第2回 Cas9蛋白与gRNA的转染试剂GenomONE^®-GE

基因分析、新技术及其应用 

石原产业株式会社

近藤 由隆

 

◆前言

在基因编辑中，虽然有许多转染编码Cas9和gRNA的质粒的案例，但其表达水平及脱靶仍是一项课题。为避免出现这种情况，将Cas9蛋白和gRNA导入细胞内的研究案例不断增加。但对于阳离子型的转染试剂，不少细胞类型仍无法获得充分的基因编辑效率。

 GenomONE^®–GE是一款利用非胞吞途径，而通过膜融合直接将Cas9蛋白和gRNA导入细胞内的转染试剂。由于通过非胞吞途径，可在导入细胞过程中抑制Cas9蛋白和gRNA的分解，实现高效的基因编辑。本文中介绍的GenomONE^®–GE既可应用于难转染的T细胞，亦可应用于基因的Knock-in。

◆GenomONE^®–GE具有HVJ-E的特点

1. 阳离子型转染试剂及病毒载体的特点

目前，市售有各种各样的阳离子型转染试剂。这些转染试剂安全性高，并且对特定的细胞类型可以高效地将物质导入细胞内，但不一定对所有细胞类型都有效。尤其是对于悬浮的免疫细胞，不仅效率低，而且缺乏通用性。由于病毒载体是利用病毒的感染力，所以与阳离子型转染试剂相比，具有优越的基因导入和表达效率，但仍存在安全性问题。因此，迄今为止开发的阳离子型转染试剂、病毒载体均具优缺点，能够开发一种可将物质安全且高效地导入细胞的新技术备受期待。在此背景下，大阪大学的金田安史教授基于一个全新的想法，开发了能把物质安全且高效地导入细胞内的高性能载体——HVJ-E(Hemagglutinating virus of Japan envelope ; HVJ-E)^1）。

 

2.HVJ-E是一种安全性高的转染试剂

HVJ-E是破坏了仙台病毒基因组的灭活仙台病毒。由于仙台病毒已完全丧失原有的感染性和增殖性，无需特殊设备即可用于生物安全等级1（BSL1）的实验室（图1(a））。 具有HVJ-E特性的研究用试剂GenomONE^® 系列自2002年开始投放市场以来，还没有任何关于在外部设备感染到病毒的案例报道。这是由于HVJ-E在制备过程中和制备完成后，通过使用鸡蛋和培养细胞对病毒是否已完全丧失感染性和增殖性进行确认，且对产品进行了严格的品质管理。

 

3.HVJ-E包膜内可包装各种物质

HVJ-E的包膜内已确认的可包装的物质包括siRNA、miRNA、质粒DNA、蛋白等。本文所介绍的GenomONE^®–GE中，包括了将Cas9蛋白和gRNA高效包装到HVJ-E包膜内所需的各种专用试剂，操作简便且易于包装。

 

4. HVJ-E通过膜融合将物质导入细胞内

通常情况下，阳离子型的转染试剂通过胞吞途径被摄入细胞内，并被溶酶体分解，所以从内体逃逸到细胞质的过程成为了障碍。另一方面，在HVJ-E的外膜中，存在着与仙台病毒相同的、参与膜融合的F蛋白、HN蛋白，并且具有非常高的膜融合能力。HVJ-E通过膜融合将包装在包膜中的物质直接导入细胞内，可避免胞吞途径。因此，可在导入细胞内的过程中，避免Cas9蛋白和gRNA等想要导入细胞内的物质的分解，可以实现更好的导入效果（图1(b））。

 

5. HVJ-E是一款可适用于各种细胞类型并且通用性高的转染试剂

　　HVJ-E可识别唾液酸并与细胞结合，所以细胞特异性低，可广泛用于从哺乳类到鸟类等多种类型的细胞。令人惊讶的是，对于阳离子型转染试剂难以将物质导入细胞内的B细胞和T细胞这样的免疫细胞也同样适用^2,3)。目前，已报道了许多研究人员将物质转染到多种细胞类型的成功案例（图1(c））。

图１．HVJ-E的概况

　　 （a）仙台病毒和HVJ-E的特点

　　 （b）通过膜融合将物质导入细胞内

　　 （c）已确认可通过HVJ-E将物质导入细胞内的细胞类型

图2．使用GenomONE^®–GE基因编辑的实验结果

　　（a）小鼠T细胞中导入Cas9蛋白和gRNA的基因敲除

　　（b）使用ssODN（Donar DNA）的基因敲入

 

 

◆使用GenomONE^®-GE基因编辑的实验结果

1.    可向难转染的小鼠T细胞中导入Cas9蛋白和gRNA

小鼠脾脏来源的T细胞经PMA /ionomycin刺激后，分别使用GenomONE^®–GE、其他公司试剂C和其他公司试剂T对Cas9蛋白和以小鼠Ppib基因为靶向的sgRNA （2'OMe+PS修饰）进行转染（96孔板）。2天后，对靶部位进行PCR扩增，从T7 endonuclease I处理后的电泳带状图计算出敲除效率。与GenomONE^®–GE获得了较高的敲除效率相比，其他公司试剂C和其他公司试剂T完全无法确认基因编辑效果（图2(a））。

2.    适用于ssODN（Donar DNA）的Knock-in

使用GenomONE^®–GE将Cas9蛋白、以人PPIB基因为靶向的sgRNA（2'OMe+PS修饰）、含有限制酶BamHI识别位点作为插入序列的ssODN（PS修饰）转染到HeLa细胞中（48孔板）。2天后，对靶部位进行PCR扩增，从限制性内切酶BamHI处理后的电泳带状图计算得到敲入效率。GenomONE^®–GE 不仅实现较高的敲入效率，而且在非同源末端结合（NHEJ）路径中发挥了DNA-PK抑制剂的作用， 通过使用NU 7441可以进一步提高同源重组修复（HDR）的敲入效率（图2(b)）。

 

◆结语

GenomONE^®–GE除了用于小鼠T细胞和HeLa细胞外，对于Jurkat、THP-1、U-937、RAW264.7和HEK-293细胞等难转染细胞在内的多种细胞类型都具有较高的基因编辑效率。以上结果证明，GenomONE^®–GE是一种通用性高、可转染Cas9蛋白和gRNA的转染试剂。

通常，使用阳离子型转染试剂将质粒DNA导入细胞内的障碍，如从内体逃逸至细胞质，转录/翻译效率等因素都与细胞难转染有关。若使用本文介绍的GenomONE^®–GE将Cas9蛋白和gRNA导入细胞内时，上述的障碍将不再是问题。也就是说，通过膜融合将物质导入细胞内，可避免胞吞途径，无需转录和翻译，所以转染困难的细胞也可实现高效率的基因编辑。希望阅读本文的研究人员可以尝试使用一下这款具有独特高性能HVJ-E载体的GenomONE^®–GE。

 

◆参考文献

1） Kaneda, Y. et al. : Mol. Ther., 6, 219(2002).

2） Hatano, R. et al. : J. Immunol., 194, 960(2015).

3） Akamatsu, M. et al. : Sci. Immunol., 4 eaaw2707(2019).