Ici, nous présentons un protocole pour la production d’adénovirus en utilisant le système pAdEasy. La technologie comprend la recombinaison des plasmides pAdTrack et pAdEasy-1, l’emballage et l’amplification des adénovirus, la purification des particules adénoviraux du lysat cellulaire et du milieu de culture, le titrage viral et le test fonctionnel de l’adénovirus.
La transduction adénovirale présente l’avantage d’une induction forte et transitoire de l’expression du gène d’intérêt dans une grande variété de types de cellules et d’organes. Cependant, la technologie adénovirale recombinante est laborieuse, longue et coûteuse. Ici, nous présentons un protocole amélioré utilisant le système pAdEasy pour obtenir des particules adénovirales purifiées qui peuvent induire une forte expression de protéine fluorescente verte (GFP) dans les cellules transduites. Les avantages de cette méthode améliorée sont une préparation plus rapide et une réduction des coûts de production par rapport à la méthode originale développée par Bert Vogelstein. Les principales étapes de la technologie adénovirale sont : (1) la recombinaison de pAdTrack-GFP avec le plasmide pAdEasy-1 dans les bactéries BJ5183 ; 2° l’emballage des particules adénoviraux; (3) l’amplification de l’adénovirus dans les cellules d’AD293 ; 4° la purification des particules adénoviraux du lysat cellulaire et du milieu de culture; et (5) le titrage viral et l’essai fonctionnel de l’adénovirus. Les améliorations apportées à la méthode originale consistent en (i) la recombinaison dans le pAdEasy-1 contenant du BJ5183 par transformation chimique de bactéries; ii) la sélection de clones recombinants par PCR « négative » et « positive »; iii) la transfection de cellules AD293 à l’aide du système de transfection K2 pour l’emballage adénoviral; iv) la précipitation avec du sulfate d’ammonium des particules virales libérées par les cellules AD293 dans le milieu de culture cellulaire; et (v) la purification du virus par ultracentrifugation discontinue en une seule étape du chlorure de césium. Une forte expression du gène d’intérêt (dans ce cas, GFP) a été obtenue dans différents types de cellules transduites (telles que les hépatocytes, les cellules endothéliales) à partir de diverses sources (humaines, bovines, murines). Le transfert de gènes à médiation adénovirale représente l’un des principaux outils de développement de thérapies géniques modernes.
Les adénovirus sont des virus non enveloppés contenant une nucléopside et un génome d’ADN linéaire double brin1,2,3. Les adénovirus peuvent infecter un large éventail de types de cellules et l’infection ne dépend pas de la division cellulaire hôte active. Après l’infection, l’adénovirus introduit son ADN génomique dans le noyau de la cellule hôte, où il reste épichromosomique et est transcrit avec les gènes de l’hôte. Ainsi, un risque potentiel minimal de mutagenèse insertionnelle ou de régulation des oncogènes est atteint 4,5,6. Le génome adénoviral n’est pas répliqué avec le génome de l’hôte et, par conséquent, les gènes adénoviraux sont dilués dans une population cellulaire qui se divise. Parmi les avantages de la transduction adénovirale, il y a : (i) des niveaux élevés d’expression de transgene ; ii) réduction des risques liés à l’intégration de l’ADN viral dans le génome de l’hôte, en raison de l’expression épisomale; iii) la transduction d’une grande variété de types de cellules qui se divisent et qui ne se divisent pas. La plupart des adénovirus utilisés dans la recherche biomédicale sont non réplicatifs, dépourvus de la région E17,8,9. Pour leur production, une lignée cellulaire fournissant la séquence E1 (telle que HEK293) est requise. En outre, une région non essentielle pour le cycle de vie viral (E3) a été supprimée pour permettre l’insertion d’un transgène dans le génome viral; d’autres régions (E2 et E4) ont été encore supprimées dans quelques adénovirus, mais dans ces cas, un rendement diminué de production adénovirale et une faible expression du transgène ont été rapportés7.
Ici, nous présentons un protocole amélioré pour la construction, l’emballage et la purification des adénovirus à l’aide du système AdEasy. Ces améliorations ont permis l’emballage de l’adénovirus d’une manière plus rapide et plus économique par rapport à la méthode originale développée par Bert Vogelstein2,10,en raison des avantages suivants: (i) la recombinaison dans BJ5183-contenant pAdEasy-1 par transformation chimique des bactéries; ii) la sélection des clones recombinants par PCR; iii) la transfection de cellules AD293 à l’aide du système de transfection K2 pour l’emballage adénoviral; iv) la précipitation de particules adénoviraux du milieu de culture après conditionnement et amplification viraux; v) la purification adénovirale par ultracentrifugation à gradient de chlorure de césium (CsCl) en une seule étape.
Le protocole de production d’adénovirus à l’aide du système AdEasy (Figure 1) comprend les étapes suivantes :
(1) Recombinaison de pAdTrack-GFP avec pAdEasy-1 dans les bactéries BJ5183
(2) Emballage des particules adénoviraux
(3) Amplification de l’adénovirus
(4) Purification des particules adénoviraux à partir du lysat cellulaire et du milieu de culture
(5) Titrage d’adénovirus.
Figure 1 : La technologie de production d’adénovirus. Les principales étapes de la technologie adénovirale sont: (1) La recombinaison du pAdTrack-GFP avec le plasmide pAdEasy-1 dans les bactéries BJ5183. Les plasmides recombinés sélectionnés sont amplifiés dans les bactéries DH5α puis purifiés ; (2) L’emballage des particules adénovirales dans les cellules AD293, qui produisent des protéines adéno-E1; (3) L’amplification de l’adénovirus dans les cellules d’AD293 ; (4) La purification des particules adénoviraux du lysat cellulaire et du milieu de culture par ultracentrifugation sur un gradient de densité CsCl ; (5) Le titrage de l’adénovirus et les tests fonctionnels. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Dans ce protocole, nous avons illustré la technologie pour la production de l’adénovirus, qui peut induire l’expression de GFP dans les cellules hôtes. La GFP est déjà insérée dans l’épine dorsale du vecteur navette pAdTrack-CMV (Addgene #16405), sous un deuxième promoteur CMV et est utilisée comme gène rapporteur(Figure 1). Pour cette raison, nous avons désigné ici le vecteur pAdTrack-CMV comme pAdTrack-GFP et nous avons évalué l’expression de GFP à des fins démonstratives. Outre l’expression de la GFP, le système peut être utilisé pour surexprimer un gène d’intérêt, qui peut être cloné dans les multiples sites de clonage du pAdTrack-CMV. Un gène ou un minigène cloné dans le pAdTrack-CMV est généralement plus efficace pour l’induction d’expression par rapport à l’ADNc11. Les données ont montré une forte expression de GFP dans les cellules transduites (telles que les hépatocytes, les cellules endothéliales) provenant de diverses sources (humaines, bovines, murines). Le transfert de gènes à médiation adénovirale représente l’un des principaux outils de développement de thérapies géniques modernes.
Les adénovirus recombinants sont un outil polyvalent pour la livraison et l’expression desgènes 12,13,14. Pour induire une forte expression protéique par transduction adénovirale, la séquence codante du gène d’intérêt est insérée dans le génome de l’adénovirus. Le système adénoviral AdEasy, développé dans le laboratoire de Bert Vogelstein, comprend un plasmide de squelette (pAdEasy-1) contenant la majeure partie du génome de l’adénovirus de type sauvage sérotype 5, et un vecteur navette (pAdTrack), conçu pour le clonage de gènes2,10. La suppression des gènes adénoviraux E1 (responsable de l’assemblage des particules virales infectieuses) et E3 (codant pour les protéines impliquées dans l’évasion de l’immunité de l’hôte) a créé un espace dans le génome adénoviral, dans lequel un gène d’intérêt de 6,5-7,5 kb peut être inséré2,3. Cette taille est suffisante pour de nombreux gènes, en particulier pour ceux qui ont des introns plus courts15,16,17. Il y a aussi des chercheurs rapportant la production d’adénovirus porteurs de l’ADNc d’un transgène18,19,20. Cependant, nous avons obtenu un rendement plus faible d’expression de transgène pour les adénovirus porteurs d’ADNc que pour leurs homologues porteurs d’un gène ou d’un mini-gène (données non montrées).
L’amélioration et l’adaptation des méthodes précédentes2,10,14,18,21,la technologie de production adénovirale nécessite un temps plus court, un coût inférieur et moins d’efforts. L’ADN adénoviral pleine longueur est obtenu par recombinaison entre le vecteur navette et le plasmide pAdEasy-1 dans la souche E. coli sujette à la recombinaison homologue, BJ5183. Le protocole implique la transformation chimique des cellules AdEasier-1 (bactéries BJ5183 contenant pAdEasy-1). Cette technique ne nécessite pas d’électroporateur qui peut ne pas être disponible dans certains laboratoires, est très simple, augmente le rendement de recombinaison et réduit le temps nécessaire pour obtenir des cellules compétentes et effectuer la transformation. La présélection des clones recombinants effectuée par PCR raccourcit encore le temps et facilite l’ensemble de la procédure. Une procédure similaire a été utilisée par Zhao et ses collègues22, cependant, dans le protocole, nous avons optimisé les séquences des amorces.
Pour l’emballage et l’amplification de l’adénovirus GFP, une lignée cellulaire dérivée hek293 a été utilisée, à savoir les cellules AD293, qui sont plus adhérentes à la plaque de culture. D’autres lignées cellulaires couramment utilisées pour la production adénovirale sont les suivantes: 911, 293FT, pTG6559 (dérivé A549), PER. C6 (son dérivé), GH329 (dérivé HeLa), N52. E6, et HeLa-E123,24,25,26. Dans nos mains, aucune amélioration de la production adénovirale n’a été obtenue quand 911 cellules ont été employées (données non montrées). La transfection des cellules AD293 avec le plasmide recombinant utilisant le réactif K2 a fortement augmenté l’efficacité de l’étape d’emballage viral. Après la production d’adénovirus, jusqu’à ~ 70% de l’adénovirus est encore à l’intérieur des cellules et est libéré par trois cycles de congélation et de décongélation. Augmenter le nombre de cycles ne convient pas car cela détruit l’adénovirus.
Tout au long du processus de production adénovirale de routine, de nombreuses particules virales sont libérées dans le milieu de culture cellulaire. L’élimination de ce milieu de culture cellulaire pendant la récolte des cellules AD293 infectées entraînerait une perte virale importante. Nous avons optimisé le protocole décrit par Schagen et ses collègues pour purifier les particules adénoviraux du milieu de culture cellulaire par précipitation avec du sulfate d’ammonium27. Cette méthode a une plus grande efficacité dans la récupération de l’adénovirus à partir du milieu de culture cellulaire par rapport à la méthode utilisant le polyéthylène glycol28. L’adénovirus précipité doit être purifié immédiatement par ultracentrifugation ou conservé au réfrigérateur pendant quelques jours, mais seulement après dialyse, pour éliminer l’excès de sel. Garder le précipité plus de quelques heures sans dialyse est nocif pour le virus.
La purification des particules adénoviraux par ultracentrifugation réalisée en une seule étape réduit la manipulation du stock adénoviral et facilite la procédure par rapport aux protocoles utilisant les étapes successives d’ultracentrifugation14,29. La dialyse de l’adénovirus purifié est nécessaire pour éliminer le chlorure de césium qui peut affecter davantage la transduction. Dans le protocole, nous avons utilisé un tampon Tris contenant mgCl2 mais pas de saccharose pour la dialyse, car il nécessite une quantité énorme et injustifiée de saccharose qui est nécessaire autrement comme conservateur pour la congélation. Ainsi, nous avons ajouté du saccharose plus tard, directement dans les stocks adénoviraux préparés pour la congélation. Pour éviter la congélation et le dégel fréquents de l’adénovirus purifié, il est conseillé d’aliquoter les stocks adénoviraux et de les stocker à -80 °C. Le titre adenoviral a été évalué par l’écoulement cytometry considérant le gène de rapporteur de GFP et le pourcentage de cellules transduites pour une dilution virale spécifique. Cette méthode est plus rapide par rapport au « dosage de la plaque » classique et est plus confiante par rapport à l’évaluation des protéines de la capside (par diverses méthodes telles que ELISA ou cytométrie en flux) qui ne révèle pas la capacité d’infection des particules adénovirales. Cependant, la quantification basée sur ELISA, la Q-PCR ou l’analyse de plaque à l’aide de kits disponibles dans le commerce sont des méthodes alternatives, particulièrement utiles pour le titrage des adénovirus qui ne contiennent pas de traceur fluorescent.
Considérant que les adénovirus pAdTrack sont dérivés du sérotype 5 des adénovirus humains qui est reconnu par les récepteurs coxsackievirus et adénovirus (CAR), nous avons démontré la capacité du GFP-adénovirus à transduire des cellules d’origine humaine (cellules endothéliales), mais aussi des cellules d’autres origines : bovine (cellules endothéliales) et murine (cellules stromales mésenchymateuses et hépatocytes). Les données ont montré que le GFP-adénovirus peut induire un niveau élevé d’expression d’un transgène.
En conclusion, nous avons optimisé cette technologie laborieuse pour réduire le temps, les coûts et l’effort nécessaire pour obtenir les particules adénoviraux. L’adénovirus préparé est capable d’infecter divers types de cellules et d’induire l’expression du gène d’intérêt. Ce protocole peut être employé dans une série d’expériences puisque le transfert adénoviral-négocié de gène représente l’un des principaux outils pour développer des thérapies géniques modernes.
ABRÉVIATIONS : AdV-GFP, particules adénoviraux; BAEC, cellules endothéliales aortiques bovines; CsCl, chlorure de césium; GFP, protéine fluorescente verte; MSC, cellules stromales mésenchymateuses; TU, unités de transduction.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par un projet cofinancé par le Fonds européen de développement régional dans le cadre du programme opérationnel pour la compétitivité 2014-2020 (POC-A.1-A.1.1.4-E-2015, ID: P_37_668; acronyme DIABETER), une subvention du ministère roumain de la Recherche et de l’Innovation PCCDI- UEFISCDI, numéro de projet PN-III-P1-1.2-PCCDI-2017-0697 au sein de PNCD III et par l’Académie roumaine. Les auteurs remercient Kyriakos Kypreos (Université de Patras, Grèce) pour ses conseils généreux et pertinents, Ovidiu Croitoru (Université des Beaux-Arts, Bucarest, Roumanie) pour le tournage, le montage de films et la conception graphique, et Mihaela Bratu pour son assistance technique.
AD293 cells | Agilent Technologies | 240085 | |
AdEasier-1 cells | Addgene | 16399 | |
Agarose I (for electrophoresis) | Thermo Scientific | 17850 | |
Ammonium sulfate | Sigma | A4418 | |
Ampicillin sodium salt | Sigma | A0166 | |
BamH I | Thermo Scientific | FD0054 | |
Cell culture plates 100 mm | Eppendorf | 30702115 | |
Cesium chloride | Sigma | L4036 | |
DH5alpha bacteria | Thermo Scientific | 18265017 | |
DMEM (GlutaMAX, 4.5g/L D-Glucose) | Gibco | 3240-027 | |
EA.hy926 cells | ATCC | CRL-2922 | |
EDTA | Sigma | E5134 | |
Ethanol (99.8%) | Roth | 5054.2 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma | F7524 | |
Flasks T25, T75, T175 | Eppendorf | 30712129 | |
Glucose | Sigma | G7021 | |
Hepa 1-6 murine hepatocytes | ATCC | CRL-1830 | |
Hind III | Thermo Scientific | FD0504 | |
Kanamycin Sulfate | Thermo Scientific | 15160054 | |
K2 Transfection System | Biontex | T060-5.0 | |
LB medium | Formedium | LBx0102 | |
LB-agar | Formedium | LBx0202 | |
Mix & Go E. coli Transformation kit | Zymo Research | T3001 | |
Midori Green Advanced DNA stain | Nippon Genetics Europe | MG-04 | |
NaOH | Sigma | S8045 | |
Opti-MEM | Thermo Scientific | 31985070 | |
Pac I | Thermo Scientific | FD2204 | |
pAdEasy-1 | Addgene | 16400 | |
pAdTrack-CMV | Addgene | 16405 | |
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol (24:24:1) | Invitrogen | 15593-031 | |
Polymerase GoTaq | Promega | M3005 | |
Pme I (Mss I) | Thermo Scientific | FD1344 | |
Potassium acetate | VWR Chemicals | 43065P | |
Pst I | Thermo Scientific | FD0614 | |
Qiagen Midi Prep kit | Qiagen | 12125 | |
Cell Scraper | TPP | 99003 | |
SDS | Thermo Scientific | 28365 | |
Slide-A-Lyzer dialysis cassettes | Thermo Scientific | 66330 | |
Sodium pyruvate | SIGMA | P5280-100G | |
Syringe with 23G neeedle | B Braun | 464BR | |
Tris HCl | Sigma | 1185-53-1 | |
Trypan blue | Roth | CN76.1 | |
Tubes 50ml | TPP | 91050 | |
Ultra-Clear Tubes (14×89 mm) | Beckman Coulter | 344059 | |
Centrifuge (refrigerated) | Sigma Sartorius | 3-19KS | |
HeraeusFresco 17 Microcentrifuge | Thermo Scientific | 75002420 | |
Ultracentrifuge with SW41Ti rotor | Beckman Coulter | Optima L-80 XP | |
Culture Hood | Thermo Scientific | Class II | |
Pipettes (0-2µl, 1-10µl, 2-20µl, 10-100µl, 20-200µl, 100-1000µl) | Thermo Scientific | ||
Dry Block Heating Thermostat | Biosan | TDB-120 | |
Thermocycle | SensoQuest | 012-103 | |
Water Bath | Memmert | WNB 14 |