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Method Article
在这里,我们提出了一种用于工程遗传编码的细胞内蛋白质传感器执行器的方案。该设备通过细胞内抗体 (intrabodies) 特异性检测靶蛋白,并通过开启基因转录输出来响应。构建了一个通用框架来快速替换内部组织,能够在不改变一般结构的情况下快速检测任何所需的蛋白质。
蛋白质可以作为病理状况的生物标志物,例如神经退行性疾病、感染或代谢综合征。对细胞进行工程改造以感知和响应这些生物标志物可能有助于理解病理背后的分子机制,以及开发新的基于细胞的疗法。虽然已经开发了几种检测细胞外蛋白的系统,但缺少一个可以轻松重新设计以感知不同细胞内蛋白的模块化框架。
在这里,我们描述了一种实现模块化遗传平台的方案,该平台可感知细胞内蛋白质并激活特定的细胞反应。该设备对细胞内抗体或小肽进行作,通过基于 TEV 蛋白酶 (TEVp) 的驱动模块,以高特异性感知目标蛋白质,触发输出基因的转录激活。TEVp 是一种选择性切割短同源肽的病毒蛋白酶,因其与切割位点的高度正交性而广泛用于生物技术和合成生物学。具体来说,我们设计了识别并响应病毒感染和遗传疾病的蛋白质生物标志物的设备,包括突变的亨廷顿蛋白、NS3 丝氨酸蛋白酶、Tat 和 Nef 蛋白,以分别检测亨廷顿病、丙型肝炎病毒 (HCV) 和人类免疫缺陷病毒 (HIV) 感染。重要的是,该系统可以根据所需的输入-输出功能结果进行手动定制,例如生物传感器的荧光读数、刺激抗原呈递以产生免疫反应或启动细胞凋亡以消除不健康的细胞。
通过可控工程基因回路研究和调节细胞反应是合成生物学 1,2,3 的主要目标,用于开发在癌症 4、感染5、代谢疾病6 和免疫学7 中具有相关生物学或医学应用的前瞻性工具。
响应特定信号对细胞功能进行重编程需要设计智能接口,将细胞外或细胞内动态变化的传感(输入)与下游加工联系起来,触发特定输出,用于诊断目的(即报告基因)或重新连接细胞反应(治疗)。传感模块检测到的输入可以是小分析物8、蛋白质9、10、11 或 microRNA11、12、13,对疾病的发作或进展具有特异性。此外,可以通过多个输入信息处理实现复杂的电路调控,从而增加对转基因表达的严格控制,以响应定义的条件 14,15,16。例如,基于 microRNA 的传感器可以识别特定细胞类型,例如癌细胞,通过凋亡基因的表达诱导其清除13。由于 microRNA 很容易以模块化方式在合成电路中实现,因此它们代表了基因编码生物传感器的广泛使用的输入 12,13,17。蛋白质也是基因突变、癌症和感染的有效生物标志物,事实上已经报道了许多细胞外蛋白质传感装置18,19。
许多检测细胞外蛋白的回路依赖于工程受体的使用,这些受体将转录因子 (TF) 拴在膜上,并与 TEVp 反应性切割位点 (TCS) 融合。TEVp 的一个主要优点是切割的特异性和对内源性蛋白质加工的无干扰。在这些系统中,TEVp 与第二肽融合,该肽在细胞外分子结合时与工程受体相互作用。因此,外部输入诱导 TEVp 介导的切割和 TF 释放。与这种机制一起工作的系统是 Tango/TEVp18、光诱导20 和模块化细胞外传感器架构 (MESA)19。尽管在检测细胞外蛋白方面取得了进展,但以前从未实现过以模块化方式传感细胞内蛋白的技术,其局限性在于对响应特定蛋白质的单个设备要经历多次构建和测试迭代。
我们的系统是第一个用于细胞内蛋白质感应的平台21。通过使用定义靶标特异性的体内机构来保证模块化,而细胞重编程是 TEVp 介导的。具体来说,一个体内体膜结合并与荧光蛋白 mKate、TCS 和 TF(融合蛋白 1)的 C 端融合;第二个内部与 TEVp 融合并位于胞质溶胶(融合蛋白 2)中(图 1)。
因此,两个内部抗体与靶蛋白之间的相互作用发生在细胞质中,并导致 TEVp 切割 TCS,导致 TF 易位到细胞核以激活功能输出。传感驱动装置成功测试了四种细胞内疾病特异性蛋白:HCV 病毒表达的 NS3 丝氨酸蛋白酶22,HIV 感染的 Tat 和 Nef 蛋白 23,24,以及亨廷顿病的突变亨廷顿蛋白 (HTT)25。输出表达包括荧光报告基因、凋亡基因 (hBax)26 和免疫调节剂 (XCL-1)27。我们证明该系统还可以损害其靶标的病理功能。例如,Nef 反应装置通过隔离靶蛋白并恢复受感染 T 细胞上 HLA-I 受体的下调来干扰病毒感染的传播24。所描述的传感驱动平台是首个用于检测细胞内蛋白质的此类平台,可用于检测异常蛋白质表达、翻译后或表观遗传修饰,用于诊断和治疗目的20。
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1. 传感器-执行器装置的构造和测试设计原则
2. 流式细胞术分析的样品制备
3. HCV 传感器-执行器设备的特性
4. Nef 响应 HIV 传感器-执行器装置的表征
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模块化细胞内蛋白质检测的架构
如图 1 所示,该装置由以下部分组成:1) 体内 1 连接到膜栓系荧光标记物 (mKate) 和 TEVp 切割位点 (TCS),然后是转录激活剂 GAL4VP16 (TF);2) 体内 2 与 TEV 蛋白酶 (TEVp) 融合,游离于胞质溶胶中;3) 对 GAL4VP16 有反应的合成启动子,驱动报告基因的表达。模块化由内部抗体保证,内部抗体可以即?...
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直到最近,基于细胞内环境的细胞检测都是使用针对特定靶标从头开发的系统进行的。本方案描述了一个最新的细胞工程方法的实例,该方法用于在一个设备中进行蛋白质感应和驱动,该方法可以快速适应新的所需生物标志物。
这种开创性的系统感知细胞内蛋白质并提供特异性输出来检测或中和疾病。这类遗传电路的优点是体内提供的模块化,并且?...
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作者声明没有竞争性的经济利益。
这项工作得到了 Istituto Italiano di Tecnologia 的支持。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
AlexaFluor 647 mouse anti-human HLA-A, B, C antibody clone W6/32 | Biolegend | 311414 | Antibodies |
Annexin V | LifeTechnologies | A35122 | Apoptosis marker |
Attractene | Qiagen | 301005 | Transfection reagent |
BD Falcon Round-Bottom Tubes | BD Biosciences | 352053 | FACS tubes |
Doxycycline | Clonetech | - | Cell Culture: Drugs |
Dulbecco's modified Eagle medium | Cellgro | 10-013-CM | Cell Culture: Medium |
Evos Cell Imaging System | Life Technology | EVOS M5000 | Imaging systems; Infectious molecular clones |
FACSDiva8 software | BD Biosciences | 659523 | FACS software |
Fast SYBR Green Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4385612 | qPCR reaction |
FBS (Fetal Bovin Serum) | Atlanta BIO | S11050 | Cell Culture: Medium |
Gateway System | Life Technologies | - | Plasmid Construction |
Golden Gate System | in-house | - | Plasmid Construction |
HEK 293FT | Invitrogen | R70007 | Cell Culture: Cells |
Infusion Cloning System | Clonetech | 638920 | Plasmid Construction |
JetPRIME reagent | Polyplus transfection | 114-15 | Transcfection reagent |
Jurkat Cells | ATCC | TIB-152 | Cell Culture: Cells |
L-Glutamine | Sigma-Aldrich | G7513-100ML | Cell Culture: Medium |
Lipofectamine LTX with Plus Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15338030 | Transfection reagent |
LSR Fortessa flow cytometer (405, 488, and 561 nm lasers) | BD Biosciences | 649225 | Flow cytometer |
MicroAmp Fast Optical 96-Well Reaction Plate (0.1 mL) | ThermoFisher Scientific | 4346907 | qPCR reaction |
Neon Transfection System | Life Technologies | MPK10025 | Transfection reagent |
Non-essential amino acids | HyClone | SH3023801 | Cell Culture: Medium |
Opti-MEM I reduced serum medium | Life Technologies | 31985070 | Transfection medium |
Penicillin/Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4458-100ML | Cell Culture: Medium |
QuantiTect Reverse Transcription Kit | Qiagen | 205313 | Rev Transcriptase kit |
RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74106 | RNA extraction kit |
RPMI-1640 | ATCC | ATCC 302001 | Cell Culture: Medium |
Shield | Clonetech | 632189 | Cell Culture: Drugs |
SpheroTech RCP-30-5-A beads | Spherotech | RCP-30- 5A-2 | Compensation set up |
StepOnePlus 7500 Fast machine | Applied Biosystems | 4351106 | qPCR reaction |
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