速離心機(jī)(日本日立公司,Sorvall LYNX型);臺(tái)式離心機(jī)(美國(guó)Thermo Fisher公司,F(xiàn)RESCO17型);超速離心機(jī)(美國(guó)Thermo Fisher公司,Sorcall WX100+型);蛋白純化儀(美國(guó)GE公司,AKTA pure 150型);超凈工作臺(tái)(蘇凈安泰公司,SW-CJ-2FD型);PCR儀(美國(guó)ABI公司,Veriti DX型);qPCR儀(德國(guó)耶拿公司,qTOWER3G touch型);活體成像系統(tǒng)(上海銳珂醫(yī)療公司,In-vivoMultispectral System FX型);熒光顯微鏡(德國(guó)LEICA公司,DMC4500型)。酶標(biāo)儀(美國(guó)bio Tek公司,Synergy 2型)。
1.3.1 突變體AAV衣殼文庫(kù)的構(gòu)建 用AAV1、AAV2、AAV3B、AAV4、AAV6、AAV7、AAV8和AAV9為PCR模板。用引物F1(5′-CCCAAGCTTCGATCATA CGCAGAGAGTACCAA-3′)與R1(5′-ATAAGAATG CGGCCGCAGAGACCAAAGTTCAACTGAAACGA-3′)來(lái)進(jìn)行衣殼基因的擴(kuò)增,并將8種AAV載體經(jīng)擴(kuò)增得到的DNA片段進(jìn)行等比例混合,在15 ℃下,用DNaseI處理,DNA片段化后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳、對(duì)300~1 000 bp的片段膠回收,加入DNA聚合酶變性,再退火重新組裝隨機(jī)衣殼基因。將產(chǎn)物稀釋后,用DNA聚合酶和引物F1/R1來(lái)進(jìn)行PCR(Polymerase Chain Reaction),PCR產(chǎn)物與含有ITR的AAV2衣殼質(zhì)粒用HindIII和NotI進(jìn)行雙酶切,將PCR產(chǎn)物的基因與AAV2骨架進(jìn)行連接,連接DNA產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到TOP10大腸桿菌,隨機(jī)選擇克隆進(jìn)行單克隆培養(yǎng)和擴(kuò)增,得到重組衣殼基因的突變體AAV質(zhì)粒文庫(kù)。將突變體AAV質(zhì)粒文庫(kù)使用Muller等[26]開(kāi)發(fā)的包裝技術(shù),制備了多種突變體AAV衣殼,將其按相同的比例混合得到突變體AAV衣殼文庫(kù)。
1.3.2 小鼠體內(nèi)突變型AAV衣殼文庫(kù)的直接篩選將5×1011vg的突變體AAV衣殼文庫(kù)注射入成年C57BL/6J小鼠體內(nèi)。3 d后處死小鼠,使用磷酸鹽緩沖液灌流將組織中的血液去除,從心臟和肝臟組織提取DNA,用Taq聚合酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增DNA,擴(kuò)增后篩選在心肌中出現(xiàn)頻率較高但在肝臟中出現(xiàn)頻率低的AAV衣殼,再將這些AAV衣殼按相同比例混合,產(chǎn)生二級(jí)AAV衣殼文庫(kù),再次通過(guò)小鼠尾靜脈注射,用相同的方法進(jìn)行了兩輪體內(nèi)篩選后,最終得到目的AAV衣殼。
1.3.3 小鼠各個(gè)組織基因表達(dá)檢測(cè) 衣殼(AAVH50、AAVH59、AAV9、AAV6)、pAAV-CMV-Luc報(bào)告基因以及輔助質(zhì)粒phelper進(jìn)行三質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞,從而得到AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMVLuc、AAV9-CMV-Luc、AAV6-CMV-Luc 4個(gè)載體。將含有CMV-Luc報(bào)告基因的AAVH50、AAVH59、AAV9、AAV6載體以3×1011vg的劑量通過(guò)尾靜脈注射C57BL/6J小鼠。3周后,對(duì)注射AAVH50、AAVH59、AAV9病毒的小鼠進(jìn)行活體成像。取AAVH50、AAVH59、AAV9、AAV6病毒注射的小鼠的各個(gè)組織。用熒光素酶法檢測(cè)報(bào)告基因的表達(dá)。提取心臟和肝臟的總DNA,用QPCR(Real-time Quantitative PCR)進(jìn)行定量。
1.3.4 原代大鼠新生心?。≒NCR)細(xì)胞實(shí)驗(yàn) 衣殼(AAVH50、AAVH59、AAV9、AAV6)、pAAV-CMV-Luc/pAAV-CMV-GFP報(bào)告基因以及輔助質(zhì)粒phelper進(jìn)行三質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞,從而得到AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMV-Luc、AAV9-CMV-Luc、AAV6-CMV-Luc、AAVH50-CMV-GFP、AAVH59-CMV-GFP、AAV9-CMV-GFP、AAV6-CMV-GFP 8種載體。將含有CMV-Luc的AAVH50,AAVH59,AAV6,AAV9載體與含有CMV-GFP的AAVH50,AAVH59,AAV6,AAV9載體分別感染大鼠原代心肌細(xì)胞,72 h后對(duì)細(xì)胞進(jìn)行熒光素酶活性檢測(cè)和熒光成像檢測(cè)不同血清型介導(dǎo)GFP基因表達(dá)。
1.3.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 對(duì)所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行至少3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD),并用Prism 7.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。選用T檢驗(yàn)用于組間比較,p<0.05被認(rèn)為是差異顯著,p<0.01被認(rèn)為是差異極顯著。
突變體AAV衣殼文庫(kù)與小鼠體內(nèi)篩選的結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)可見(jiàn),構(gòu)建了隨機(jī)AAV質(zhì)粒文庫(kù)后,連接到含有ITR的AAV2載體,對(duì)隨機(jī)篩選的突變型AAV衣殼基因進(jìn)行DNA限制性酶切分析(圖1(b)),結(jié)果表明絕大多數(shù)隨機(jī)篩選出的AAV衣殼基因包裝AAV衣殼可行。接下來(lái)進(jìn)行了突變體AAV載體文庫(kù)三質(zhì)粒包裝。在成年小鼠體內(nèi)進(jìn)行突變體AAV衣殼文庫(kù)的生物篩選,尾靜脈注射劑量為5×1011vg的AAV衣殼文庫(kù),獲取心肌中豐富且肝臟中較少的克隆。在兩輪篩選后,得到了兩個(gè)名為AAVH50與AAVH59具有心肌靶向潛力的AAV衣殼。
用軟件Align X將AAVH50與AAVH59的測(cè)序結(jié)果與AAV1~AAV4、AAV6~AAV9的衣殼序列經(jīng)過(guò)對(duì)比和篩選,結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明AAVH50衣殼蛋白VP1的氨基酸序列由AAV1(583~736)、AAV2(1~79)、AAV3B(80~123)、AAV6(344~582)、AAV7(222~309)、AAV8(178~221)和AAV9(124~177、210~221、310~343)的衣殼部分序列組成。AAVH59由AAV3B(1~65、262~327)、AAV6(147~261、328~735)與AAV8(66~146)衣殼的部分序列組成。
C57BL/6J小鼠尾靜脈分別注射3×1011vg的AAV9-CMV-Luc、AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMVLuc后,通過(guò)活體成像檢測(cè)體內(nèi)熒光素酶活性結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明AAV9在小鼠肝臟中有明顯的Luc基因表達(dá),但是AAVH50和AAVH59在肝臟中的基因表達(dá)低于AAV9,并且在心臟處均有明顯的基因表達(dá),而且AAVH50在心臟處表達(dá)效果要好于AAVH59。
為了探究不同衣殼載體在各個(gè)組織的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率,小鼠尾靜脈分別注射3×1011vg的AAV9-CMVLuc、AAV6-CMV-Luc、AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMV-Luc后,對(duì)比了11種小鼠組織中的熒光素酶的活性,結(jié)果如圖4(a)所示。結(jié)果表明,在心臟、脛骨前?。═ibialis anterior,TA)、前肢、隔膜?。―iaphragm,DIA)中,AAVH50、AAVH59的表達(dá)均低于AAV9(p<0.05)的表達(dá),在肝臟、肺部、腎臟中AAVH50、AAVH59的表達(dá)均低于AAV9和AAV6(p<0.05)的表達(dá),在脛骨前肌中,AAVH50的表達(dá)低于AAV6的表達(dá)(p<0.05),在腓腸?。℅astrocnemius GAS)中AAVH50表達(dá)比AAV9的表達(dá)低(p<0.01),在股肌中AAVH50的表達(dá)高于AAV6的表達(dá)(p<0.05),在脾臟中AAVH59的表達(dá)低于AAV6的表達(dá)(p<0.05),在胰臟中表達(dá)AAVH50低于AAV9(p<0.05),同時(shí)發(fā)現(xiàn),與AAV6、AAV9、AAVH50相比,AAVH59在肝臟中的表達(dá)水平極低。將4種AAV衣殼載體在心臟與肝臟熒光素酶基因的表達(dá)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4(b)所示,AAVH50在心臟與肝臟表達(dá)的比率為17∶1,AAVH59在心臟與肝臟的表達(dá)比率為35∶1,AAV9和AAV6在心臟與肝臟中的比率為分別1∶2和1∶4,結(jié)果發(fā)現(xiàn)AAVH50與AAVH59心肝表達(dá)比顯著性高于AAV6與AAV9(p<0.01)。
通過(guò)提取心臟和肝臟中的DNA,研究了尾靜脈注射后,小鼠的心臟和肝臟中的載體基因拷貝數(shù),結(jié)果如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn),AAVH59在小鼠心臟中的載體DNA的拷貝數(shù)低于AAV6的拷貝數(shù)(p<0.01),AAVH50的小鼠肝臟中的載體DNA拷貝數(shù)低于AAV9和AAV6的拷貝數(shù)(分別低169倍和30倍,p<0.01),AAVH59在肝臟拷貝數(shù)更加低于AAV9和AAV6的拷貝數(shù)(分別低55 000倍和9 830倍,p<0.01),表明AAVH59在肝臟中的表達(dá)極低。將4種AAV的心臟與肝臟載體DNA拷貝數(shù)的進(jìn)行比較(圖5(b)),結(jié)果顯示,AAVH50在心臟與肝臟載體拷貝數(shù)的比率高于AAV9(p<0.01)和AAV6的比率(p<0.05),AAVH59顯著高于AAV9和AAV6(p<0.01),熒光素酶與DNA拷貝數(shù)在小鼠心臟和肝臟比率兩個(gè)方面具有相似的趨勢(shì)。因此,表明了AAVH50在心臟中表達(dá)與AAV6和AAV9表達(dá)相近,AAVH59在心臟中表達(dá)低于AAV6表達(dá),但兩者在肝臟中的表達(dá)的均低于AAV6和AAV9表達(dá),同時(shí)AAVH59在肝臟中的表達(dá)極低,兩個(gè)新篩選出的載體均在心臟有較好地表達(dá),同時(shí)在肝臟中的表達(dá)很低。
圖1 DNA shuffling技術(shù)構(gòu)建突變體AAV衣殼文庫(kù)與小鼠體內(nèi)篩選Fig. 1 Construction of mutant AAV capsid library by DNA shuffling technology and in vivo screening in mice
為了體外模擬直接心肌注射的效果,直接對(duì)比AAV6、AVV9、AAVH50和AAVH59在大鼠原代心肌細(xì)胞中的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率。如圖6(a)所示,以MOI(Multiplicity of Infection)為1×104和1×103的比例加入AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMV-Luc、AAV6-CMV-Luc、AAV9-CMV-Luc,利用熒光素酶試劑盒進(jìn)行熒光素酶含量檢測(cè),發(fā)現(xiàn)與AAV6直接感染的效率最高,AAVH50直接感染的效率較差,AAVH59感染效率隨著MOI(Multiplicity of infection)增加,呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)(p<0.05)。
圖2 AAVH50與AAVH59的衣殼序列分析Fig. 2 Sequence analysis of the AAVH50與AAVH59 capsid
圖3 注射AAV9-CMV-Luc、AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMV-Luc后小鼠熒光素酶活體成像。Fig. 3 In vivo imaging of mouse luciferase after injection of AAV9-CMV-Luc、AAVH50-CMV-Luc、AAVH59-CMV-Luc
圖4 尾靜脈注射AAV載體后各種小鼠組織中的熒光素酶活性Fig. 4 Luciferase activity in various mouse tissues after tail vein injection of AAV vector
圖5 尾靜脈注射AAV載體后各種小鼠組織中載體基因組拷貝數(shù)Fig. 5 Vector genome copy numbers in various mouse tissues after tail vein injection of AAV vector
加入AAV9-CMV-GFP、AAV6-CMV-GFP、AAVH50-CMV-GFP、AAVH59-CMV-GFP感染大鼠心肌細(xì)胞,當(dāng)MOI值均為1×104時(shí)進(jìn)行GFP熒光檢測(cè),結(jié)果如圖6(b)所示,結(jié)果表明每個(gè)AAV載體的GFP熒光表達(dá)從高到低排序?yàn)锳AV6,AAVH59,AAVH50和AAV9,與熒光素酶的結(jié)果呈相同的趨勢(shì)。
心肌疾病的基因治療,以AAV作為基因治療的載體具有一定的優(yōu)勢(shì),AAV易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期持久的心肌表達(dá),同時(shí)AAV不能自主復(fù)制,免疫原性低,較少引發(fā)免疫反應(yīng),所以AAV載體能夠具有心肌基因治療的潛力。雖然現(xiàn)有的AAV6與AAV9能夠有著較強(qiáng)的心肌表達(dá)效果[9,12],但是它們組織特異性較差,基因轉(zhuǎn)導(dǎo)心肌的同時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)導(dǎo)到心肌外的其他組織,尤其是肝臟[27]。本研究嘗試通過(guò)衣殼改造來(lái)解決AAV心肌特異性低的問(wèn)題。
本研究通過(guò)DNA shuffling構(gòu)建了AAV衣殼基因文庫(kù),并在體內(nèi)進(jìn)行了直接篩選。主要優(yōu)點(diǎn)是避免了體外篩選的偏差與局限性。為了減少AAV在肝臟的靶向性,提高體內(nèi)篩選特異性,根據(jù)載體在心臟、肝臟出現(xiàn)的頻率作為篩選依據(jù)應(yīng)該是最理想和可行的策略[28]。研究結(jié)果表明:本研究成功地篩選到了心肌靶向性高且其他組織感染少的兩個(gè)載體AAVH50與AAVH59。同時(shí),AAVH50與AAV9的心肌感染方式較為類(lèi)似,尾靜脈注射轉(zhuǎn)導(dǎo)心肌的效率較高,AAVH59與AAV6較為類(lèi)似,直接感染具有較好心肌轉(zhuǎn)導(dǎo)效率(圖4、5、6(a))。
對(duì)比圖3中Luc的活性與圖4中病毒拷貝數(shù),發(fā)現(xiàn)AAV9, AAVH50和AAVH59的變化趨勢(shì)相同,但是AAV6的結(jié)果出現(xiàn)了不一致的情況,可能是由于病毒拷貝數(shù)檢測(cè)使用的是qPCR定量的方法,反映的是AAV的轉(zhuǎn)導(dǎo)情況,而Luc的活性檢測(cè)則為AAV轉(zhuǎn)導(dǎo)后的DNA表達(dá)情況,因?yàn)椴煌逍虯AV在小鼠體內(nèi)存在差異性,導(dǎo)致AAV6的Luc的活性與病毒拷貝數(shù)不一致。
圖6 不同AAV載體在原代心肌細(xì)胞上的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率Fig. 6 Transduction efficiency of different AAV vectors on primary cardiomyocytes
由圖6可見(jiàn),AAV6的Luc表達(dá)遠(yuǎn)高于AAV9、AAVH50,對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn),AAV9與AAVH50的值變化不大,而AAV6、AAVH59有非常明顯的增加,可能是AAV6通過(guò)尾經(jīng)脈注射,難以透過(guò)血管,導(dǎo)致在心肌中的表達(dá)受限[11]。但是在對(duì)于直接感染心肌組織,AAV6能夠快速和高效地轉(zhuǎn)導(dǎo)到嚙齒動(dòng)物心肌[10]。通過(guò)GFP熒光的驗(yàn)證,同時(shí)也證明了AAV6直接感染心肌細(xì)胞具有較高表達(dá),而與AAV6對(duì)比,AAV9與AAVH50則熒光信號(hào)較低。
綜上,AAVH59的性質(zhì)與AAV6相類(lèi)似,同時(shí)AAVH50則展現(xiàn)出新的特性,兩個(gè)載體轉(zhuǎn)導(dǎo)情況差異的具體機(jī)理尚不清楚,我們推測(cè)與載體組成的AAV親本有關(guān),AAVH50由AAV1,AAV2,AAV3B,AAV6,AAV7,AAV8,AAV9組成,AAVH59由AAV3B,AAV6,AAV8組成。AAV1和AAV6獲得的衣殼片段可能在心臟紋肌的感染性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用,而AAV7和AAV8可能通過(guò)增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)層的轉(zhuǎn)運(yùn)而改善了系統(tǒng)基因的傳遞能力[29],所以AAVH50較AAVH59有較好的傳遞性,而AAVH59同AAV6相似,具有較直接的感染性。
最后本研究并沒(méi)有能夠提高心肌的轉(zhuǎn)染效率,后續(xù)可以通過(guò)使用心臟特異性啟動(dòng)子進(jìn)行AAV載體的優(yōu)化,進(jìn)一步增強(qiáng)AAVH50與AAVH59在心肌中的基因表達(dá),為心肌疾病的基因治療提供幫助。