Applicazioni terapeutiche dell’RNA interference come shRNA

Papillomavirus, Prioni

Loriana Vitillo

TERAPIA GENICA

Modificare il materiale genetico delle cellule per scopi terapeutici.

Un gene aberrante può essere silenziato attraverso l’utilizzo di vettori virali ingegnerizzati che si integrano nel genoma della cellula target e trascrivono piccoli RNA interferent i che downregolano l’espressione del mRNA target.

L’interferenza mediata da short harping Rna (shRNA) è molto efficace. I costrutti sono formati da due stem di 21 nucleotidi complementarei al mRNA target e da una forcina di circa 6 nucleotidi, disegnata sul modello dei miRNA, ben riconosciuta da DICER che li processa in siRNA maturi. Il silenziamento con shRNA è stabile nel tempo (anche mesi)

VETTORI LENTIVIRALIDiversi tipi di vettori virali sono stati utilizzati per veicolare materiale genetico. Ad esempio gli Adenovirus, che hanno il limite di essere altamente immunogenici e di poter infettare solo cellule in attiva divisione.

I lentivirus, della famiglia dei retrovirus possono infettare molti tipi cellulari,anche non replicanti (!)Il genoma è formato da due eliche di RNA identici. Contiene le sequenze gag per le proteine del capside che lo circonda, env per l’envelop e glicoproteico, pol per gli enzimi transcrittasi inversa e per la replicazione.La sequenza Ψ è il segnale per il packaging. I vettori lentivirali sono basati sul virus dell’HIV-1 che normalmente infetta i linfociti CD-4 positivi del sistema immunitario.

PRODUZIONE DI VETTORI LENTIVIRALI

TRANSFER PLASMID Contiene: ilcostrutto shRNA a valle del promotore forte U6 per la polimerasi III ; sequenza Ψ; regioni LTR per l’intergazione; origine di replicazione nei batteri; resistenza di selezione; numerosi siti restrizione.

PACKAGING PLASMIDContiene: Sequenze Gag ; sequenze Pol ed enzimi per la replicazione; nessuna sequenza Ψ di packaging

ENVELOPE PLASMIDContiene: sequenze per la produzione di glicoproteine dell’envelope VSV-G ad ampio spettro.

Separando le sequenze per la produzione della particella virale in tre plasmidi separati si produce un virus self-inactivate, che ha perso la capacità di autoreplicarsi nell’ospite.

TERAPIA GENICA IN VIVO E SICUREZZA

VANTAGGI •I vettori lentivirali possono essere iniettati direttamente nel paziente. •La manipolazione ex vivo non è necessaria. •Sono poco immunogenici•Raggiungono la cellula target e la infettano grazie ai contatti con i recettori di membrana•Infettano ad alta efficienza molti tipi cellulari, replicanti o non.

RISCHI•Eventi di ricombinazione indesiderati possono produrre visus replicanti che infettano il paziente di HIV•Mutagenesi inserzionale può portare, con alta probabilità, al cancro o ad altre patologie genetiche.

Short harping RNASi ripiegano su se stessi una volta trascritti dall’RNA polimerasiIII , guidata dal promotore umano U6 .

Per migliorare il silenziamento genico si costruiscono vettori che esprimono multipli shRNA contro uno specifico target, ad esempio contro diverse sequenze conservate. Questi vettori portano un vero e proprio set terapeutico nel paziente, che punta a sopprimere l’effetto biologico della patologia da più punti di vista contemporaneamente attraverso l’RNA interference.

Inhibition of cervical cancer cell growth in vitro and in vivo with lentiviral-vector delivered short hairping RNA targeting human papillomavirus E6 and E7 oncogenes

W.gu, L Putral, kHengst,K Minto, NA Saunders, G Leggatt and NAJ McMillan

Cancer Gene Therapy 2006

Human Papillomavirus (HPV) è un virus a dsDNA che infetta gli epiteli ed è associato all’espressione degli oncogeni E6 ed E7 responsabili del carcinoma della cervice uterina.Si producono lentivirus esprimenti shRNA contro due sequenze dell’mRNA di E6-E7 allo scopo di inibire la crescita tumorale indotta dalla loro espressione.

Citometria delle cellule Hela infettate con i due vettori diversi contro E6 –

E7 e il controllo PLL. Tutti esprimono GFP e l’efficienza di infezione è alta.

Si dimostra tramite analisi biochimiche di western blot che soltanto il vettore LV18E6-1 sopprime effettivamente l’espressione di E7.

Si infettano cellule HeLa con dosi crescenti di LV18E6-1 e si dimostra che all’aumentare della dose aumenta l’effetto di soppressione di E7

L’effetto è dose dipendente.

Siccome E6 e E7 sono trascritte in modo bicistronico la degradazione del mRNA sotto effetto di shRNA risulta in una diminuzione anche dei livelli di E7.

Per verificare se l’effetto di soppressione da shRNA è effettivamente stabile nel tempo si monitorano i livelli di E7 ad 1 e 2 settimane dopo l’infezione.

La soppressione è stabile

Si osserva che le cellule HeLa infettate con alte dosi di LV18E6-1 vanno in apoptosi, infatti l’attività di caspasi 3/7 aumenta. Questo si può spiegare come effetto della soppressione di E7 nella cellula, ma anche come risposta citotossica all’infezione virale massiccia, soprattutto quando copie multiple di genoma virale si integrano in una stessa cellula provocando danni che la inducono al suicidio.

Per testare l’efficienza del vettore LV186-1 e 2 in vivo, si iniettano cellule HeLa infettate con LVs nella parte subcutanea del collo dell’utero di femmine si topo RAG-/- Il 21esimo giorno si preleva il tumore e si compara con il controllo.

La crescita del tumore è stata inibita dal vettore Lv186-1. I risultati in vitro sono confermati.

Viene testata l’efficacia di Lv18E6-1 in un modello in cui un tumore ai polmoni, creato per iniezione endovenosa di HeLa non infettate, è stablizzato e il vettore virale viene somministrato sucessivamente.

Esami istologici su sezioni di polmone differentemente trattate:Rispetto al controllo, c’è una diminuzione dei noduli nei gruppi di topi iniettati con LV18E6-1.

WT MICE WITH TUMOR

INJECTED WITH PLL INJECTED WITH 18E6-1

In conclusione, questi dati dimostrano che shRNA veicolati da Lentivirus di terza generazione sopprimono specificamente l’espressione degli oncogeni E6-E7 nelle cellule del cancro della cervice, HeLa. Inoltre in vivo è inibita la crescita tumorale e in un modello di cancro del polmone l’inoculo di LVshRNA porta ad una significante riduzione del tumore in stato già avanzato, supportando l’impiego dell’RNA interference e degli LVshRNA come trattamento terapeutico del cancro da HPV.

Lentivector-mediated RNAi efficientlysuppresses prion protein and prolongs

survival of scrapie-infected miceAlexander Pfeifer,Sabina Eigenbrod,Saba Al-Khadra, Andreas Hofmann,Gerda Mitteregger,Markus Moser, Uwe Bertsch,, and Hans Kretzschmar The journal of Clinical investigation 2006

L’encefalopatite spongiforme trasmissibile (TSE)è una malattia neurodegenerativa che colpisce il sistema nervoso centrale. E’ causata dall’accumulo di una isoforma resistente alle proteasi chiamata PrPsc derivante dallo scorretto folding della proteina prionica PrPc. Il suo accumulo causa disfunzionamento e morte neuronale.Si costruiscono vettori lentivirali ad shRNA contro la proteina PrPc e si testano sulle cellule di neuroblastoma muirino N2a.

Il reporter gene EGFP, inserito nella cassetta dello short harping, permette di valutare l’efficienza di trasfezione: il 90% delle cellule N2a hanno incorporato il virus

Wester blotting su cellule N2a per PrPc rivela che solo una delle sei sequenze shRNA è funzionale per la downregolazione della proteina. Il costrutto casuale shscr (scramble) non è efficace.LVsh512 riduce l’espressione di PrPc più del 90%

Si dimostra l’effetto di LVsh512 anche in cellule neuronali primarie 72 ore dopo l’infezione

Effetto di Lvsh512 contro PrPsc in cellule N2a infettate cronicamente con PrPsc(scN2a) .

Il vettore lentivirale ad shRNA silenzia l’espressione di PrPc e l’accumulo di PrPsc in cellule neuronali dove è già presente l’infezione prionica

LVsh512 e LVshscr vengono iniettati, per via intracranica, nel cervello di topi transgenici che portano 60 copie del gene per PrPc. Tre settimane dopo l’iniezione si esaminano i valori di EGFP e di PrPc per immunoistochimica.

Esperimenti in vivo

LVshscr LVsh512

Soltanto nei topi iniettati con LVsh512 si ha una riduzione dell’accumulo di PrPc.

Knock down di PrPc in topi chimerici per shRNA:Vengono infettate cellule ES con LVsh512 e inserite in una blastocisti wilde tipe per produrre delle chimere.

Più è alto il livello di chimericità del topo transgenico più l’espressione di PrPc è downregolata

Sezioni dell’hippocampo analizzate per immunoistochimica. Il wilde tipe ha elevati livelli di PrPc (in rosso). Nella chimera si vede una chiara riduzione della proteina coincidente con le regioni in cui EGFP è espressa, quindi la soppressione è dipendente dall’shRNA.

PrPc in WT EGFP in WT PrPc in trans EGFP in trans

Attraverso i vettori lentivirali shRNA sono in grado di sopprimere l’espressione di PrPc in vitro e in vivo nelle cellule neuronali, anche in quelle infettate con PrPsc.Adesso si vuole testare l’effetto degli LVshRNA sulla patologia.

Si inetta nel cervello dei topi chimerici-Lvsh512 una sospensione di cervello proveniente da topi affetti da scrapie, l’equivalente delle TSE umana. In questo modo si induce la malattia, che è infettiva.

Come controllo: chimera contenente EGFP nella cassetta sh( GFP3); topo WT(129sv); chimera C57x129sv

Il 64% dei trangenici LVsh512 sopravvive più di 174 giorni dopo l’inoculazione di scrapie, quelli con alta chimericità fino a 231 giorni.

Questo studio dimostra che è possibile una terapia genica dei prioni basata sull’Rna interference e sui lentivirus ad shRNA. E’ da considerare che soltanto ristrette zone del sistema nervoso centrale sono state iniettate, ma con una apertura farmacologica della barriera cerebrale al passaggio di vettori virali sarebbe possibile trattare ogni zona del cervello potenzialmente infetta. Non solo, questo sistema, oltre ad avere rilevanza biomedica per l’uomo, si può applicare anche agli animali, riducendo il rischio di trasmissione all’uomo. L’RNAi e la terapia genica con lentivirus ad shRNA promettono di essere una razionale alternativa al gene targeting