Expressão oviduto-específca de duas proteínas terapêuticas em galinha transgênica S. G. Lillico*, A. Sherman*, M. J. McGrew*, C. D. Robertson†, J. Smith†, C. Haslam†, P. Barnard†, P. A. Radcliffe‡, K. A. Mitrophanous‡, E. A. Elliot†, and H. M. Sang* Amanda F. Sarmento Nathani C. B. Denardi Rafael L. Farinha Engenharia de Proteínas Prof. Dr. Marcos Túlio Oliveira Resumo Uso de vetores lentivirais para transportar construtos transgenes possuindo sequências regulatórias originalmente pertencentes ao gene da ovalbumina, e que serão usados para a expressão de duas proteínas terapêuticas: a miR24 e a hIFNβ1a Introdução Estratégia Básica Focagem da expressão em um tecido secretor Uso Comum em diversos animais - Ovelhas - Cabras - Gado - Coelho - Galinhas Introdução • Avanços em Transgenese em Aves – Poedeiras como Biorreatores – Biorreatores são caros e demoram para ser estabelecidos Ovalbumina – 54% da parcela protéica a Clara – Expressada nas células da glândula tubular Relembrando... Vantagens • Uso das Poedeiras e seus ovos – Menor Tempo de Introdução – Estabilização dos Níveis de Produção Rápida – Manejo Barato – Potencial de uso de proteínas que são tóxicas às células de mamíferos – Perfil de glicosilação beneficial – Redução da imunogenecidade do produto purificado Vetor • Vetor lentiviral derivado do virus infeccioso da anemia equina (EIAV) • Virus atenuado por deleção de todas as sequências codificadores virais Transgenes • Minianticorpo ScFv-Fc (miR24) – Anticorpo monoclonal de camundongo – Potencial para o tratamento de melanoma maligno IFN-β-1a Humana (Human Interferon-β 1a) • Expressão dirigida pela sequência regulatória do gene da Ovalbumina de galinhas Ovalbumina • Constitui cerca de 54% da parcela protéica do ovo • Expressão somente nas células da gândula tubular do oviduto • Sequências regulatorias do gene da ovalbumina são bastante estudadas • Objetivo: síntese de proteínas terapêuticas recombinantes funcionais como um componente da clara dos ovos Design dos Construtos • Vetores EIAV que tem capacidade para 9kb • Sequências regulatórias e partes da estrutura éxon/intron do gene da ovalbumina foram usadas para a construção dos construtos • 2 construtos: OVA e EREOVA Construto OVA • Elemento regulador dependente de esteróides - SDRE Elemento regulador negativo - NRE Exon 1 Intron 1 Começo do Exon 2 2,8 Kb Construto EREOVA • Elemento potencializador respondedor a estrógeno – ERE • Aplicado ao 5’ do Elemento Regulador dependente de esteróides - SDRE • 3,5 kb Proteínas Alvo • Minianticorpo ScFv-Fc (miR24) clonada adjacente à sequência OVA • hIFNβ1a clonada adjacente à OVA e EREOVA Construto OVA Construto EREOVA Sequência Reguladora da Ovalbumina Elementos Lentivirais • Sequências regulatórias do gene da Ovalbumina Produção e Análise das Aves Transgênicas Vetores foram então injetados em embriões dentro de ovos recém postos para gerar a G0 (Geração Zero) de aves transgênicas Produção e Análise das Aves Transgênicas (OVA-miR24) • Foi estimado que um único galo G0 (Ave OR2-4) teria presente a sequência do vetor (OVA-miR24) • Esse OR2-4 foi cruzado com poedeiras de estoque para gerar a geração G1 • 463 pintinhos representam a G1 – 19 (4%) transgênicos Poedeiras de Estoque Galo OR2-4 (G0) 463 Aves (G1) 4% 19 Aves Transgênicas (G1) Fragmentação do DNA Southern Blotting Análise da G1 (miR24) • Somente uma inserção por ave • Hind III → 2 Inserções (13kb e 8 kb) • SpeI → 1 Inserção (5,2 kb) Hind III SpeI SpeI Sítios de Restrição usados na análise de restrição Hind III Produção e Análise das Aves Transgênicas (OVA/EREOVA-hIFNβ1a) • Um galo G0 (Ave OI2-4) – • Vetor OVA-IFN Três galos G0 (Aves EOI2-6, EOI3-11 e EOI3-13) – Vetor EREOVA-IFN • Esse galos também foram cruzados com poedeiras de estoque para gerar outra geração G1 • DNA genômico foi isolado de: – 2 pintinhos G1 (Vetor OVA-IFN) – 12 pintinhos G1 (Vetor EREOVA-IFN) Poedeiras de Estoque Galo OI2-4 (G0) 2 Aves Transgênicas (G1) Fragmentação do DNA Southern Blotting Galo EOI2-6(G0) Poedeiras de Estoque Galo EOI3-11(G0) Galo EOI3-13(G0) 12 Aves Transgênicas (G1) Fragmentação do DNA Southern Blotting Análise da G1 (OVA/EREOVA-hIFNβ1a) NcoI Ncol/Ndel NcoI NdeI Sítios de Restrição usados na análise de restrição Análise da G1 (OVA-hIFNBeta1a) no Ncol e Ncol/Ndel • 2 Aves G1 descendentes do Galo OI2-4 (G0) • Lane 10 e 11 no Ncol/Ndel de 3.3 kb Análise da G1 (EREOVA-hIFNβ1a) no Ncol e Ncol/Ndel • 2 Aves G1 descendentes do Galo EOI2-6 (G0) • Lane 8 e 9 no Ncol/Ndel de 4.4 kbb Análise da G1 (EREOVA-hIFNBeta1a) no Ncol e Ncol/Ndel 7 Aves G1 descendentes do Galo EOI3-13(G0) Lane 1 e 6 com bandas iguais no Ncol de 6 kb Lane 1, 3, 6 e 7 no Ncol/Ndel de 4.4 kb Análise da G1 (EREOVA-hIFNβ1a) no Ncol e Ncol/Ndel 3 Aves G1 descendentes do Galo EOI3-11(G0) Lane 12, 13 e 14 no Ncol de 10 kb Lane 12, 13 e 14 no Ncol/Ndel de 4.4 kb Análise da G1 (EREOVA-hIFNβ1a) no Ncol e Ncol/Ndel 9 aves mostraram o Transgene intacto de 4.4 kb 3 aves mostraram um fragmento truncado de 1.2 kb (Um evento de Splicing) Splicing • • O splicing apresentado foi confirmado através de PCR Entre um Doador de Splice críptico forte dentro da sequência ERE e o site de aceitação de splice no exon 2 Expressão do transgene é restrita ao oviduto Procurou-se dirigir a expressão do transgene no oviduto de galinhas poedeiras utilizando sequências reguladoras do gene da ovalbumina para controlar a expressão das 2 proteínas terapêuticas. Amostras de tecido: oviduto, pâncreas, cérebro, intestino, fígado, coração e músculo do peito → adulto G1 e galinhas transgênicas hemizigóticas G2 Avaliar se a expressão do transgene foi restrita ao aviduto de galinhas adultas Expressão do transgene é restrita ao oviduto Análises Northern blot do RNA total extraído destes tecidos realizadas em: 2 galinhas G1 2 galinhas G2 portadoras do transgene OVA-miR24 1 galinha controle não transgênica 2 galinhas G2 portadoras do transgene EREOVA-IFN Transcrições de ambos miR24 e hIFNβ1a → limitadas à região magno do oviduto, assim como a transcrição ovalbumina endógena RT-PCR de amostras de um das galinhas G2 portadora do transgene OVA-miR24 → confirmação que o transcrito miR24 foi restrito ao magnum M: magnum S: baço P: pâncreas B: cérebro H: coração I: intestino L: fígado Br: músculo do peito R: miR24 I: hIFNβ1a O: ovalbumina 18S: RNA ribossomal 18S 2 galinhas G1 2 galinhas G2 carregando vetor OVA-miR24 2 galinhas G2 carregando vetor EREOVA-IFN galinha controle não transgênica Para investigar o local de síntese de miR24 com mais detalhes → imuno histoquímica em secções do magnum com anti-igG humana Fc-específica A proteína miR24 foi localizada em células tubulares, e ausente nas células epiteliais adjacentes (fig.4) Estes dados demonstram que 2,8 e 3,5 kb sequência reguladora 5' do gene da ovalbumina → suficiente para conferir a expressão tecido-específica dos transgenes utilizando o vetor lentiviral Derivado do vírus HIV Capacidade de mediar a transdução potente e expressão estável dentro de células divisíveis e não divisíveis tanto in vitro como in vivo Detecção imuno-histoquímica de miR24 em secções do ouviduto Células epiteliais que não produzem miR24 Galinha OR2-4:25:59 Células da glândula tubular expressando o transgene → verde controle Corante nuclear Proteínas recombinantes são secretadas dentro da clara do ovo A quantidade de proteína recombinante produzida por ovo foi analisada pela medição das proteínas de uma série de ovos postos por aves transgênicas individuais (G1 e G2) Ensaios de ELISA → presença da proteína recombinante Analisado os 20 primeiros ovos e a cada 10 → para cada galinha (máx de 150 ovos) Proteína recombinante → detectada na clara do ovo de todos os ensaios de ovos (fig.5) Concentração da proteína recombinante na clara do ovo de galinhas transgênicas miR24 recombinante hIFNβ1a recombinante Valores médios: 3,5 a 426 ug/ml Recombinante hIFNβ1a em clara de ovo é funcional Análise da clara do ovo de galinhas portadoras do transgene hIFNβ1a → determinar se a proteína recombinante sintetizada era funcional Os ovos foram recolhidos: 1 galinha (O12-4:380) transportadora do vetor OVAIFN e 2 galinhas ( EO12-6:328 e EO13-13: 813) transportadoras do vetor EREOVA-IFN Claras dos ovos → ensaiadas quanto a presença do transgene ativo hIFNβ1a ensaio com padrão antiviral/citopático Células VeroE6 → incubadas com diluições de clara de ovos recolhidos das galinhas transgênicas → células foram infectadas com vírus Semliki Forest Avaliação do grau de proteção das células contra a infecção, realizada pela clara do ovo e o controle positivo recombinante HIFNβ1a Citólise Atividade biológica do recombinante hIFNβ1a em clara de ovo de galinhas transgênicas As claras de ovos de todas as galinhas transgênicas demonstraram atividade antiviral neste ensaio citopático Nenhuma proteção foi observada utilizando o controle de ovos de estoque Estes dados demonstram a equivalência funcional do recombinante hIFNβ1a entre diferentes galinhas transgênicas Discussão Discussão Foi relatado que vetores lentivirais podem ser utilizados para a produção eficiente de galinhas transgênicas. Neste trabalho, foi utilizado vetores lentivirais derivados EIAV para demonstrar a expressão tecido-específica de proteínas heterólogas no oviduto de galinhas poedeiras, utilizando transgenes derivados de sequências regulatórias do locus do gene da albumina no frango. O gene da ovalbumina de galinha codifca mais da metade da proteína da clara do ovo → 2,2 g/ovo (máx 105 cópias de mRNA de ovalbumina/célula do oviduto) Discussão Análise de Northern blot de mRNA extraído de vários tecidos de galinhas transgênicas em postura: as transcrições a partir de qualquer transgênico foram restritas à porção magno do oviduto. Coincidentemente com a expressão da ovalbumina. Não foi detectada expressão ectópica em nenhum dos tecidos analisados Coloração imuno-histoquímica das seções do magno revelou que a síntese da proteína recombinante foi restrita à região que contém as células das glândulas tubulares. O local de síntese da ovalbumina no magnum estava ausente nas células epiteliais adjacentes. Estudos semelhantes: camundongo, rato, porco e codorna. Discussão A região ERE (incluído na construção EREOVA): 4 sítios de ligação semi-palindrômicas para o receptor de estrógeno → agem sinergicamente in vitro Previu-se que a inclusão deste elemento pode aumentar a quantidade de proteínas recombinantes sintetizadas por galinhas transgênicas Comparando ovos de uma galinha (O12-4:380) carregando o OVA-IFN com ovos de galinhas (EO13-13:813 e EO13-11:649) portadoras do EREOVA-IFN, revelou-se que a inclusão deste elemento não resultou em um aumento significativo do nível da proteína hIFNβ1a na clara do ovo Exceção: galinhas EO12-6:328 → nível 2x maior de proteína Nº de galinhas transgênicas analisadas limitado → não é possível retirar conclusões definitivas sobre a infuência dos diferentes elementos reguladores ovalbumina sobre os níveis de expressão do transgene a partir desses dados. Discussão Local de integração do vetor, base genética das galinhas, fatores epigenéticos → suscetível na infuência do nível de expressão de qualquer integrante transgene específico É pouco provável que as variações observadas nos níveis de expressão da proteína recombinante impediriam a sua padronização sobre algumas galinhas Discussão Embora não observou-se evidências de silenciamento do transgene, prosseguiu-se com as avaliações dos níveis de expressão do transgene em várias gerações → confirmar a estabilidade a longo prazo da expressão → necessária para a produção comercial de proteínas O presente trabalho demonstrou a combinação da geração eficiente de galinhas transgênicas com a síntese de proteínas terapêuticas funcionais em níveis elevados na clara do ovo Métodos Construção do plasmídeo • Rato quimérico, mini anticorpos humanizados scFv- Fc , conhecidos como miR24 e sequências codificantes hIFNβ1a foram modificados para refetir o enviesamento de códons na galinha e incluir o peptídeo sinal da lisozima do frango no fim do 5’. • A sequência codificante miR24, sintetizada por Entelechon (Regensburg, Alemanha), foi amplificado por PCR para introduzir SmaI e PmlI que fanqueiam locais de endonucleases de restrição e em seguida clonado em pGEMTeasy (Promega, Madison, WI) para gerar pLE11. • A sequência hIFNβ1a contendo a SmaI que fanqueia locais de endonucleases de restrição foi sintetizada por Geneart (Regensburg, Alemanha) e são fornecidos em PCR-Script (Stratagene, La Jolla, CA). Construção do plasmídeo Os iniciadores 5DHR2 (5'- CTTAAGTCCTCAGACTTGGC – 3') e 3Sma (5'GCCCCGGGTGAACTCTGAGTTGTCTAG -3'), foram desenhadas para amplificar um fragmento 5’ de 2,8 kb à sequência codificadora do gene da ovalbumina de galinha. O produto de PCR foi clonado em pGEMTeasy para gerar pLE10 plasmídeo (promotor de OVA). Primers LD675for (5'- CTGCAGAAAAATGCCAGGTGG – 3') e LD675rev (5'TCTAGAGAGAGTAAGCAACAATCTTCT -3'), foram concebidos para amplificar uma região de 675 pb abrangendo o ERE , um local de hipersensibilidade da DNasel de aproximadamente 3,3 kb 5’ para o local de início da transcrição da ovalbumina. Construção do plasmídeo O produto de PCR foi clonado em pGEMTeasy para gerar o plasmídeo pLE20a. O pLE10 foi linearizado no extremo 5’ final da sua sequência reguladora ovalbumina com Ncol, e foram geradas extremidades rombas com a T4 DNA polimerase. O ERE foi excisado do pLE20a com EcoRI e foram geradas extremidades rombas com T4 DNA polimerase e depois ligado ao pLE10 para gerar o plasmídeo pLE21 (EREOVA promotor) . miR24 foi excisada a partir de pLE11 por digestão com Smal / Pmll e subclonado no local Smal de pLE10 dar pRI38. O promotor foi excisado do pRI38 pela digestão com SacII/MluI e subclonado nos sítios SacII/AscI do mínimo EIAV no vetor lentiviral pONY8.45Nmcs para dar pLE38 (OVA-miR24). Construção do plasmídeo hIFNβ1a foi subclonado no local Smal de pLE21 dar pLE43. O promotor / transgene foi excisado do pLE43 por digestão com Aatll / MluI, e foram geradas extremidades rombas com a T4 DNA polimerase. pONY8.45Nmcs foi digerido com SacII / AscI, foram geradas extremidades rombas com T4 DNA polimerase, e o promotor / transgene acima ligado para dar pLE46 (EREOVA-IFN). A sequência do ERE foi excisado de pLE43 por digestão com Afll / AATI para gerar pLE42 plasmídeo. O promotor / transgene de pLE42 foi excisada com Apal / MluI, foram geradas extremidades rombas com T4 DNA polimerase, e o fragmento foi ligado no pONY8.45Nmcs para dar pLE45 (OVA-IFN). Produção lentivírus • Vetores de estoque foram gerados por FuGene6 (Roche, Lewes, UK) transfecção de células HEK293T foram cultivadas em pratos de 144mm com 10,2 µg do vetor plasmidial/5,1µg de gag/ pol plasmidio (pESYNGP)/2,5µg de rev plasmidio (pESYNRev)/0,2 µg de plasmidio VSV-G (pRV67). • Quarenta e oito horas após a transfecção, meio de cultura de tecido foi colhido e filtrado(0,22 µm) e em seguida centrifugado a 6.000 x g durante 20h a 4°C, seguido por ultracentrifugação a 50.500 x g durante 120 min a 4°C. O pellet foi ressuspenso em tampão de formulação (20 mM de Tris/100 mM de NaCl / 10 mg / ml de sacarose/10 mg/ml de manitol, pH 7,4). Alíquotas de vetor foram armazenadas a 80°C. Produção e Análise de aves transgênicas • • • Pássaros transgénicos foram produzidas por injeção de vetores virais em embriões de pintos na fase de ovo recém colocado, seguido por cultura dos embriões que eclodem. Os pintinhos nascidos são elevados até a maturidade sexual e DNA extraído de sêmen de machos adultos foi analisada por PCR , para identificar galos que possuem as sequências do vetor na linha germinal. Os galos identificados por este método foram cruzados com galinhas de tipo selvagem , e os seus descendentes foram rastreados por PCR para identificar aves transgénicas G1 hemizigotos. As inserções no vetor em pássaros G1 individuais foram analisadas por Southern transfer. DNA genômico (10µg), extraído de todo sangue, foi digerido com as endonucleases de restrição apropriadas, resolvido num peso / volume de gel de agarose 0,7 % e transferido para membrana Hybond –N. As manchas foram analisadas por meio de sondas marcadas com [32P]dCTP utilizando um kit II RediPrime ( Amersham Biosciences ). A hibridação foi, em fosfato de sódio 500 mM (pH 7,2) / 7% de SDS a 65°C e foi detectada por autoradiografia. RNA e análise de proteínas • • • Amostras de tecidos (aprox. 50mg) foram extraídas, congelado e armazenado a 80°C e até ser necessário. O RNA total foi preparado usando RNA de abelha (AMS Biotech, Abingdon, Reino Unido) e 10 de µg foi resolvido sobre um desnaturante 1% peso/volume de gel de agarose. RNA foi transferido para membranas Hybond-N (Amersham Biosciences), utilizando 10 x SSC (1xSSC = 0,15 M cloreto de sódio/0,015 M citrato de sódio, pH 7). Hibridização era como em Southern blots. Para ensaio de proteína recombinante expressa na clara do ovo, os ovos foram cuidadosamente aberto e a clara foi recuperada livre de gema. A clara de ovo foi misturada durante pelo menos 60 min a 4°C com 4 volumes de tampão acetato de Na gelado, 50 mM (pH 5,0), para remover a maior parte da fracção ovomucin (inibidor de tripsina). Para a detecção de proteína miR24, plascas 2B Immulon (Thermo Labsystems, Basings toke, UK) foram revestidas com IgG de ovelha anti-humano (γ-cadeia específica, AU004; The Binding Site, Birmingham, U.K.) o anticorpo a uma concentração de 4µg /ml 50 mM de tampão de carbonato/bicarbonato (pH 9,6) e incubado durante 1h à temperatura ambiente, o padrão usado foi o anticorpo IgG1 humano (BP078; The Binding Site). RNA e análise de proteínas • • • Placas foram lavadas com PBS/0.05% de Tween 20 (PBST) antes de adsorver amostra de solução de clara de ovo (pH 5,5). Amostras de clara de ovo foram testadas em duplicado e incubadas durante 1 h à temperatura ambiente. Placas foram lavadas com PBST, e a presença de miR24 foi revelado por anticorpo conjugado com peroxidase de rábano IgG anti-ovelha/cabra numa diluição de 1:1.000 em PBST durante 1 h, à temperatura ambiente (AP004, The Binding Site). As placas foram lavadas com PBST e incubados durante 5 min à temperatura ambiente com 0,4 mg / ml de o-fenilenodiamina / 0,006% de peróxido de hidrogénio em 50mM tampão fosfato-citrato (pH 5,0). A reação foi interrompida e desenvolveu-se a adição de 0,25 volume de 12,5% de ácido sulfúrico. As placas foram lidas a 490 nm e os dados foram analisados usando um log : enredo logit no Microsoft Excel ( Microsoft, Redmond, WA). A sensibilidade do teste ELISA foi de 8 ng/ml. RNA e análise de proteínas A concentração de proteína hIFNβ1a em clara de ovo foi determinada através do uso de IFN- β humano ELISA kit (PBL Biomedical Laboratories, Piscataway, NJ; product no. 41400-2A). Os dados foram analisados utilizando GraphPad (San Diego, CA), o software Prism. A sensibilidade do ensaio é de 250 pg/ml. Imuno-histoquímica • Tecidos adultos foram isoladas e fixadas durante 30 minutos em paraformaldeído a 4% em PBS, e os tecidos foram cryoembedded e seccionados em 14µm em lâminas microscópicas Superfrost Plus (VWR, Lutterworth, U.K.). Lâminas foram bloqueadas em PBST contendo 10% soro de galinha inactivado pelo calor durante 1 h e incubou-se durante 1 h em solução de anticorpo secundário (diluição de 1:100 de conjugado de FITC-anti-IgG humana, Sigma, St. Louis, MO) PBST contendo soro de galinha a 10% . As lâminas foram lavadas durante 1 hora adicional em PBST, contrastado com Hoechst, e montado. Ensaio de efeito citopático • • Células VeroE6 foram cultivadas com uma densidade de 1x104 para cada poço de uma placa de 96 poços (200µl por poço DMEM/10% de FBS/1% de penicilina/ estreptomicina/glutamina). Células foram incubadas a 37°C em 5% de CO2 durante 24 h. Meio foi então substituído por 100 µl de DMEM / 2% FBS / 1% de penicilina / estreptomicina / glutamina, exceto a coluna 2, a qual 150µl de DMEM mais 2,66% de FBS/1% de penicilina/estreptomicina/glutamina foi adicionado. Cinquenta microlitros de amostras de teste de clara de ovos, sem diluição ou prédiluído 1:1.000 com um meio livre de soro, adicionou-se à coluna 2. Como controles, Escherichia coli derivada de IFN1βa (PBL Biomedical Laboratories) foi enriquecida em solução de clara de ovo de um ovo controle (sem diluição ou pré-diluído 1:1.000 meio isento de soro) ou em SFM em 4.000 unidades/ml. Ensaio de efeito citopático As amostras e controles foram diluídos em série (2 vezes) entre as placas de 96 poços a partir de colunas 2 a 11. A coluna 1 foi mantida como controle não tratado, a 12 foi mantida como controle não contaminado. As placas de células foram então incubadas a 37 ° C, 5 % de CO2 durante 24 h antes da infecção de cada poço nas colunas 1-11, com 150 unidades formadoras de placas de vírus da foresta de Semliki em 100µl. Placas de células foram ainda incubadas a 37 ° C 5 % de CO2 durante 48 h , e vírus induzida por citólise foi avaliada utilizando o kit de citotoxicidade da lactato desidrogenase (Roche) , de acordo com as instruções do fabricante. Resultados foram analisados utilizando Graph-Pad Prism para comparar a título de EC50 para as amostras de clara de ovo com o EC50 determinado a partir de uma concentração conhecida de E . coli produziu hIFNβ1a. Obrigado.