in vitro転写(IVT)の最適化は、費用対効果の高いmRNA産生にとって重要です。このプロトコルは、IVT反応のアットライン分析、バッチモードまたはフェドバッチモードでのNTP枯渇とmRNA産生のモニタリングのための分析クロマトグラフィー法を詳述しており、さまざまなRNAモダリティに適用でき、生産性を向上させ、コストを削減します。
In vitro 転写反応(IVT)は、RNAポリメラーゼ(T7など)によって触媒される線状DNAテンプレートからのmRNAの複雑な多成分酵素合成です。IVT試薬のコストが高いため、IVTはmRNA原薬製造プロセスの重要なステップであり、この分野では集中的な最適化の焦点となっています。mRNA産生のコストを削減するには、試薬を最適に利用する必要があります。効果的な最適化には、個々の試薬が反応速度論に与える影響、すなわちヌクレオシド三リン酸(NTP)の消費とmRNAの産生を包括的に理解する必要があります。従来、mRNAの分析には、ロースループットのエンドポイント分析技術が使用されてきました。このような方法ではmRNA含有量に関する貴重な情報が得られますが、IVT反応を完全に理解するには、アットラインでほぼリアルタイムの分析が必要です。私たちは、NTP、pDNA、mRNAを分離する液体クロマトグラフィー分析法をほぼリアルタイムに使用して、IVT反応速度を研究する方法を示します。さまざまなIVT成分が速度論と収率に与える影響に関する知識があれば、迅速なクロマトグラフィー分析を使用して、バッチIVT反応をフェッドバッチモードに変換し、生産性をさらに向上させ、反応の全体的なコストを削減できます。
COVID-19のパンデミックは、生物医学に前例のない革命をもたらし、BioNTech/PfizerのComirnatyやModernaのSpikevaxなどのmRNAベースのワクチンがヨーロッパと米国の両方で急速に開発され、承認されるようになりました1,2,3。これらのワクチンの優れた有効性と急速な開発は、感染症だけでなく、がん免疫療法、タンパク質補充療法、再生医療、細胞リプログラミングなど、mRNA技術の計り知れない治療の可能性を浮き彫りにしています4,5。この時代は、しばしばmRNA革命と呼ばれ、効率的で費用対効果の高いmRNA生産プロセスの必要性を強調しています。
mRNAの産生には複数の単位操作が含まれ、in vitro転写(IVT)反応は重要で最もコストのかかる単位操作である6,7,8。IVT反応は、マグネシウムイオンの存在下でRNAポリメラーゼ(通常はT7 RNAポリメラーゼ)とヌクレオシド三リン酸(NTP)を使用して、DNAテンプレートからmRNAを合成します。このプロセスは比較的単純で、短時間で大量のmRNAを産生することができ、数時間で2〜5 g/Lの反応収率を達成し、一部の報告では最大14 g/Lの反応収率を達成しています9,10,11。しかし、IVT反応収率の最適化は、mRNAワクチンおよび治療薬12の製造コストを削減し、スケーラビリティを確保するために重要であり、NTP消費に影響を与える配列の違いにより、各コンストラクトまたはコンストラクトファミリーに必要となる場合がある。
反応は通常、バッチプロセスとして行われるが、近年のフェッドバッチ処理とアットライン分析の進歩により、mRNA産生を最適化するための新たな道が開かれている7,13。ボーラスまたは試薬の連続的な添加を伴うフェドバッチ反応は、基質の阻害および補因子依存性の生成物の劣化を防ぐことにより、反応時間を延長し、収率を増加させることができる可能性がある14,15。
IVTの分野における高速アットライン分析の開発は大きな進歩であり、NTPやmRNAなどの主要な反応成分のモニタリングを最小限の分析遅延で可能にし13,16、通常はmRNA濃度のみに焦点を当てているIVTモニタリングに新たな次元を加えています17。従来、mRNAはポリアクリルアミドゲル電気泳動(PAGE)、アガロースゲル電気泳動、キャピラリー電気泳動などの技術を用いて解析されてきました。これらはエンドポイント方式であるため、リアルタイムのIVTモニタリングには使用できません。このプロトコルに記載されている分析の代替手段は、ライトアップRNAアプタマーと蛍光色素のペアを使用する方法です。この方法では、RNAアプタマーをRNAにタグ付けし、ライトアップ蛍光色素とインキュベートします。次いで、転写活性は蛍光強度17によって可視化することができる。これにより、IVT 21中に転写されたmRNAの量と質をリアルタイムで分析できますが、他のIVTコンポーネント(NTPなど)を同時にモニタリングすることはできません。NTPおよびmRNAのリアルタイム定量を可能にする可能性のある別の代替手段は、ラマン分光法18ですが、これまでのところ、IVTモニタリングへの有用性を示す報告はなく、必要な選択性と感度を引き出すためには、このメソッドのさらなる最適化が必要であることが示唆されています。
より迅速で選択的な分析の継続的な開発は、バッチモードとフェッドバッチモードでの高収率のためのIVTの最適化をサポートします。反応は、複数の相互作用因子を持つ複雑なマルチパラメータープロセスのままであり、最適性はコンストラクトタイプ(mRNAとsaRNAなど)によって異なる場合があります。Mg2+イオンとNTPの濃度と比率は特に影響力があり、それらの最適レベルは、自然免疫系の強力な刺激剤である二本鎖RNA(dsRNA)の形成を最小限に抑えながら、mRNA収量を最大化するために慎重にバランスをとる必要があります19,20。最近、定常状態でのUTPの供給は、dsRNA形成を減少させるアプローチとして報告された21。UTPレベルをほぼリアルタイムで監視することで、プロセス制御のレベルがさらに向上します。
このプロトコルでは、IVT反応のアットラインモニタリングにより、バッチモードおよびフェドバッチモードでのmRNA産生の収量がどのように増加するかを示します。
1. バッファーの調製
注:すべてのバッファーはRNaseフリーで調製する必要があり、すべての化学薬品とガラス器具はRNaseフリーの作業にのみ使用し、注意して取り扱う必要があります。緩衝液の調製とガラス器具の洗浄に使用される水は、ヌクレアーゼフリーであると認定されている必要があります。実験を行う前に、すべての作業面とガラス器具に、RNaseを除去する除染試薬を噴霧する必要があります。除染試薬は、ガラス器具/作業エリアを使用する前に、RNaseフリーの水で完全に洗い流す必要があります。可能であれば、滅菌済みで1回限りの消耗品を使用してください。
2. in vitro 転写反応(IVT)の調製
注1:IVT反応は、すべての試薬を最初に添加し、NTPが枯渇した/mRNA産生がプラトーに達した後に反応を停止するバッチ反応、または枯渇したNTPに追加のNTPを補充し、それに伴ってmRNA産生がさらに増加するフェドバッチ反応である場合があります。IVT反応で用いる直鎖状pDNAテンプレートは、プラスミドDNAのポリ(A)配列直後に切断する制限酵素を用いるか、PCR反応により取得することができます。いずれの場合も、反応の後には、クロマトグラフィーまたは市販のDNA精製キットを使用して精製する必要があります。
3. クロマトグラフィー分析の準備
4. サンプルの定量とデータ解析
このプロトコールに記載されているクロマトグラフィー分析は、IVTの最適化、またはバッチIVT反応のフェドバッチ反応への変換に使用できます(図1)。
IVT反応の動力学に対する異なるバッファー組成の影響をテストするために、 表2に記述されたプロトコルに従って3つの異なるIVT反応を混合しました。pHがHClで調整されたTrisを含む緩衝液と、酢酸でpHが調整されたTris緩衝液を比較しました。さらに、両方のTris緩衝液をHEPES緩衝液と比較し、pHをNaOHで調整しました。すべての1x IVTバッファーの組成は、40 mM Tris/HEPES、10 mM DTT、2 mMスペルミジン、およびpH 7.9でした。
100 μL の IVT 反応混合物から 2 μL の IVT サンプルを IVT 反応液から取り出し、インキュベーションの最初の 1 時間で 15 分ごとに 2 μL の 100 mM EDTA でクエンチし、その後 180 分インキュベーションまで 30 分ごとにクエンチしました。この反応条件で予想される最終mRNA収量は15 mg/mLであり、クエンチングによる2倍希釈に続いてMPA+NaClで400倍希釈して分析したことを意味します。サンプルは合計で 800 倍に希釈されたため、15 mg/mL の調製時でも、分析用クロマトグラフィーカラムにロードされた mRNA 濃度は検量線の濃度内にとどまっていました。
A260 の NTP および mRNA 領域は、個々の時点 (tx) で個々のサンプルごとに統合されました。次に、mRNA 検量線と NTP の消費率を使用して、0 分(t0)の A260 NTP 面積を 100% として、面積を mRNA の濃度に変換しました(下記の式を参照)。
結果は、x軸に時間、y軸にmRNA濃度と残りのNTPを示すグラフとして、個々のIVT反応ごとにグラフで表示することができます(図2A)。すべてのIVT、つまり時間に依存するmRNA濃度も1つのグラフにまとめてプロットでき、mRNA産生速度論を研究し、最適なIVT条件を選択できます(図2B)。
フェドバッチ実験では、 表3に書かれているようにIVTを混合しました。300 μL の IVT 反応ミックスから 2 μL の IVT サンプルを IVT 反応から取り出し、2 μL の 100 mM EDTA で 30 分ごとにクエンチしました。さらに、サンプルは、各バルクNTP + MgCl2 添加の直後に採取しました。各NTPと152.5mMのMgCl2をそれぞれ42.4mMと152.5mMのMgCl2 を含有する供給溶液を予め調製し、各個々の200mMのNTPを106μLずつ1MのMgCl2と76.2μLを混合した。ボーラス飼料を1時間ごと(60分、120分、180分、および240分のインキュベーション)で追加する摂食体制が確立されました。フィーディングレジームは 表3 に説明されています:サンプルは、バルクIVT反応について説明した分析を使用してほぼリアルタイムで分析されました。300分間のモニタリング後、IVT反応は急冷されました。
結果は、インキュベーション期間にわたる残りのNTP/mRNA産生として示すことができます。ボーラス飼料添加はIVT反応も希釈するため、IVT中のmRNA濃度は添加するたびに低下します (図3A)。 mRNA質量の増加は、転写因子(mmRNA/mpDNAと定義)によっても測定および提示でき、時間の経過とともにmRNA産生が直線的に増加することを示しています (図3B)。
図1:概略図の概要 (A)NTPおよびmRNAのアットラインクロマトグラフィー定量によるIVT最適化ワークフローの表現。(B)(i)t0、(ii)中間点、(iii)最終反応時点にサンプリングされたバッチIVT反応の代表的なクロマトグラム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:バッチIVTグラフ。 (A)y軸上のmRNA産生とNTP消費によるIVT反応の代表的なグラフ。120分でNTP(ATP)が消費されるのを制限するため、NTP消費と相関するインキュベーションの120〜180分で見えるmRNA濃度のプラトー(B)IVTバッファーがIVT動態に及ぼす影響を示すIVTグラフ。バッファーA(Tris+酢酸)を含むIVTは、最も速いmRNA産生を示し、次いでバッファーB(Tris+HCl)とバッファーC(HEPES+NaOH)が最も遅いと示しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:フェデラルバッチIVTグラフ。 (A)NTP+MgCl2 飼料を60分、120分、180分、240分のmRNA濃度で添加したIVTグラフ NTP+MgCl2 飼料で希釈することにより、IVT反応液を添加するたびに低下します。(B)転写因子によって示されるmRNA質量の増加は、反応インキュベーション全体を通じて直線的である。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:汎用IVTプロトコル。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表2:バッチIVTプロトコル。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表3:フェドバッチIVTプロトコル。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
この分析法では、NTP、pDNA、mRNAを分離する分析用クロマトグラフィーマルチモーダルカラムを使用して、インキュベーション中の異なる時点でIVTサンプルを分析し、NTP消費量とmRNA産生を綿密にモニタリングすることができます。この手法は、指定された時点におけるA260領域の変化に基づいて、NTPsとmRNAの濃度を定量的に測定するものです。この分析法はNTPおよびmRNA濃度に関する情報を提供するため、主な目標がmRNA収量の最大化と反応時間の最小化であることが多いIVT最適化に非常に適しています。したがって、mRNA産生の動態に対するさまざまなIVT試薬の影響を理解することは非常に重要です22。アットラインモニタリングを適用して、バッチモードとフェッドバッチモードでのIVT反応を最適化する方法を示します。
この方法の主な利点は、各サンプルが8分未満で分析されるため、IVTをほぼリアルタイムで監視できるアットライン分析です。分析用のサンプル調製は、事前のサンプル前処理なしでMPAでの希釈のみが必要なため、簡単です。分析に必要なサンプル量は非常に少なく、例えばIVTは1 μLです。この小さなピペッティング量は、ピペッティングエラーによる分析の逸脱を引き起こす可能性があります。しかし、分析アプローチのハイスループットにより3回の測定が可能になるため、外れ値を簡単に特定でき、予想される運動曲線からの逸脱を検出するのは難しくありません。
この分析法の限界の 1 つは、UTP と CTP のクロマトグラフィー共溶出です。mRNA配列の限定NTPはATPまたはGTPであることが多いため、UTPとCTPの正確な定量は、通常は必要ありません。UTP と CTP の定量を別々に行う必要がある場合は、UTP と CTP の 260 nm と 280 nm での UV 吸光度の差を利用して、クロマトグラフィーピーク中の各 NTP の相対存在量を導き出すことができます。
この分析法では、長さが100ヌクレオチドを超えるRNA種は分離されません。したがって、非ポリアデニル化mRNAとポリアデニル化mRNAを区別せず、dsRNAまたは流産性転写産物とssRNAを区別せず、分解されたmRNAと非分解されたmRNAを区別できないため、安定性研究には適していません。ただし、この方法は、circRNA、tRNA、saRNAなどの他のRNAモダリティの定量に利用できます。これらの分子のサイズと構造は異なりますが、IVT反応における各分子の産生収率を研究するために、同じ分析方法を採用することができます。
著者は何も開示していません。
著者は、有益な議論をしてくれたTomas Kostelec氏、Blaž Bakalar氏、Nejc Pavlin氏、Andreja Gramc Livk氏、Anže Martinčič Celjar氏に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 µm PES membrane filter, e. g. Sartolab BT 500 | Sartorius | 180E14---------E | |
0.5 mL plastic tubes; e. g. e. g. DNA LoBind, PCR clean | Eppendorf | 30108035 | |
1.5 mL plastic tubes; e. g. DNA LoBind, PCR clean | Eppendorf | 30108051 | |
ATP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R1331T2 | |
Benchtop cooler -20 °C | Brand | 114935 | |
CIMac PrimaS 0.1 mL Analytical Column (2 µm) | Sartorius BIA Separations | 110.5118-2, 2 µm channels | |
CTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R3331T2 | |
DTT | Sigma | 10197777001 | |
EDTA-Na2 x 2H2O | Kemika | e.g. 11368 08 | |
GTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R2331T2 | |
HEPES | Merck | 1.10110.1000 | |
HPLC high recovery vial | Macherey-Nagel | 702860 | |
MgCl2 | Invitrogen | AM 9530G | |
Microvolume spectrophotometer | Thermo Scientic | Nanodrop | |
mRNA standard, mFix4, 4000 nt | Sartorius BIA Separations | BIA-mFix4.1.1 | |
Na4P2O7 + 10 H2O | Sigma | S6422-500G | |
NaCl | Fluka | 31434-1KG-M | |
NaOH | Merck | 1064691000 | |
PATfix mRNA analytical platform | Sartorius BIA Separations | PAT0021 | |
Pipette 100 – 1000 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pipette 2 – 10 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pipette 20 – 200 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pyrophosphatase | MEBEP BIOSCIENCE | M2403L | |
Rnase Away Decontamination Reagent | Thermo Scientic | 10328011 | |
RNAse inhibitor | MEBEP BIOSCIENCE | RNK3501 | |
Spermidine | Sigma | 85558-5G | |
T7 mRNA polymerase | MEBEP BIOSCIENCE | TR01 | |
Thermoblock | Thermo Scientic | EPPE5382000.015 | |
Trizma Base | Sigma | T6066-1KG | |
UTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R5331T2 | |
Vial caps | Macherey-Nagel | 70245 | |
Vortex | IKA | V1900 |
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