Evaluatie van de effectiviteit en toxiciteit van RNA's Targeting HIV-1 productie voor gebruik in Gene of Drug Therapy
Summary
Methods to evaluate the efficacy and toxicity of RNA molecules targeting post-integration steps of the HIV-1 replication cycle are described. These methods are useful for screening new molecules and optimizing the format of existing ones.
Abstract
Small RNA therapies targeting post-integration steps in the HIV-1 replication cycle are among the top candidates for gene therapy and have the potential to be used as drug therapies for HIV-1 infection. Post-integration inhibitors include ribozymes, short hairpin (sh) RNAs, small interfering (si) RNAs, U1 interference (U1i) RNAs and RNA aptamers. Many of these have been identified using transient co-transfection assays with an HIV-1 expression plasmid and some have advanced to clinical trials. In addition to measures of efficacy, small RNAs have been evaluated for their potential to affect the expression of human RNAs, alter cell growth and/or differentiation, and elicit innate immune responses. In the protocols described here, a set of transient transfection assays designed to evaluate the efficacy and toxicity of RNA molecules targeting post-integration steps in the HIV-1 replication cycle are described. We have used these assays to identify new ribozymes and optimize the format of shRNAs and siRNAs targeting HIV-1 RNA. The methods provide a quick set of assays that are useful for screening new anti-HIV-1 RNAs and could be adapted to screen other post-integration inhibitors of HIV-1 replication.
Introduction
Een beperking van de huidige HIV-1 behandelingen is dat ze chronisch moeten worden toegediend aan progressie van de ziekte te voorkomen. Transplantatie van HIV-1 resistent T-lymfocyt of hematopoietische stamcellen, heeft het potentieel om lange termijn controle van HIV-1 replicatie verschaffen bij afwezigheid van de therapie 1,2 en kan ook een effectieve aanpak van een HIV-1 behandeling te bereiken 3. Een manier om cellen resistent tegen HIV-1 replicatie render dient een of meer genen die coderen voor anti-HIV-1 RNA of peptiden in cellen van een geïnfecteerd individu plaatst tijdens een autologe transplantatie 4. Sommige kandidaat anti-HIV-1-genen zijn ontworpen met een aantal invoeren klinische proeven in combinaties van twee of 5 drie 6, de ontwikkeling van HIV-1 resistentie voorkomen dat een enkel gen.
Anti-HIV-1 RNA tot de top kandidaten voor combinatie gentherapie vanwege hun lage potentie tot immuunreacties en omdatgetranscribeerd vanaf zeer korte gensequenties. Sommige anti-HIV-1 RNA's zijn ontworpen om virale binnenkomst en integratie targeten. De meeste anti-HIV-1 RNA doelwit na integratiestappen in de virale levenscyclus (figuur 1). Na integratie remmers omvatten helper-RNA's, gericht op de HIV-1 regulerende eiwitten Tat of Rev 1, en antisense-RNA gebaseerde, gericht is op verschillende plaatsen in HIV-1 RNA, zoals ribozymen 7, shRNAs 8 en 9 U1i RNAs. Werkwijzen die zijn gebruikt om de effectiviteit van anti-HIV-1 RNA te vergelijken onder controle virale replicatie in cellen getransduceerd met genen coderend voor kandidaat RNA's en het meten van virusproductie in cellen tijdelijk getransfecteerd met plasmiden die kandidaat RNA en HIV-1 expressieplasmide 10 -13. We hebben voorheen een HIV-1-productie-assay voor het screenen van HIV-1 RNA naar nieuwe ribozyme doelplaatsen 13-15. Deze methoden zijn inmiddels verfijnd om het formaat van een RNA te optimalisereninterferentie molecuul tot expressie gebracht uit plasmide-DNA als een shRNA of geleverd als synthetische siRNA 16. De test meet de productie van rijpe virussen uit humane embryonale nier (HEK) 293T cellen, en kan worden gebruikt om de effecten van remmers die post-integratiestappen in de HIV-1 replicatie cyclus targeten (figuur 1) te vergelijken. Voor remmers die pre-integratiestappen targeten, worden alternatieve assays zoals TZM-bl infectiviteit cell assay 17 nodig antivirale werkzaamheid te evalueren.
Belangrijke veiligheidsproblemen voor de afgifte van anti-HIV-1 RNA in de kliniek onder potentiële off-target effecten op de RNA of eiwitten, en activering van aangeboren immuunsysteem sensoren. Om de toxiciteit van anti-HIV-1 siRNA evalueren, hebben wij een cellevensvatbaarheid assay verschillende cellijnen 16 gebruikt. Ook gemeten activatie van het dubbelstrengs RNA immune sensoren, RNA geactiveerd proteïne kinase R (PKR) en toll-like receptor 3 (TLR3), alsmede expression van de interferon-geïnduceerde gen, ADAR1 P150. Deze testen kunnen worden gebruikt om te bevestigen dat de werkzaamheid van anti-HIV-1 RNA's niet door indirecte effecten op cellevensvatbaarheid of immuun activering sensor. Ze zijn ook bruikbaar bij het uitsluiten van kandidaat RNA met potentiële toxiciteiten verdere ontwikkeling.
In de volgende protocollen, procedures nieuwe therapeutische RNAs identificeren en optimaliseren van de vorm van bestaande beschreven. De werkwijzen zijn bruikbaar voor het screenen op RNA gebaseerde na integratie remmers van HIV-1 replicatie en kunnen worden aangepast aan andere post-integratie remmers, zoals kleine moleculen gericht op Rev gemedieerde uitvoer van viraal RNA 18 of CRISPR scherm / Cas systemen die gericht geïntegreerd HIV-1-DNA 19.
Protocol
Representative Results
Discussion
De HIV-1-productie-assay beschreven werd uitgevoerd onder toepassing HEK293T-cellen (figuur 2) en is vergelijkbaar met assays gebruikt voor het screenen van HIV-1 RNA doeltreffende ribozym 13, 10,29 shRNA, siRNA 30 en U1i RNA 11,31 doelplaatsen. Verschillende methodes te kwantificeren HIV-1 productie, hebben de meeste studies werd virusproductie 48 uur na cotransfectie van een HIV-1 expressieplasmide met kandidaat-RNAs. Na de productie van HIV-1, onrijpe virio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De hier gepresenteerde werk werd gesteund door de Canadian Institutes of Health Research (CIHR) (verleent DCB-120.266, PPP-133.377 en HBF-348.967 tot AG).
Materials
| DMEM HyClone | GE Healthcare | SH30243.01 | |
| FBS HyClone | GE Healthcare | SH30396.03 | |
| Penicillin/Streptomycin Gibco | Thermo Fisher | 15140-122 | |
| Cell culture plates, 96 well, 24 well, 6 well. | Corning | 353075, 353047, 353043 | |
| Micro tubes Axygen | Corning | 311-08-051 | |
| Low molecular weight Poly I:C | InvivoGen | 3182-29-6 | |
| DharmaFECT-1 | Dharmacon | T-2001-01 | transfection reagent for synthetic RNAs |
| TransIT-LT1 | Mirus | MIR 2300 | transfection reagent for RNA expression plasmids |
| Nonidet P40 (NP-40) | USB | 19628 | |
| [32P]dTTP | Perkin Elmer | BLU505H | |
| poly(A) RNA template | Sigma-Aldrich | 10108626001 | |
| oligo(dT)12-18 DNA primer | Thermo Fisher | 18418-012 | |
| DEAE filtermat paper | Perkin Elmer | 1450-522 | |
| Microplate scintillation counter | Perkin Elmer | 1450-024 | |
| MTT | Sigma-Aldrich | M-2128 | |
| DPBS HyClone | GE Healthcare | SH30028.02 | |
| Microplate spectrophotometer | Bio-rad | 1706930 | |
| Lysis buffer tablets | Roche | 4693159001, 4906837001 | protease and phosphatase inhibitors |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5415R | |
| Bradford reagent | Bio-rad | 500-0006 | |
| Gel running chamber | Hoefer | SE600 | |
| Semi-dry transfer cell | Bio-rad | 1703940 | |
| Protein ladder EZ-Run | Thermo Fisher | BP3603-500 | |
| Nitrocellulose membrane | Bio-rad | 162-0094 | |
| BSA | Sigma-Aldrich | A9647-1006 | |
| Antibody stripping solution | Millipore | 2504 | |
| ECL – Pierce | Thermo Fisher | PI32106 | |
| ADAR1 antibody | from Dr. B.L. Bass | ||
| phospho-T446-PKR antibody | Abcam | ab32036 | |
| phospho-S396-IRF3 antibody | Cell Signaling | 4947 | |
| PKR antibody | from Dr. A. Hovanessian | ||
| IRF3 antibody | Cell Signaling | 11904 | |
| Actin antibody | Millipore | MAB1501 | |
| Peroxidase-labeled goat anti-rabbit | KPL | 474-1506 | |
| Peroxidase-labeled goat anti-mouse | KPL | 474-1806 | |
| Ponceau S | Sigma-Aldrich | 6226-79-5 |
References
- Hoxie, J. A., June, C. H. Novel cell and gene therapies for HIV. Cold Spring Harb Perspect Med. 2, a007179 (2012).
- Bobbin, M. L., Burnett, J. C., Rossi, J. J. RNA interference approaches for treatment of HIV-1 infection. Genome Med. 7, 50 (2015).
- Allers, K., et al. Evidence for the cure of HIV infection by CCR5Delta32/Delta32 stem cell transplantation. Blood. 117, 2791-2799 (2011).
- DiGiusto, D. L., et al. Development of hematopoietic stem cell based gene therapy for HIV-1 infection: considerations for proof of concept studies and translation to standard medical practice. Viruses. 5, 2898-2919 (2013).
- Burke, B. P., et al. Engineering Cellular Resistance to HIV-1 Infection In Vivo Using a Dual Therapeutic Lentiviral Vector. Mol Ther Nucleic Acids. 4, e236 (2015).
- DiGiusto, D. L., et al. RNA-based gene therapy for HIV with lentiviral vector-modified CD34(+) cells in patients undergoing transplantation for AIDS-related lymphoma. Sci Transl Med. 2, 36ra43 (2010).
- Scarborough, R. J., Gatignol, A. HIV and Ribozymes. Adv Exp Med Biol. 848, 97-116 (2015).
- Eekels, J. J., Berkhout, B. Toward a durable treatment of HIV-1 infection using RNA interference. Prog Mol Biol Transl Sci. 102, 141-163 (2011).
- Blazquez, L., Fortes, P. U1 interference (U1i) for Antiviral Approaches. Adv Exp Med Biol. 848, 51-69 (2015).
- McIntyre, G. J., et al. 96 shRNAs designed for maximal coverage of HIV-1 variants. Retrovirology. 6, 55 (2009).
- Sajic, R., et al. Use of modified U1 snRNAs to inhibit HIV-1 replication. Nucleic Acids Res. 35, 247-255 (2007).
- Low, J. T., et al. SHAPE-directed discovery of potent shRNA inhibitors of HIV-1. Mol Ther. 20, 820-828 (2012).
- Scarborough, R. J., et al. A Conserved Target Site in HIV-1 Gag RNA is Accessible to Inhibition by Both an HDV Ribozyme and a Short Hairpin RNA. Mol Ther Nucleic Acids. 3, e178 (2014).
- Lainé, S., et al. In vitro and in vivo cleavage of HIV-1 RNA by new SOFA-HDV ribozymes and their potential to inhibit viral replication. RNA Biol. 8, 343-353 (2011).
- Scarborough, R. J., Lévesque, M. V., Perreault, J. P., Gatignol, A. Design and Evaluation of Clinically Relevant SOFA-HDV Ribozymes Targeting HIV RNA. Methods Mol Biol. 1103, 31-43 (2014).
- Scarborough, R. J., Adams, K. L., Daher, A., Gatignol, A. Effective Inhibition of HIV-1 Production by Short Hairpin RNAs and Small Interfering RNAs Targeting a Highly Conserved Site in HIV-1 Gag RNA Is Optimized by Evaluating Alternative Length Formats. Antimicrob Agents Chemother. 59, 5297-5305 (2015).
- Sarzotti-Kelsoe, M., et al. Optimization and validation of the TZM-bl assay for standardized assessments of neutralizing antibodies against HIV-1. J Immunol Methods. 409, 131-146 (2014).
- Campos, N., et al. Long lasting control of viral rebound with a new drug ABX464 targeting Rev – mediated viral RNA biogenesis. Retrovirology. 12, 1-15 (2015).
- Zhu, W., et al. The CRISPR/Cas9 system inactivates latent HIV-1 proviral DNA. Retrovirology. 12, 22 (2015).
- Bounou, S., Leclerc, J. E., Tremblay, M. J. Presence of host ICAM-1 in laboratory and clinical strains of human immunodeficiency virus type 1 increases virus infectivity and CD4(+)-T-cell depletion in human lymphoid tissue, a major site of replication in vivo. J Virol. 76, 1004-1014 (2002).
- Shan, L., et al. A novel PCR assay for quantification of HIV-1 RNA. J Virol. 87, 6521-6525 (2013).
- Clerzius, G., et al. The PKR activator, PACT, becomes a PKR inhibitor during HIV-1 replication. Retrovirology. 10, 96 (2013).
- Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 72, 248-254 (1976).
- Stoscheck, C. M. Quantitation of protein. Methods Enzymol. 182, 50-68 (1990).
- Battisti, P. L., et al. Additive activity between the trans-activation response RNA-binding protein, TRBP2, and cyclin T1 on HIV type 1 expression and viral production in murine cells. AIDS Res Hum Retroviruses. 19, 767-778 (2003).
- Bannwarth, S., et al. Cell-specific regulation of TRBP1 promoter by NF-Y transcription factor in lymphocytes and astrocytes. J Mol Biol. 355, 898-910 (2006).
- Clerzius, G., et al. ADAR1 interacts with PKR during human immunodeficiency virus infection of lymphocytes and contributes to viral replication. J Virol. 83, 10119-10128 (2009).
- Burugu, S., Daher, A., Meurs, E. F., Gatignol, A. HIV-1 translation and its regulation by cellular factors PKR and PACT. Virus Res. 193, 65-77 (2014).
- ter Brake, O., Konstantinova, P., Ceylan, M., Berkhout, B. Silencing of HIV-1 with RNA interference: a multiple shRNA approach. Mol Ther. 14, 883-892 (2006).
- Naito, Y., et al. Optimal design and validation of antiviral siRNA for targeting HIV-1. Retrovirology. 4, 80 (2007).
- Mandal, D., Feng, Z., Stoltzfus, C. M. Excessive RNA splicing and inhibition of HIV-1 replication induced by modified U1 small nuclear RNAs. J Virol. 84, 12790-12800 (2010).
- Chang, Z., et al. Enhanced expression and HIV-1 inhibition of chimeric tRNA(Lys3)-ribozymes under dual U6 snRNA and tRNA promoters. Mol Ther. 6, 481-489 (2002).
- Chang, L. J., Liu, X., He, J. Lentiviral siRNAs targeting multiple highly conserved RNA sequences of human immunodeficiency virus type 1. Gene Ther. 12, 1133-1144 (2005).
- Daniels, S. M., et al. HIV-1 RRE RNA acts as an RNA silencing suppressor by competing with TRBP-bound siRNAs. RNA Biol. 12, 123-135 (2015).
- Castanotto, D., et al. Combinatorial delivery of small interfering RNAs reduces RNAi efficacy by selective incorporation into RISC. Nucleic Acids Res. 35, 5154-5164 (2007).
- Vickers, T. A., Sabripour, M., Crooke, S. T. U1 adaptors result in reduction of multiple pre-mRNA species principally by sequestering U1snRNP. Nucleic Acids Res. 39, e71 (2011).
- Tai, C. J., Li, C. L., Tai, C. J., Wang, C. K., Lin, L. T. Early Viral Entry Assays for the Identification and Evaluation of Antiviral Compounds. J Vis Exp. , (2015).
- Riss, T. L., et al., Sittampalam, G. S., et al. . Assay Guidance Manual. , (2004).
- Reynolds, A., et al. Induction of the interferon response by siRNA is cell type- and duplex length-dependent. Rna. 12, 988-993 (2006).
- Whitehead, K. A., Dahlman, J. E., Langer, R. S., Anderson, D. G. Silencing or stimulation? siRNA delivery and the immune system. Annu Rev Chem Biomol Eng. 2, 77-96 (2011).
