Name: peptide-derived method to transport genes and proteins across cellular and organellar barriers in plants
Uploaded: 2016-12-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
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Die Autoren möchten die Finanzierung anzuerkennen aus Japan Science and Technology Agency Exploratory Research für Advanced Technology (JST-ERATO), die Neue Energie und Industrial Technology Development Organization (NEDO) und Cross-Minister Strategic Innovation Promotion Program (SIP), Japan .

1. Herstellung von Peptidbasierte Formulierungen <ol><li> Vorbereitung Stammlösungen von jedem Peptid , wie folgt: (KH) 9 -BP100 (1 mg / ml oder 800 nM), Cytcox- (KH) 9 (1 mg / ml), BP100 (1 mg / ml) und (BP100) 2 K 8 (70 &amp; mgr; M). Wiegen Sie die erforderliche Menge eines jeden Peptids in einem 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen eingewogen und autoklavierten Reinstwasser, um das Peptid aufzulösen. Gut mischen durch wiederholtes Pipettieren, bis eine klare Lösung erhalten wird. </li><li> Amplifizieren, und die Plasmid-DNA (pDNA), doppelsträngige DNA (dsDNA) und doppelsträngige RNA (dsRNA) nach Standardmethoden Molekular reinigen. In 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen, Stammlösungen mit einer Konzentration von 1 mg / ml (pDNA und dsDNA) oder 400 nM (dsRNA) zu machen. </li><li> Bereiten Sie die Protein - Stammlösung mit einer Konzentration von 7 uM, die durch Lösen von 1 mg des Proteins (z. B., Alkohol - Dehydrogenase, ADH) Pulver in 1 ml Natriumcarbonat - Lösung (0,1 M, pH 9). Beschriften Sie das Protein mit fluorescent Sonden wie Rhodamin B (RhB) Standardprotokollen nach mikroskopische Visualisierung der in die Zellen geliefert Protein zu ermöglichen. </li><li> Kombinieren der jeweiligen Komponenten in einem 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen. <ol><li> Für Peptid-pDNA Formulierungen in das Zytoplasma Targeting, fügen 6,4 ul (KH) 9 -BP100 (1 mg / ml) zu 20 ul pDNA (1 mg / ml) und gut mischen durch Pipettieren. Lassen Sie die Mischung bei 25 ° C für 15 Minuten zu stabilisieren. Hinzufügen 773,6 ul autoklaviert Reinstwasser die Lösung auf ein Endvolumen von 800 &amp; mgr; l zu verdünnen. Verwenden Sie das pDNA Konstrukt , das für Kernexpression (P35S-RLuc-tnos, Tabelle 1). </li><li> Für Peptid-pDNA Formulierungen die Mitochondrien - Targeting, fügen 6,6 ul Cytcox- (KH) 9 (1 mg / ml) zu 20 ul pDNA (1 mg / ml) und gut mischen durch Pipettieren. Lassen Sie die Mischung bei 25 ° C für 15 Minuten zu stabilisieren und dann 2,4 ul BP100 (1 mg / ml) hinzufügen. Lassen Sie die Mischung für 15 min bei 25 zur Stabilisierung6; C für weitere 15 min. Hinzufügen 771 ul autoklaviertem Reinstwasser die Lösung auf ein Endvolumen von 800 &amp; mgr; l zu verdünnen. Verwenden Sie die pDNA - Konstrukt für mitochondriale Expression entworfen (pDONR-cox2: Rluc, Tabelle 1). </li><li> Für Peptid-dsDNA Formulierungen, fügen 5,1 ul (KH) 9 -BP100 (1 mg / ml) auf 8 ul dsDNA (1 mg / ml) und gut mischen durch Pipettieren. Lassen Sie die Mischung bei 25 ° C für 15 Minuten zu stabilisieren. Hinzufügen 786,9 ul autoklaviert Reinstwasser die Lösung auf ein Endvolumen von 800 &amp; mgr; l zu verdünnen. </li><li> Für Peptid-dsRNA Formulierungen, fügen Sie 50 ul (KH) 9 -BP100 (800 nM) zu 50 ul dsRNA (400 nM) und gut mischen durch Pipettieren. Lassen Sie die Mischung bei 25 ° C für 15 Minuten zu stabilisieren. Hinzufügen, 700 &amp; mgr; l RNase-freiem Wasser, die Lösung auf ein Endvolumen von 800 &amp; mgr; l zu verdünnen. </li><li> Für Peptid-Protein - Formulierungen, fügen Sie 16 ul (BP100) 2 K 8 (70 &amp; mgr; M) bis 16 &amp; mgr; l von ADH (7 uM) und mischengut durch Pipettieren. Lassen Sie die Mischung bei 25 ° C für 15 Minuten zu stabilisieren. Hinzufügen 768 ul autoklaviertem Reinstwasser die Lösung auf ein Endvolumen von 800 &amp; mgr; l zu verdünnen. </li></ol></li><li> Erlauben die Formulierungen für 15 min bei 25 ° C zu stabilisieren. </li></ol> 2. Charakterisierung von Peptid-basierte Formulierungen <ol><li> Bringen Sie jede Lösung (800 ul) in eine Küvette für dynamische Lichtstreuung (DLS) Analyse. Bestimmen den hydrodynamischen Durchmesser und Polydispersitätsindex von gebildeten Komplexe mit einem zeta Nanosizer, mit einem 633 nm He-Ne-Laser bei 25 ° C mit einem Backscatter-Erfassungswinkel von 173 °. </li><li> Folgende Größenmessungen, übertragen jede Lösung (800 ul) in eine gefaltete Kapillarzelle zum Zeta-Potential-Messungen an Standardparameter der Dielektrizitätskonstante, Brechungsindex und der Viskosität von Wasser bei 25 ° C. </li><li> Beobachten eines kleinen Volumens von komplexen Lösung für DLS-Analyse verwendet, durch Rasterkraftmikroskopie (AFM). Kaution 10 ul-Komplex-Lösung auf die frisch freigelegten gespaltenen Oberfläche eines Glimmerplättchen und lassen Sie die Glimmer trocken über Nacht in einer bedeckten Petrischale aus Kunststoff an der Luft. </li><li> Erwerben Sie ein Bild der Komplexe in Luft bei 25 ° C , um einen Silizium - Cantilever mit mit einer Federkonstante von 1,3 N / m in Tapping - Modus 27,28. </li></ol> 3. Einschleusung von Pflanzenblätter <ol><li> Verwenden Sie 3 Wochen alten Boden gewachsenen Pflanzen (Arabidopsis thaliana 24, Nicotiana benthamiana 24 oder Pappel 26). Transfizieren mindestens 3 Blätter als dreifacher Ausführung für die Quantifizierung von Genexpression oder Proteinabgabe zu dienen. </li><li> Laden einer 1 ml Kunststoffspritze nadel mit 100 ul komplexe Lösung für die Transfektion eines Blattes. Positionieren Sie die Spitze der Spritze auf der abaxial Oberfläche des Blattes. </li><li> Drücken Sie die Spritzenspitze gegen das Blatt leicht und drücken Sie den Spritzenkolben langsam, während ein Gegendruck mit dem i ausübtndex Finger eines Latex-Handschuh von der gegenüberliegenden Seite. Erfolgreiche Infiltration kann als die Ausbreitung eines mit Wasser getränkten Bereich in dem Blatt zu beobachten. Beschriften Sie die infiltrierten Blätter zur leichteren Identifizierung. </li><li> Inkubieren der transfizierten Blatt für optimierte Dauern folgende Infiltration mit Peptid-pDNA (12 h), Peptid-dsDNA (12 h), Peptid-dsRNA (9-48 h) und Peptid-Protein (6 h) Formulierungen unter den folgenden Bedingungen: 16 Stunden Licht / 8 Stunden Dunkelheit bei 22 ° C für A. thaliana und Pappel oder 24 - Stunden - Dauerlicht bei 29 ° C für N. benthamiana. </li></ol> 4. Beurteilung der Transfektionseffizienz <ol><li> Excise die ganze transfizierten Blatt von kleineren Anlagen (z. B. A. thaliana) oder eine 1 cm 2 Abschnitt des infiltrierten Bereich für größere Anlagen (z. B. N. benthamiana). </li><li> Für Experimente Transfektion Renilla - Luciferase (Rluc) Reportervektor verwendet, bestimmen die transfection Effizienz ein Rluc Assay Kit quantitativ verwenden. <ol><li> Legen Sie jedes Blatt herausgeschnitten oder Blattabschnitt in einem 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen. 100 l 1 × Rluc Assay Lysepuffer pro Röhrchen. Auf die gleiche Weise, bereiten Lysaten von nicht transfizierten Kontrollblätter (dreifach). </li><li> Grind das Blatt eine Homogenisierung zerstoßen und Inkubation des resultierenden Lysat bei 25 ° C für 6 bis 10 Stunden. </li><li> Zentrifugieren Sie das Lysat bei 12.470 × g in einer Mikro für 1 min. Transfer 20 &amp; mgr; l des geklärten Lysat auf eine Vertiefung in einer Mikrotiterplatte mit 96 Vertiefungen, und verwenden die verbleibende Volumen für die Quantifizierung der Gesamtproteinkonzentration eines BCA Protein Assay Kit gemäß dem Protokoll des Herstellers. </li><li> 100 l 1 × Rluc Assay Substrat (verdünnt, um die Rluc Testpuffer verwendet wird) in den Brunnen und mischen durch langsame Pipettieren. Legen Sie die Mikrotiterplatte in einem Multimode-Mikroplatten-Reader und initiieren Messung. </li><li> Ziehen Sie den Hintergrund Lumineszenz (Mittelwert der keinn-transfizierten dreifacher Ausfertigung) von jeder Lumineszenz der Versuchsprobe. Berechnen des Verhältnisses von Photolumineszenz (relative light units, RLU) zu der Menge an Protein (mg). </li></ol></li><li> Für Transfektionsexperimente grün fluoreszierende Protein (GFP) Reportervektor mit oder fluoreszenzmarkierten Protein (z. B. ADH-RhB), beobachten die Fluoreszenz eines konfokalen Laser - Scanning - Mikroskop. <ol><li> Schneiden Sie die Ränder eines ganzen Blattes (die Entfernung von Lufträumen zu unterstützen), während eine geschnittene Blatt kann verwendet werden, wie es ist. Entfernen Sie den Kolben aus einer 10-ml-Spritze und legen jeweils herausgeschnitten Blatt oder Blattabschnitt in der Spritze. </li><li> Setzen Sie den Kolben und drücken Sie sie sanft auf den Boden der Spritze ohne das Blatt zerdrücken. Zeichnen Sie Wasser in die Spritze, bis es etwa die Hälfte gefüllt ist. </li><li> Richten Sie die Spritze nach oben und drücken in der Kolben Luft aus der Spritze durch die Spitze zu entfernen. Decken Sie die Spitze der Spritze und ziehen Sie den Kolben langsam nach unten Luft aus dem lea zu vertreibenf. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis das Blatt durchscheinend erscheint. </li><li> Bedecken die Oberfläche eines Objektträgers mit einem Klebeband. Schneiden Sie eine quadratische Fläche auf dem Band groß genug, um die Blattprobe unter Verwendung einer Klinge aufzunehmen, und ziehen Sie das Quadrat Stück Klebeband mit einer Pinzette aus einer Probenkammer zu schaffen. Das Band wird als Abstandshalter zwischen dem Schieber und Deckglas dienen. </li><li> Legen Sie das Blatt in der Kammer mit dem abaxial Oberfläche nach oben zeigt und füllen die verbleibende Kammerbereich mit Wasser. Dichten Sie das Blatt in der Kammer mit einem Deckglas und sichern Sie die Kanten des Deckglases mit Klebeband. </li><li> Überprüfen Sie die Blattprobe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop unter einem 40X-Objektiv oder ein 63X Wasserimmersionsobjektiv verwendet wird. GFP oder RhB Fluoreszenz kann bei Anregungswellenlängen von 488 nm bzw. 555 nm bzw. sichtbar gemacht werden. </li></ol></li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Kritischen Schritte in dem Protokoll, die empirisch diskutiert wurden identifiziert. Durch die Spritze Infiltration, die Peptid-basierten Formulierungen werden in die Lufträume im Inneren der Pflanze Blatt durch die Spaltöffnungen eingeführt. Um eine maximale Aufnahme der Lösung zu gewährleisten, sollte der Infiltrationsverfahren durchgeführt werden , wenn die Pflanzen unter Bedingungen, die zur Öffnung der Stomata dh förderlich sind., Versehen mit ausreichend Wasser und während der Lichtperiode. Im Hinblick auf die Herstellung von Transfektionskomplexen für Formulierungen, die eine Kombination von zwei Peptiden (für mitochondrialen DNA-Zielliefer) umfassen, wobei die Reihenfolge für die Zugabe der einzelnen Komponenten ist entscheidend und nicht invertiert werden sollte. Es gibt viele plausible Änderungen an dem Verfahren. Eine andere Möglichkeit für das Eindringen von Pflanzenzellen ist die Verwendung von Vakuuminfiltration, die die komplexe Lösung zu ganzen Pflanzen einzuführen ist in der Lage und / oder Teilgeweben, einschließlichApikalmeristemen. Für diese alternativen Verfahren werden Sämlinge in der Transfektionslösung eingetaucht, und basierend auf dem Druck, der durch das Vakuum erzeugt wird, die Peptid-Fracht Komplexe werden durch die Stomata und in die Pflanzenzellen (Yoshizumi, T., nicht veröffentlichte Daten) gezwungen. Transient Genexpression, basierend auf Studien an tierischen Zellen wurde mit höheren DNA - Konzentrationen von 29 bis 31 zu erhöhen gezeigt. Es ist wichtig zu beachten , dass das Verhältnis von Peptid zu DNA , die die biophysikalischen Eigenschaften beeinflusst (Größe, Oberflächenladung) von Komplexen (Abbildung 4), die Transfektionseffizienz beeinflusst; Daher muss das optimale Verhältnis auch bei erhöhter DNA-Konzentration gehalten werden. Einer der Hauptvorteile in Peptide als ein Gen / Protein-Zusteller ist, dass seine Sequenz zum Einstellen zugänglich ist, eine gewünschte Funktion zu erfüllen. Zum Beispiel beschrieb der mitochondrialen-Targeting-Domäne des Trägerpeptid in diesem Gestüty kann mit Chloroplasten oder Peroxisomen-Targeting-Sequenzen für die Lokalisierung zu dieser Organellen ersetzt werden. Während Chloroplast - Transformation in mehrere Anlagen möglich ist , unter Verwendung Biolistik 32-34 weder das Agrobacterium noch der biolistischen Methode könnte Gene in die Mitochondrien oder anderen Organellen neben dem Kern (Tabelle 2) einzuführen. Es sind keine starren Wirtsbereich Einschränkungen für Peptid-basierende Transfektion, im Gegensatz zu dem Agrobacterium basierende Verfahren (Tabelle 2). Bisher Formulierungen für die Transfektion von A. thaliana, N. benthamiana und Pappel optimiert wurden (Tabelle 1), aber das Verfahren kann auch für Nicotiana tabacum verwendet werden, Tomatenzüchtung Micro-Tom, Reis (basierend auf Vorversuchen) und andere mono- und dikotyle Pflanzen. Bisher gibt es keine bekannte Beschränkung in Transgen Größe, wenn Peptide ein verwendet werdens Transfektionsvektoren. Im Gegensatz dazu wurden große DNA - Moleküle wurden für die Transgene von etwa 200 kb wurde 37-39 berichtet die Transformationseffizienz von Agrobacterium -vermittelte Methoden 35,36 und eine obere Größenbegrenzung zu reduzieren gefunden. Verwendung von Biolistik, andererseits, große DNA - Fragmente können 38 während der Herstellung oder Lieferung in Pflanzen geschert werden. Obwohl keine obere Grenze hat für biolistische Transformation bisher physikalische Zwänge wurden , um die Größe der DNA zu beschränken gefunden , die übertragen werden kann , um viel weniger als 150 kb 40 bestimmt. Die Hauptvorteile der Verwendung des Peptid-basierten System für den Gentransfer im Vergleich zu bestehenden Ansätze entweder Agrobacterium oder Mikroprojektilbeschuss verwendet wird , oben erläutert, sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Einige Einschränkungen gibt es für dieses Verfahren, wie es steht. Erstens gezielte Abgabe von pDNA auf spezifische Organellen, wie dem mitochondria, wurde durch eine einfache Kombination von DNA-bindenden, zellpenetrierenden und Organell-Transitsequenzen möglich erwiesen, obwohl der Wirkungsgrad niedrig war. Transgen-Expression konnte festgestellt werden, durch konfokale Mikroskopie, nur in einer kleinen Population von Mitochondrien in den Zellen. Daher sind weitere Modifikationen notwendig: (i) Förderung der Translokation von mehr Komplexe durch die Zelle / Organell-Membran, und (ii) zur Expression der Dissoziation und die Übertragung von pDNA aus dem Trägerpeptid in das Ziel Organell verbessern. Zweitens wurde die transiente Expression von exogener Reportergene unter Verwendung dieses DNA-Abgabesystem, erfolgreich in den zytosolischen und mitochondrialen Kompartiment von Zellen erreicht. Stabile Inkorporation und die Expression der eingeführten Gene in der Pflanze Kern / Organell-Genoms noch nicht jedoch festgestellt worden ist, aufgrund des Fehlens von geeigneten Selektionsstrategien. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es Bereiche für Verbesserungen oder weitere development, das Peptid abgeleitete Strategie beschrieben hier bleibt eine einfache und vielseitige Technik, die den Weg für die Lieferung verschiedener Ladungen in verschiedene Pflanzenarten geebnet hat.

Plant genetic engineering is conventionally used for transferring beneficial traits to plants. In recent years, this technology has been applied to convert plants into bio-factories for the production of pharmaceutically important and commercially valuable proteins, many of which cannot be chemically synthesized and are very costly to produce using animal or microbial systems1. By the introduction of new genes, the plant's own metabolism can be manipulated for the production of various biopharmaceuticals like antibodies, metabolic enzymes, hormones, antigens or vaccine2.
Established gene transfer technologies for plants are the Agrobacterium-mediated delivery3, bombardment with DNA-coated microprojectiles (biolistics)4, and electroporation5 or polyethylene glycol6 treatment of protoplasts. Techniques requiring protoplasts are generally avoided because they are time-consuming, cumbersome and yield inconsistent results7. As a result, virtually all plant modification work at present utilizes either Agrobacterium or microprojectiles for gene transfer. The Agrobacterium method is more extensively used but not applicable to many economically important plant species. Meanwhile, microprojectile bombardment is more versatile due to a broad range of susceptible plants but requires specialized equipment and often causes severe tissue damage. Furthermore, these methods involve either a random (biolistics) or complex (Agrobacterium) delivery mechanism and have variable transformation rates8. Hence, a novel plant transformation technology that is simple yet effective, and applicable to different plant types is required.
Currently, plants are subjected to genetic modification primarily by the delivery of exogenous DNA encoding a desired trait, rather than by direct delivery of a target protein. The higher stability of DNA over proteins is a prime advantage; nevertheless, potential problems associated with DNA delivery include the random insertion of exogenous DNA into the plant genome and unintended transmission of antibiotic resistance genes to pathogenic bacteria via horizontal gene transfer9. For genome-editing purposes, the ability to edit plant genomes without introducing foreign DNA into cells may circumvent regulatory concerns related to genetically modified plants. Thus, an alternative DNA-free strategy for the modification of plants by direct delivery of protein will be able to cater to these needs.
Here we introduce a peptide-based system, originally developed for human gene therapy10-14, for the targeted delivery of exogenous genes or proteins in intact plants. Peptides are able to protect DNA from nuclease degradation and can mediate gene transfer across cell as well as organellar membranes15-17. They also have diverse and tunable properties besides being non-cytotoxic18-20. More importantly, with the use of peptides, genes can be precisely targeted to intracellular organelles such as the mitochondria21 or plastids (chloroplasts)22 for expression-a task not achievable by biolistic or Agrobacterium-mediated transformation. Depending on the cargo type, this new plant modification technology can be exploited to deliver proteins23 and either express (plasmid21,24 or double-stranded DNA25) or down-regulate (double-stranded RNA26) specific genes within the plant, throughout its cytosolic space24-26 or within a specific organellar compartment21. The designed carrier peptides consist of a cationic domain in the form of either polylysine (K8) or polylysine-co-histidine (KH)9 for binding and/or condensation of negatively-charged cargoes, which is conjugated to cell penetrating (BP100 peptide) or mitochondria transit (Cytcox peptide) sequences.

<table><tbody><tr><td>(KH)&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt;-BP100 peptide</td><td>Custom-synthesized by RIKEN Brain Science Institute</td><td>N/A</td><td>Sequence: KHKHKHKHKHKHKHKH-&lt;br/&gt; KHKKLFKKILKYL</td></tr><tr><td>(BP100)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-K&lt;sub&gt;8&lt;/sub&gt; peptide</td><td>Custom-synthesized by RIKEN Brain Science Institute</td><td>N/A</td><td>Sequence: KKLFKKILKYLKKLFKKIL-&lt;br/&gt; KYLKKKKKKKK</td></tr><tr><td>BP100 peptide</td><td>Custom-synthesized by RIKEN Brain Science Institute</td><td>N/A</td><td>Sequence: KKLFKKILKYL</td></tr><tr><td>Cytcox-(KH)&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt; peptide</td><td>Custom-synthesized by RIKEN Brain Science Institute</td><td>N/A</td><td>Sequence: MLSLRQSIRFFKKHKHKH-&lt;br/&gt; KHKHKHKHKHKH</td></tr><tr><td>P35S-GFP(S65T)-TNOS and P35S-RLuc-TNOS</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Encodes green fluorescent protein and Renilla luciferase genes, respectively, under the control of CaMV 35S constitutive promoter (Ref: Lakshmanan &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt; Biomacromolecules 2013, 14, 10)</td></tr><tr><td>pDONR-cox2:gfp and pDONR-cox2:rluc</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Encodes green fluorescent protein and Renilla luciferase genes, respectively, under the control of cox2 mitochondrial-specific promoter (Ref: Chuah &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt; Sci Rep 2015, 5, 7751)</td></tr><tr><td>dsDNA (PCR-amplified from pBI221-P35S-Rluc-TNOS)</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Encodes green fluorescent protein and Renilla luciferase genes, respectively, under the control of CaMV 35S constitutive promoter (Ref: Lakshmanan &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt; Plant Biotechnol 2015, 32, 39)</td></tr><tr><td>GFP5 siRNA</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>For RNA interference-mediated silencing of green fluorescent protein (Ref: Numata &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt; Plant Biotechnol J 2014, 12, 1027)</td></tr><tr><td>CHS siRNA</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>For RNA interference-mediated silencing of chalcone synthase (Ref: Numata &lt;em&gt;et al&lt;/em&gt; Plant Biotechnol J 2014, 12, 1027)</td></tr><tr><td>1 ml and 10 ml Plastic Syringes</td><td>TERUMO Corporation</td><td>SS-01T, SS-10ESZ</td><td></td></tr><tr><td>1.5 ml Microcentrifuge Tube</td><td>AS ONE Corporation</td><td>151212</td><td></td></tr><tr><td>96-Well Flat-Bottom Plate</td><td>Asahi Glass Co., Ltd.</td><td>3860-096</td><td></td></tr><tr><td>Adhesive Tape</td><td>Sekisui Chemical Co., Ltd.</td><td>No. 835</td><td></td></tr><tr><td>Alcohol Dehydrogenase</td><td>Sigma-Aldrich Co., LLC.</td><td>A-7011</td><td></td></tr><tr><td>Atomic Force Microscope</td><td>Seiko Instruments Inc.</td><td>SPI3800, SPA 300HV</td><td></td></tr><tr><td>Atomic Force Microscope</td><td>Hitachi High-Tech Science Corporation</td><td>AFM5300E</td><td></td></tr><tr><td>BCA Protein Assay Kit</td><td>Thermo Fisher Scientific Inc.</td><td>23227</td><td></td></tr><tr><td>Cantilever</td><td>Hitachi High-Tech Science Corporation</td><td>K-A102001593</td><td></td></tr><tr><td>Confocal Laser Scanning Microscope</td><td>Carl Zeiss</td><td>LSM700</td><td></td></tr><tr><td>Cork Borer</td><td>Sigma-Aldrich Co., LLC.</td><td>Z165220</td><td>For excision of leaves into 1-cm diameter disks</td></tr><tr><td>Coverslip</td><td>Matsunami Glass Ind., Ltd.</td><td>C02261</td><td></td></tr><tr><td>Cuvette</td><td>Sarstedt</td><td>759116</td><td></td></tr><tr><td>Folded Capillary Cell</td><td>Malvern Instruments, Ltd.</td><td>DTS1070</td><td></td></tr><tr><td>Forceps</td><td>Shimizu Akira Inc.</td><td>Stainless pincet 150</td><td></td></tr><tr><td>Homogenization Pestle</td><td>Ieda Trading Corp.</td><td>9993</td><td></td></tr><tr><td>Mica</td><td>Nisshin EM Co., Ltd.</td><td>LC23Z</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge</td><td>Beckman Coulter</td><td>BKA46472</td><td></td></tr><tr><td>Microplate Reader</td><td>Molecular Devices Corporation</td><td>Spectra MAX M3</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Slide</td><td>Matsunami Glass Ind., Ltd.</td><td>S011120</td><td></td></tr><tr><td>Pipette</td><td>Eppendorf Research&amp;reg; plus</td><td>3120000909</td><td></td></tr><tr><td>Pipette Tips</td><td>AS ONE Corporation</td><td>2-5138-01, 2-5138-02, 2-5138-03</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Petri Dish</td><td>AS ONE Corporation</td><td>1-7484-01</td><td></td></tr><tr><td>Renilla Luciferase Assay Kit</td><td>Promega corporation</td><td>E2810</td><td></td></tr><tr><td>Rhodamine B Isothiocyanate</td><td>Sigma-Aldrich Co., LLC.</td><td>283924</td><td></td></tr><tr><td>RNase-Free Water</td><td>Qiagen</td><td>129112</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Carbonate</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>199-01585</td><td></td></tr><tr><td>Surgical Blade and Handle</td><td>FEATHER Safety Razor Co., Ltd.</td><td>Stainless steel No. 14 (blade), No. 3L (handle)</td><td></td></tr><tr><td>Syringe Tip Cap</td><td>Musashi Engineering Inc.</td><td>NC-3E</td><td></td></tr><tr><td>Weighing Balance</td><td>Sartorius</td><td>CPA225D</td><td></td></tr><tr><td>Zeta Potentiometer</td><td>Malvern Instruments, Ltd.</td><td>Zetasizer Nano-ZS</td><td></td></tr></tbody></table>

peptide-derived method to transport genes and proteins across cellular and organellar barriers in plants

The capacity to introduce exogenous proteins and express (or down-regulate) specific genes in plants provides a powerful tool for fundamental research as well as new applications in the field of plant biotechnology. Viable methods that currently exist for protein or gene transfer into plant cells, namely Agrobacterium and microprojectile bombardment, have disadvantages of low transformation frequency, limited host range, or a high cost of equipment and microcarriers. The following protocol outlines a simple and versatile method, which employs rationally-designed peptides as delivery agents for a variety of nucleic acid- and protein-based cargoes into plants. Peptides are selected as tools for development of the system due to their biodegradability, reduced size, diverse and tunable properties as well as the ability to gain intracellular/organellar access. The preparation, characterization and application of optimized formulations for each type of the wide range of delivered cargoes (plasmid DNA, double-stranded DNA or RNA, and protein) are described. Critical steps within the protocol, possible modifications and existing limitations of the method are also discussed.

Ein Array von Nukleinsäure und Protein Ladungen wurden erfolgreich in verschiedene Pflanzen eingebracht, die entworfen Peptide als Zuführungsvektoren verwendet wird. Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen kationischen Peptiden und negativ geladenen Ladungen führte zur Bildung von Transfektionskomplexen , die direkt in die Pflanzen infiltriert werden können Blätter eine nadellose Spritze (Abbildung 1). Optimierte Formulierungen (empirisch in diesen Studien bestimmt 21,23-26) für die Transfektion von Pflanzenzellen sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei jeder Typ der Vielzahl von gelieferten Ladungen (pDNA, dsDNA, dsRNA und Protein) dargestellt wird. Die mittleren Durchmesser aller peptidbasierten Formulierungen wurden in ungefähren Bereich von 150 bis 300 nm. Basierend auf DLS-Analyse zeigten alle Formulierungen relativ geringe Größe Polydispersitäten, was darauf hinweist, dass die gebildeten Peptid-Fracht-Aggregate eine einheitliche Größenverteilung aufweisen. Die MorphologienKomplexe zwischen Peptid und pDNA (2A) oder Protein (2B), auf Glimmer wurden durch AFM abgebildet. Homogene globuläre Komplexe wurden mit den Daten von DLS-Messungen für beide Peptid-pDNA und Peptid-Protein-Kombinationen in Übereinstimmung beobachtet. In Bezug auf das Zetapotential von Komplexen (Tabelle 1), pDNA- und dsDNA abgeleitete Komplexe hatten negative Nettooberflächenladungen während dsRNA-basierte Komplexe eine nahezu neutrale Oberflächenladung hatte. Peptid-Protein-Komplexe, auf der anderen Seite, wurden positiv geladen. Die Wirkungsgrade von Peptid-pDNA und Peptid-dsDNA Formulierungen in der Transfektion von A. thaliana oder N. benthamiana als Modellpflanze Systeme Vermittlung wurden als qualitativ quantitativ als auch bewertet. Rluc Genexpression Assay für die Quantifizierung von Genexpressionsniveaus (Tabelle 1), daher für dieses Experiment verwendet wurde , oder pDNAdsDNA Rluc-Gen kodiert, müssen zur Komplexierung mit den jeweiligen Träger Peptide verwendet werden. Mit dem (KH) 9 -BP100 / pDNA Formulierung kann nuklear gezielte Abgabe und Expression von pDNA erreicht werden, nach einer Inkubationszeit von 12 Stunden mit einem geschätzten RLU / mg - Wert von etwa 1 × 10 5. Für mitochondriale-zielgerichtete Abgabe und Expression von pDNA, eine Kombination von Peptiden, Cytcox- (KH) 9 und BP100, wird für die Komplexbildung erforderlich ist . Mit der gleichen optimierten Inkubationszeit von 12 Stunden jedoch eine viel niedrigere Niveau der Transfektion (etwa 1 × 10 3 RLU / mg) wurde erreicht. Inzwischen ähnliche Inkubationszeit (12 h) und Gen - Expressionsniveau (etwa 1 × 10 3 RLU / mg) wurde erforderlich / aufgezeichnet für dsDNA-Komplexen, auch die (KH) 9 -BP100 Peptid formuliert werden. Qualitative Bewertung der Genexpression wurden durch direkte mikroskopische Beobachtung der Blätter mit Komplexe prepar behandelt durchgeführted mit pDNA oder dsDNA kodiert, das GFP-Reporter-Gen. In Zellen , die mit Nicht-Zielpeptid-pDNA - Komplexen transfiziert, diffundieren grüne Fluoreszenz mit entsprechenden GFP - Expression deutlich beobachtet wurde und die in das Cytosol (3A) zu lokalisieren. Deutliche Unterschiede in der Lokalisation Muster der GFP-Fluoreszenz waren in Zellen offensichtlich mitochondrialen gezielte Peptid-pDNA Komplexe infiltriert mit. Hier punctate grüne Fluoreszenz , die mit der mitochondrialen stain colokalisieren sichtbar war, was die Spezifität der Genexpression ausschließlich in der mitochondrialen Kompartiment von Zellen (3B) bestätigt. Im Fall von Peptid-Protein-Formulierungen, Konjugation des Proteins Ladung (ADH) mit einem Fluorophor (RhB) wird die Visualisierung des gelieferten Protein im intrazellulären Kompartiment ermöglichen. Innerhalb einer kurzen Inkubationszeit von 6 Stunden, ADH-RhB Protein (blau) wurde festgestellt, überall verteilt werdendas Cytosol und Vakuole von infiltrierten Zellen (3C). unter Verwendung von Peptid-dsRNA Formulierungen Inzwischen konnte eine schnelle und effiziente Herunterregulation der Genexpression in verschiedenen Anlagen durchgeführt werden. Im ersten Experiment, A. thaliana Blatt wurde mit dem Peptid-dsRNA infiltriert Komplexe der Chalkon - Synthase - Gen (CHS) verantwortlich für Anthocyan (rotes Pigment) Biosynthese unter Dürrebedingungen zum Schweigen zu bringen. Der Unterschied im Auftreten von A. thaliana Blätter unter normalen (3D, a) und Trockenheit (3D, b) ein einfaches Mittel vorgesehen CHS zu bewerten Silencing die optimierte Peptid-dsRNA - Formulierung unter Verwendung von (Pfeil 1 zeigt die infiltriert region). In dem zweiten Experiment wurden Peptid-dsRNA - Komplexe wurden in den Blättern von transgenen A. thaliana infiltriert gelb fluoreszierendes Protein exprimieren (YFP). Eine scheinbare Reduktion der YFP-Expression konnte in den epidermalen Zellen 9 h p zu sehenOst-Transfektion (3E, F). Die Wirksamkeit der Formulierung in Herunterregulierung der Genexpression in einem anderen Anlagensystem (Pappel, 12 h nach der Transfektion) wurde ebenfalls nachgewiesen (Abbildung 3G, H). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54972/54972fig1.jpg" /> Abbildung 1: Peptid-basierte Formulierungen für die Lieferung von Nukleinsäure und Protein Cargoes in lebenden Pflanzen. Die entworfenen Träger Peptide bestehen aus Polykationen zu Zelle eindringende oder organellären Transitsequenzen konjugiert. Polykationen ermöglichen Bindung und / oder Kondensation von negativ geladenen Ladungen sowie Flucht aus dem endosomalen Kompartiment in Zellen nach Verinnerlichung. Lieferung von Ladungen in die Zellen und anschließend auf spezifische Organellen wird durch Zelle eindringende Sequenzen und Organell-Transitsequenzen vermittelt sind. Verschiedene Ladungen, die successfu sein könntelly in die Anlage geliefert umfassen Nukleinsäuren wie pDNA, dsDNA und dsRNA sowie Modellproteine ​​wie Rinderserumalbumin (BSA), Alkoholdehydrogenase (ADH) und Citrin (eine Variante von gelb fluoreszierendes Protein). Bioaktive Moleküle können Transfektionskomplexe mit Peptidkonjugaten über elektrostatische Wechselwirkungen zu bilden, die in Pflanzen eingeführt werden Blätter mit einer Spritze Infiltration. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54972/54972fig2.jpg" /> Abbildung 2: Morphologien der Peptid-basierte Formulierungen. (A) AFM Amplitudenbild von (KH) 9 -BP100 / pDNA Formulierung bei N / P 0,5. (B) AFM Höhenbild von (BP100) 2 K 8 / ADH Formulierung bei Molaren Ratio 10. Wiedergabe mit freundlicher Genehmigung aus veröffentlichten Quellen 23,24. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54972/54972fig3.jpg" /> Abbildung 3: Die mikroskopische Beurteilung von Transfektionseffizienzen Peptid-basierte Formulierungen unter Verwendung optimiert. (A) Cytosolic GFP - Expression (grün), deutlich von Chloroplasten - Autofluoreszenz (rot), wurde in den Schwammparenchym Zellen von A. thaliana beobachtet Blätter infiltriert mit (KH) 9 -BP100 / pDNA Formulierung (N / P 0,5; 12 h ). (B) die GFP - Expression (grün) wurde in den Mitochondrien (rot) in den epidermalen Zellen von A. thaliana leaf infiltriert mit Cytcox- (KH) 9 / BP100 / pDNA Formulierung (N / P 0,5 für jede peptid detektierte; 12 h). Vergrößerte Bilder von Mitochondrien mit GFP-Expression sind im äußersten rechten Bereich angezeigt. (C) Lieferung von ADH-RhB (blau) in die Schwammparenchym Zellen von A. thaliana Blätter durch (BP100) 2 K 8 in einem Peptid / Protein - Molverhältnis von 10, visualisiert 6 Stunden nach der Infiltration vermittelt. (D) A. thaliana leaf vor (a) und nach (b) Behandlung mit (KH) 9 -BP100 / dsRNA - Formulierung (Molverhältnis 2; 48 h), die bei der Unterdrückung der Anthocyan - Biosynthesewegs geführt. Eine ähnliche Formulierung GFP5 dsRNA enthielt , wurde in das Blatt als negative Kontrolle (c) infiltriert. Pfeile 1 und 3 zeigen den infiltrierten Bereich, während Pfeile 2 und 4, um die nicht-infiltrierten Bereich innerhalb des Blattes an. (E) A. thaliana verlässt folgende Infiltration gelb fluoreszierendes Protein (YFP) und (F) , um die verminderte YFP - Fluoreszenz zum Ausdruck mit<html> (KH) 9 -BP100 / dsRNA - Formulierung (Molverhältnis 2; 9 h). (G) Transgenic Pappel Blätter gelb fluoreszierendes Protein (YFP) und (H) die verminderte YFP - Fluoreszenz folgende Infiltration mit (KH) 9 -BP100 / dsRNA Formulierung exprimieren (Molverhältnis 2; 12 h). Wiedergabe mit freundlicher Genehmigung aus veröffentlichten Quellen 21,23,24,26. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54972/54972fig4.jpg" /> Abbildung 4: Variation in Peptid-zu-DNA (N / P) Verhältnis und die Auswirkung auf die biophysikalischen Eigenschaften von Komplexen. Mit zunehmender Peptid zu DNA-Verhältnis, Peptid-basierten Formulierungen Abnahme der Größe, während deren Zeta-Potentialwerte Übergang von negativ zu positiv./files/ftp_upload/54972/54972fig4large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Tabelle 1" src="/files/ftp_upload/54972/54972table1.jpg" /> Tabelle 1: Charakterisierung und Bewertung verschiedener Peptid-basierte Formulierungen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972table1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972table1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.</a> <img alt="Tabelle 2" src="/files/ftp_upload/54972/54972table2.jpg" /> Tabelle 2: Ein Vergleich von Peptid-basierten und anderen vorhandenen DNA - Delivery - Technologien für Intact Pflanzen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972table2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54972/54972table2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.</a>

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Peptide-derived Method to Transport Genes and Proteins Across Cellular and Organellar Barriers in Plants

Existing methods for the modification of plants have limited applicability. The novel peptide-derived technology proposed here promises both simplicity and efficiency in the introduction of exogenous protein or genes into the desired intracellular compartments of intact plants.

Peptid abgeleitete Methode zu schleusen Gene und Proteine ​​über zelluläre und Organell-Barrieren in Pflanzen

The capacity to introduce exogenous proteins and express (or down-regulate) specific genes in plants provides a powerful tool for fundamental research as ...

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Serie: Peptide-derived Method to Transport Genes and Proteins Across Cellular and Organellar Barriers in Plants

Transient Gene Expression in Tobacco using Gibson Assembly and the Gene Gun

In order to target a single protein to multiple subcellular organelles, plants typically duplicate the relevant genes, and express each gene separately using complex regulatory strategies including differential promoters and/or signal sequences. Metabolic engineers and synthetic biologists interested in targeting enzymes to a particular organelle are faced with a challenge: For a protein that is to be localized to more than one organelle, the engineer must clone the same gene multiple times. This work presents a solution to this strategy: harnessing alternative splicing of mRNA. This technology takes advantage of established chloroplast and peroxisome targeting sequences and combines them into a single mRNA that is alternatively spliced. Some splice variants are sent to the chloroplast, some to the peroxisome, and some to the cytosol. Here the system is designed for multiple-organelle targeting with alternative splicing. In this work, GFP was expected to be expressed in the chloroplast, cytosol, and peroxisome by a series of rationally designed 5&#8217; mRNA tags. These tags have the potential to reduce the amount of cloning required when heterologous genes need to be expressed in multiple subcellular organelles. The constructs were designed in previous work11, and were cloned using Gibson assembly, a ligation independent cloning method that does not require restriction enzymes. The resultant plasmids were introduced into Nicotiana benthamiana epidermal leaf cells with a modified Gene Gun protocol. Finally, transformed leaves were observed with confocal microscopy.

This work describes a novel method for selectively targeting subcellular organelles in plants, assayed using the BioRad Gene Gun.

Transient Gene Expression in Tabak mit Gibson Versammlung und die Gene Gun

In order to target a single protein to multiple subcellular organelles, plants typically duplicate the relevant genes, and express each gene separately ...

Forschung

Umwelt

Transient Expression in Nicotiana Benthamiana Leaves for Triterpene Production at a Preparative Scale

The triterpenes are one of the largest and most structurally diverse families of plant natural products. Many triterpene derivatives have been shown to possess medicinally relevant biological activity. However, thus far this potential has not translated into a plethora of triterpene-derived drugs in the clinic. This is arguably (at least partially) a consequence of limited practical synthetic access to this class of compound, a problem that can stifle the exploration of structure-activity relationships and development of lead candidates by traditional medicinal chemistry workflows. Despite their immense diversity, triterpenes are all derived from a single linear precursor, 2,3-oxidosqualene. Transient heterologous expression of biosynthetic enzymes in N. benthamiana can divert endogenous supplies of 2,3-oxidosqualene towards the production of new high-value triterpene products that are not naturally produced by this host. Agro-infiltration is an efficient and simple means of achieving transient expression in N. benthamiana. The process involves infiltration of plant leaves with a suspension of Agrobacterium tumefaciens carrying the expression construct(s) of interest. Co-infiltration of an additional A. tumefaciens strain carrying an expression construct encoding an enzyme that boosts precursor supply significantly increases yields. After a period of five days, the infiltrated leaf material can be harvested and processed to extract and isolate the resulting triterpene product(s). This is a process that is linearly and reliably scalable, simply by increasing the number of plants used in the experiment. Herein is described a protocol for rapid preparative-scale production of triterpenes utilizing this plant-based platform. The protocol utilizes an easily replicable vacuum infiltration apparatus, which allows the simultaneous infiltration of up to four plants, enabling batch-wise infiltration of hundreds of plants in a short period of time.

Transient Expression in Nicotiana Benthamiana Leaves for Triterpene Production at a Preparative Scale

Transient heterologous expression of biosynthetic enzymes in Nicotiana benthamiana leaves can divert endogenous supplies of 2,3-oxidosqualene towards the production of new high-value triterpene products. Herein is described a detailed protocol for rapid (5 days) preparative-scale production of triterpenes and analogs utilizing this powerful plant-based platform.

Transiente Expression in Nicotiana Benthamiana Blätter für Triterpene Produktion im präparativen Maßstab

The triterpenes are one of the largest and most structurally diverse families of plant natural products. Many triterpene derivatives have been shown to ...

Biochemie

Co-expression of Multiple Chimeric Fluorescent Fusion Proteins in an Efficient Way in Plants

Information about the spatiotemporal subcellular localization(s) of a protein is critical to understand its physiological functions in cells. Fluorescent proteins and generation of fluorescent fusion proteins have been wildly used as an effective tool to directly visualize the protein localization and dynamics in cells. It is especially useful to compare them with well-known organelle markers after co-expression with the protein of interest. Nevertheless, classical approaches for protein co-expression in plants usually involve multiple independent expression plasmids, and therefore have drawbacks that include low co-expression efficiency, expression-level variation, and high time expenditure in genetic crossing and screening. In this study, we describe a robust and novel method for co-expression of multiple chimeric fluorescent proteins in plants. It overcomes the limitations of the conventional methods by using a single expression vector that is composed of multiple semi-independent expressing cassettes. Each protein expression cassette contains its own functional protein expression elements, and therefore it can be flexibly adjusted to meet diverse expression demand. Also, it is easy and convenient to perform the assembly and manipulation of DNA fragments in the expression plasmid by using an optimized one-step reaction without additional digestion and ligation steps. Furthermore, it is fully compatible with current fluorescent protein derived bio-imaging technologies and applications, such as FRET and BiFC. As a validation of the method, we employed this new system to co-express fluorescently fused vacuolar sorting receptor and secretory carrier membrane proteins. The results show that their perspective subcellular localizations are the same as in previous studies by both transient expression and genetic transformation in plants.

We have developed a novel method for co-expressing multiple chimeric fluorescent fusion proteins in plants to overcome the difficulties of conventional methods. It takes advantage of using a single expression plasmid that contains multiple functionally independent protein expressing cassettes to achieve protein co-expression.

Co Ausdruck von mehreren Chimären fluoreszierende Fusionsproteinen in effizienter Weise in Pflanzen

Information about the spatiotemporal subcellular localization(s) of a protein is critical to understand its physiological functions in cells. Fluorescent ...

Chemie

A Cell-to-cell Macromolecular Transport Assay in Planta Utilizing Biolistic Bombardment

Here, we present a simple and rapid protocol to detect and assess the extent of cell-to-cell macromolecular transport in planta. In this protocol, a fluorescently tagged-protein of interest is transiently expressed in plant tissue following biolistic delivery of its encoding DNA construct. The intra- and intercellular distribution of the tagged protein is then analyzed by confocal microscopy. We describe this technology in detail, providing step-by-step protocols to assay and evaluate the extent of symplastic protein transport in three plant species, Arabidopsis thaliana, Nicotiana benthamiana and N. tabacum (tobacco).

A Cell-to-cell Macromolecular Transport Assay in Planta Utilizing Biolistic Bombardment

Macromolecular trafficking between plant cells can be assessed by transiently expressing a fluorescently-tagged protein of interest and analyzing its intra- and intercellular distribution by confocal microscopy.

Ein Cell-to-cell Makromolekulare Transport Assay In Planta Verwendung Biolistic Bombardment

Here, we present a simple and rapid protocol to detect and assess the extent of cell-to-cell macromolecular transport in planta. In this protocol, a ...

Biologie

Identification of Plasmodesmal Localization Sequences in Proteins In Planta

Plasmodesmata (Pd) are cell-to-cell connections that function as gateways through which small and large molecules are transported between plant cells. Whereas Pd transport of small molecules, such as ions and water, is presumed to occur passively, cell-to-cell transport of biological macromolecules, such proteins, most likely occurs via an active mechanism that involves specific targeting signals on the transported molecule. The scarcity of identified plasmodesmata (Pd) localization signals (PLSs) has severely restricted the understanding of protein-sorting pathways involved in plant cell-to-cell macromolecular transport and communication. From a wealth of plant endogenous and viral proteins known to traffic through Pd, only three PLSs have been reported to date, all of them from endogenous plant proteins. Thus, it is important to develop a reliable and systematic experimental strategy to identify a functional PLS sequence, that is both necessary and sufficient for Pd targeting, directly in the living plant cells. Here, we describe one such strategy using as a paradigm the cell-to-cell movement protein (MP) of the Tobacco mosaic virus (TMV). These experiments, that identified and characterized the first plant viral PLS, can be adapted for discovery of PLS sequences in most Pd-targeted proteins.

Identification of Plasmodesmal Localization Sequences in Proteins In Planta

Plant intercellular connections, the plasmodesmata (Pd), play central roles in plant physiology and plant-virus interactions. Critical to Pd transport are sorting signals that direct proteins to Pd. However, our knowledge about these sequences is still in its infancy. We describe a strategy to identify Pd localization signals in Pd-targeted proteins.

Identifizierung von Plasmodesmal Lokalisierung Sequenzen in Proteine In Planta

Plasmodesmata (Pd) are cell-to-cell connections that function as gateways through which small and large molecules are transported between plant cells. ...

Immunologie und Infektion

Efficient Agroinfiltration of Plants for High-level Transient Expression of Recombinant Proteins

Mammalian cell culture is the major platform for commercial production of human vaccines and therapeutic proteins. However, it cannot meet the increasing worldwide demand for pharmaceuticals due to its limited scalability and high cost. Plants have shown to be one of the most promising alternative pharmaceutical production platforms that are robust, scalable, low-cost and safe. The recent development of virus-based vectors has allowed rapid and high-level transient expression of recombinant proteins in plants. To further optimize the utility of the transient expression system, we demonstrate a simple, efficient and scalable methodology to introduce target-gene containing Agrobacterium into plant tissue in this study. Our results indicate that agroinfiltration with both syringe and vacuum methods have resulted in the efficient introduction of Agrobacterium into leaves and robust production of two fluorescent proteins; GFP and DsRed. Furthermore, we demonstrate the unique advantages offered by both methods. Syringe infiltration is simple and does not need expensive equipment. It also allows the flexibility to either infiltrate the entire leave with one target gene, or to introduce genes of multiple targets on one leaf. Thus, it can be used for laboratory scale expression of recombinant proteins as well as for comparing different proteins or vectors for yield or expression kinetics. The simplicity of syringe infiltration also suggests its utility in high school and college education for the subject of biotechnology. In contrast, vacuum infiltration is more robust and can be scaled-up for commercial manufacture of pharmaceutical proteins. It also offers the advantage of being able to agroinfiltrate plant species that are not amenable for syringe infiltration such as lettuce and Arabidopsis. Overall, the combination of syringe and vacuum agroinfiltration provides researchers and educators a simple, efficient, and robust methodology for transient protein expression. It will greatly facilitate the development of pharmaceutical proteins and promote science education.

Plants offer a novel system for the production of pharmaceutical proteins on a commercial scale that is more scalable, cost-efficient and safe than current expression paradigms. In this study, we report a simple and convenient, yet scalable approach to introduce target-gene containing Agrobacterium tumefaciens into plants for protein transient expression.

Effiziente Agroinfiltration von Pflanzen für High-Level-Transient Expression von rekombinanten Proteinen

Mammalian cell culture is the major platform for commercial production of human vaccines and therapeutic proteins. However, it cannot meet the increasing ...

Optimization and Utilization of Agrobacterium-mediated Transient Protein Production in Nicotiana

Agrobacterium-mediated transient protein production in plants is a promising approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins within a short period of time. However, this technology is only just beginning to be applied to large-scale production as many technological obstacles to scale up are now being overcome. Here, we demonstrate a simple and reproducible method for industrial-scale transient protein production based on vacuum infiltration of Nicotiana plants with Agrobacteria carrying launch vectors. Optimization of Agrobacterium cultivation in AB medium allows direct dilution of the bacterial culture in Milli-Q water, simplifying the infiltration process. Among three tested species of Nicotiana, N. excelsiana (N. benthamiana &#215; N. excelsior) was selected as the most promising host due to the ease of infiltration, high level of reporter protein production, and about two-fold higher biomass production under controlled environmental conditions. Induction of Agrobacterium harboring pBID4-GFP (Tobacco mosaic virus-based) using chemicals such as acetosyringone and monosaccharide had no effect on the protein production level. Infiltrating plant under 50 to 100 mbar for 30 or 60 sec resulted in about 95% infiltration of plant leaf tissues. Infiltration with Agrobacterium laboratory strain GV3101 showed the highest protein production compared to Agrobacteria laboratory strains LBA4404 and C58C1 and wild-type Agrobacteria strains at6, at10, at77 and A4. Co-expression of a viral RNA silencing suppressor, p23 or p19, in N. benthamiana resulted in earlier accumulation and increased production (15-25%) of target protein (influenza virus hemagglutinin).

Optimization and Utilization of Agrobacterium-mediated Transient Protein Production in Nicotiana

Transient protein production in Nicotiana plants based on vacuum infiltration with Agrobacteria carrying launch vectors (Tobacco mosaic virus-based) is a rapid and economic approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins. We simplified the procedure and improved target accumulation by optimizing conditions of bacteria cultivation, selecting host species, and co-introducing RNA silencing suppressors.

Optimierung und Nutzung von<em&gt; Agrobacterium</em&gt; Transient-vermittelte Proteinproduktion in<em&gt; Nicotiana</em

Agrobacterium-mediated transient protein production in plants is a promising approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins within a short ...

Direct Protein Delivery to Mammalian Cells Using Cell-permeable Cys2-His2 Zinc-finger Domains

Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged as useful tools for targeted genome engineering. Like many other DNA-binding proteins, zinc-fingers also possess the innate ability to cross cell membranes. We recently demonstrated that this intrinsic cell-permeability could be leveraged for intracellular protein delivery. Genetic fusion of zinc-finger motifs leads to efficient transport of protein and enzyme cargo into a broad range of mammalian cell types. Unlike other protein transduction technologies, delivery via zinc-finger domains does not inhibit enzyme activity and leads to high levels of cytosolic delivery. Here a detailed step-by-step protocol is presented for the implementation of zinc-finger technology for protein delivery into mammalian cells. Key steps for achieving high levels of intracellular zinc-finger-mediated delivery are highlighted and strategies for maximizing the performance of this system are discussed.

Direct Protein Delivery to Mammalian Cells Using Cell-permeable Cys2-His2 Zinc-finger Domains

Zinc-finger domains are intrinsically cell-permeable and capable of mediating protein delivery into a broad range of mammalian cell types. Here, a detailed step-by-step protocol for implementing zinc-finger technology for intracellular protein delivery is presented.

Direkter Protein Lieferung Säugerzellen mit Zellpermeable Cys<sub&gt; 2</sub&gt; -His<sub&gt; 2</sub&gt; Zink-Finger-Domains

Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged ...

A Simple Method for Isolation of Soybean Protoplasts and Application to Transient Gene Expression Analyses

Soybean (Glycine max (L.) Merr.) is an important crop species and has become a legume model for the studies of genetic and biochemical pathways. Therefore, it is important to establish an efficient transient gene expression system in soybean. Here, we report a simple protocol for the preparation of soybean protoplasts and its application for transient functional analyses. We found that young unifoliate leaves from soybean seedlings resulted in large quantities of high quality protoplasts. By optimizing a PEG-calcium-mediated transformation method, we achieved high transformation efficiency using soybean unifoliate protoplasts. This system provides an efficient and versatile model for examination of complex regulatory and signaling mechanisms in live soybean cells and may help to better understand diverse cellular, developmental and physiological processes of legumes.

We developed a simple and efficient protocol for the preparation of large quantities of soybean protoplasts to study complex regulatory and signaling mechanisms in live cells.

Eine einfache Methode zur Isolierung der Sojabohne Protoplasten und Anwendung auf vorübergehende Genexpressionsanalysen

Soybean (Glycine max (L.) Merr.) is an important crop species and has become a legume model for the studies of genetic and biochemical pathways. ...

Molekülabgabe in Pflanzen mit einem Direktinfusionsgerät

Direct Infusion Device for Molecule Delivery in Plants

Testing the function of therapeutic compounds in plants is an important component of agricultural research. Foliar and soil-drench methods are routine but have drawbacks, including variable uptake and the environmental breakdown of tested molecules. Trunk injection of trees is well-established, but most methods for this require expensive, proprietary equipment. To screen various treatments for Huanglongbing, a simple, low-cost method to deliver these compounds to the vascular tissue of small greenhouse-grown citrus trees infected with the phloem-limited bacterium Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas) or infested with the phloem-feeding CLas insect vector Diaphorina citri Kuwayama (D. citri) is needed.
To meet these screening requirements, a direct plant infusion (DPI) device was designed that connects to the plant&#39;s trunk. The device is made using a nylon-based 3D-printing system and easily obtainable auxiliary components. The compound uptake efficacy of this device was tested in citrus plants using the fluorescent marker 5,6-carboxyfluorescein-diacetate. Uniform compound distribution of the marker throughout the plants was routinely observed.
Furthermore, this device was used to deliver antimicrobial and insecticidal molecules to determine their effects on CLas and D. citri respectively. The aminoglycoside antibiotic streptomycin was delivered into CLas-infected citrus plants using the device, which resulted in a reduction in the CLas titer from 2 weeks to 4 weeks post treatment. Delivering the neonicotinoid insecticide imidacloprid into D. citri-infested citrus plants resulted in a significant increase in psyllid mortality after 7 days. These results suggest that this DPI device represents a useful system for delivering molecules into plants for&#160;testing and facilitate research and screening purposes.

Autor im Rampenlicht: Direktinfusionsgerät für die Verabreichung von Molekülen in Pflanzen  

This manuscript describes a novel direct plant infusion device for screening the effectiveness of molecules against the bacteria (Candidatus Liberibacter asiaticus) or its insect vector (Diaphorina citri, Kuwayama) that, in combination, are associated with Huanglongbing citrus disease.

Direktinfusionsgerät zur Molekülabgabe in Pflanzen

Testing the function of therapeutic compounds in plants is an important component of agricultural research. Foliar and soil-drench methods are routine but ...

Peptid abgeleitete Methode zu schleusen Gene und Proteine über zelluläre und Organell-Barrieren in Pflanzen

Zusammenfassung

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Transient Gene Expression in Tabak mit Gibson Versammlung und die Gene Gun

Transiente Expression in Nicotiana Benthamiana Blätter für Triterpene Produktion im präparativen Maßstab

Co Ausdruck von mehreren Chimären fluoreszierende Fusionsproteinen in effizienter Weise in Pflanzen

Ein Cell-to-cell Makromolekulare Transport Assay In Planta Verwendung Biolistic Bombardment

Identifizierung von Plasmodesmal Lokalisierung Sequenzen in Proteine In Planta

Effiziente Agroinfiltration von Pflanzen für High-Level-Transient Expression von rekombinanten Proteinen

Optimierung und Nutzung von

Direkter Protein Lieferung Säugerzellen mit Zellpermeable Cys

Eine einfache Methode zur Isolierung der Sojabohne Protoplasten und Anwendung auf vorübergehende Genexpressionsanalysen

Direktinfusionsgerät zur Molekülabgabe in Pflanzen

Peptid abgeleitete Methode zu schleusen Gene und Proteine ​​über zelluläre und Organell-Barrieren in Pflanzen

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Transient Gene Expression in Tabak mit Gibson Versammlung und die Gene Gun

Transiente Expression in Nicotiana Benthamiana Blätter für Triterpene Produktion im präparativen Maßstab

Co Ausdruck von mehreren Chimären fluoreszierende Fusionsproteinen in effizienter Weise in Pflanzen

Ein Cell-to-cell Makromolekulare Transport Assay In Planta Verwendung Biolistic Bombardment

Identifizierung von Plasmodesmal Lokalisierung Sequenzen in Proteine In Planta

Effiziente Agroinfiltration von Pflanzen für High-Level-Transient Expression von rekombinanten Proteinen

Optimierung und Nutzung von

Direkter Protein Lieferung Säugerzellen mit Zellpermeable Cys

Eine einfache Methode zur Isolierung der Sojabohne Protoplasten und Anwendung auf vorübergehende Genexpressionsanalysen

Direktinfusionsgerät zur Molekülabgabe in Pflanzen

Peptid abgeleitete Methode zu schleusen Gene und Proteine über zelluläre und Organell-Barrieren in Pflanzen