Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Silenciamento do canal de potássio Eag1 potencializa efeitos da temozolomida em células U-87 MG de glioblastoma multiforme

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Ciências da Saúde, 2015.

Produção de novos anticorpos Anti-CD20 na forma de FvFc em células de mamíferos

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2015.

Evaluation of a viral vector system, based on a defective interfering RNA of tomato bushy stunt virus, for protein expression and the induction of gene silencing

A viral vector system was developed based on a DI-RNA, a sub-viral particle derived from TBSV-BS3-statice. This newly designed vector system was tested for its applicability in protein expression and induction of gene silencing. Two strategies were pursued. The first strategy was replication of the DI-RNA by a transgenically expressed TBSV replicase and the second was the replication by a so called helper virus. It could be demonstrated by northern blot analysis that the replicase, expressed by the transgenic N. benthamiana plant line TR4 or supplied by the helper virus, is able to replicate DI-RNA introduced into the plant cells. Various genes were inserted into different DI constructs in order to study the vector system with regard to protein expression. However, independent of how the replicase was provided no detectable amounts of protein were produced in the plants. Possible reasons for this failure are identified: the lack of systemic movement of the DI-RNA in the transgenic TR4 plants and the occurrence of deletions in the inserted genes in both systems. As a consequence the two strategies were considered unsuitable for protein expression. The DI-RNA vector system was able to induce silencing of transgenes as well as endogenous genes. Several different p19 deficient helper virus constructs were made to evaluate their silencing efficiency in combination with our DI-RNA constructs. However, it was found that our vector system can not compete with other existing VIGS (virus induced gene silencing) systems in this field. Finally, the influence of DI sequences on mRNA stability on transient GUS expression experiments in GUS silenced plants was evaluated. The GUS reporter gene system was found to be unsuitable for distinguishing between expression levels of wild type plants and GUS silenced transgenic plants. The results indicate a positive effect of the DI sequences on the level of protein expression and therefore further research into this area is recommended.

Expression of a plant viral polycistronic mRNA in yeast, Saccharomyces cerevisiae, mediated by a plant virus translational transactivator.

We demonstrate that the cauliflower mosaic virus (CaMV) gene VI product can transactivate the expression of a reporter gene in bakers' yeast, Saccharomyces cerevisiae. The gene VI coding sequence was placed under the control of the galactose-inducible promoter GAL1, which is presented in the yeast shuttle vector pYES2, to create plasmid JS169. We also created a chloramphenicol acetyltransferase (CAT) reporter plasmid, JS161, by inserting the CAT reporter gene in-frame into CaMV gene II and subsequently cloning the entire CaMV genome into the yeast vector pRS314. When JS161 was transformed into yeast and subsequently assayed for CAT activity, only a very low level of CAT activity was detected in cellular extracts. To investigate whether the CaMV gene VI product would mediate an increase in CAT activity, we cotransformed yeast with JS169 and JS161. Upon induction with galactose, we found that CAT activity in yeast transformed with JS161 and JS169 was about 19 times higher than the level in the transformants that contained only JS161. CAT activity was dependent on the presence of the gene VI protein, because essentially no CAT activity was detected in yeast cells grown in the presence of glucose, which represses expression from the GAL1 promoter. RNase protection assays showed that the gene VI product had no effect on transcription from the 35S RNA promoter, demonstrating that regulation was occurring at the translation level. This yeast system will prove useful for understanding how the gene VI product of CaMV mediates the translation of genes present on a eukaryotic polycistronic mRNA.

Gene expression profile of the plant pathogen Fusarium graminearum under the antagonistic effect of Pantoea agglomerans

The pathogenic fungus Fusarium graminearum is an ongoing threat to agriculture, causing losses in grain yield and quality in diverse crops. Substantial progress has been made in the identification of genes involved in the suppression of phytopathogens by antagonistic microorganisms; however, limited information regarding responses of plant pathogens to these biocontrol agents is available. Gene expression analysis was used to identify differentially expressed transcripts of the fungal plant pathogen F. graminearum under antagonistic effect of the bacterium Pantoea agglomerans. A macroarray was constructed, using 1014 transcripts from an F. graminearum cDNA library. Probes consisted of the cDNA of F. graminearum grown in the presence and in the absence of P. agglomerans. Twenty-nine genes were either up (19) or down (10) regulated during interaction with the antagonist bacterium. Genes encoding proteins associated with fungal defense and/or virulence or with nutritional and oxidative stress responses were induced. The repressed genes coded for a zinc finger protein associated with cell division, proteins containing cellular signaling domains, respiratory chain proteins, and chaperone-type proteins. These data give molecular and biochemical evidence of response of F. graminearum to an antagonist and could help develop effective biocontrol procedures for pathogenic plant fungi.

Binary vectors for sense and antisense expression of arabidopsis ESTs

Our laboratory is interested in devising methods to identify functions for the vast numbers of arabidopsis genes now available. For this purpose, we have constructed a set of binary vectors that will allow the quick production of transgenic arabidopsis plants containing either sense or antisense copies of EST clones obtained from the PRL2 library. These vectors are based on the pSLJ series containing the bialophos resistance (BAR) gene that confers resistance to the herbicide BASTA. Tn addition, our vectors contain a 35S CaMV promoter-polylinker-nos terminator cassette that allows the direct cloning of arabidopsis ESTs in either antisense (pAOV and pAOV2) or sense (pSOV and pSOV2) orientation. We also describe the construction of two additional vectors conferring BASTA resistance and containing the pBluescript polylinker in both orientations inserted between the 35S CaMV promoter and nos terminator (pKMB and pSMB).

Purification and characterization of a plant antimicrobial peptide expressed in Escherichia coli

MiAMP1 is a low-molecular-weight, cysteine-rich, antimicrobial peptide isolated from the nut kernel of Macadamia integrifolia. A DNA sequence encoding MiAMP1 with an additional ATG: start codon was cloned into a modified pET vector under the control of the T7 RNA polymerase promoter. The pET vector was cotransformed together with the vector pSB161, which expresses a rare arginine tRNA. The peptide was readily isolated in high yield from the insoluble fraction of the Escherichia coil extract. The purified peptide was shown to have an identical molecular weight to the native peptide by mass spectroscopy indicating that the N-terminal methionine had been cleaved. Analysis by NMR spectroscopy indicated that the refolded recombinant peptide had a similar overall three-dimensional structure to that of the native peptide. The peptide inhibited the growth of phytopathogenic fungi in vitro in a similar manner to the native peptide. To our knowledge, MiAMP1 is the first antimicrobial peptide from plants to be functionally expressed in E. coil. This will permit a detailed structure-function analysis of the peptide and studies of its mode of action on phytopathogens. (C) 1999 Academic Press.

Assessment of transient gene expression in plant tissues using the green fluorescent protein as a reference

Four different promoters (35S and enhanced 35S of the cauliflower mosaic virus, polyubiquitin of maize and actin1 of rice) were compared in a transient assay using maize leaves and particle bombardment. A gene encoding the jellyfish green fluorescent protein (GFP) driven by the 358 promoter was used as an internal standard to monitor the effectiveness of each bombardment. Normalisation of the transient expression assay using the GFP reference significantly reduced the variability between separate bombardments and allowed for a rapid and accurate evaluation of different promoters in microprojectile-bombarded leaves.

Gene transfer and expression of a non-viral polycation-based vector in CD4(+) cells

CD4-selective targeting of an antibody-polycation-DNA complex was investigated The complex was synthesized with the anti-CD4 monoclonal antibody B-F5, polylysine(268) (pLL) and either the pGL3 control vector containing the luciferase reporter gene or the pGeneGrip vector containing the green fluorescent protein (GFP) gene. B-F5-pLL-DNA complexes inhibited the binding of I-125-B-F5 to CD4(+) Jurkat cells, while complexes synthesised either without B-F5 or using a non-specific mouse IgG1 antibody had little or no effect Expression of the luciferase reporter gene was achieved in Jurkat cells using the B-F5-pLL-pGL3 complex and was enhanced in the presence of PMA. Negligible luciferase activity was defected with the non-specific antibody complex in Jurkat cells or with the B-F5-pLL-pGL3 complex in the CD4(-) K-562 cells. Using complexes synthesised with the pGeneGrip vector, the transfection efficiency in Jurkat and K-562 cells was examined using confocal microscopy. More than 95% of Jurkat cells expressed GFP and the level of this expression was markedly enhanced by PMA. Negligible GFP expression was seen in K-562 cells or when B-F5 was replaced by a nonspecific antibody. Using flow cytometry, fluorescein-labelled complex showed specific targeting to CD4(+) cells in a mixed cell population from human peripheral blood. These studies demonstrate the selective transfection of CD4(+) T-lymphoid cells using a polycation-based gene delivery system. The complex may provide a means of delivering anti-HIV gene therapies to CD4(+) cells in vivo.

The Arabidopsis mutant iop1 exhibits induced over-expression of the plant defensin gene PDF1.2 and enhanced pathogen resistance

Jasmonate and ethylene are concomitantly involved in the induction of the Arabidopsis plant defensin gene PDF1.2. To define genes in the signal transduction pathway leading to the induction of PDF1.2, we screened for-mutants with induced over-expression of a beta-glucuronidase reporter, under the control of the PDF1.2 promoter. One mutant, iop1 (induced over-expressor of PDF1.2) produced small plants that showed induced over-expression of the pathogenesis-related genes PR-3, PR-4 and PR-1,2 (PDF1.2), combined with a down-regulated induction of PR-1 upon pathogen inoculation. The iop1 mutant showed enhanced resistance to a number of necrotrophic pathogens.

Constitutive expression of a phenylalanine ammonia-lyase gene from Stylosanthes humilis in transgenic tobacco leads to enhanced disease resistance but impaired plant growth

Transgenic tobacco plants expressing a phenylalanine ammonia-lyase cDNA (ShPAL), isolated from Stylosanthes humilis, under the control of the 35S promoter of the cauliflower mosaic virus were produced to test the effect of high level PAL expression on disease resistance. The transgenic plants showed up to eightfold PAL activity and were slowed in growth and flowering relative to non-transgenic controls which have segregated out the transgene. The expression of the ShPAL transgene and elevated PAL levels were correlated and stably inherited. In T-1 and T-2 tobacco plants with increased PAL activity, lesion expansion was significantly reduced by up to 55% on stems inoculated with the Oomycete pathogen Phytophthora parasitica pv. nicotianae, Lesion area was significantly reduced by up to 50% on leaves inoculated with the fungal pathogen Cercospora nicotianae. This study provides further evidence that PAL has a role in plant defence. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Characterization of the molluscicidal activity of Bauhinia variegata and Mimusops elengi plant extracts against the fasciola vector lymnaea acuminata

The molluscicidal activity of Bauhinia variegata leaf and Mimusops elengi bark was studied against vector snail Lymnaea acuminata. The toxicity of both plants was time and concentration-dependent. Among organic extracts, ethanol extracts of both plants were more toxic. Toxicity of B. variegata leaf ethanolic extract (96h LC50- 14.4 mg/L) was more pronounced than M. elengi bark ethanolic extract (96h LC50-15.0 mg/L). The 24h LC50 of column purified fraction of B. variegata and M. elengi bark were 20.3 mg/L and 18.3 mg/L, respectively. Saponin and quercetin were characterized and identified as active molluscicidal component. Co-migration of saponin (Rf 0.48) and quercetin (Rf 0.52) with column purified bark of M. elengi and leaf of B. variegata on thin layer chromatography demonstrate same Rf value i.e. 0.48 and 0.52, respectively. The present study clearly indicates the possibility of using M. elengi and/or B. variegata as potent molluscicide.

Regulation of gene expression by SnRK1 kinases and miRNAs during the plant stress response

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Plant Physiology