Amélioration de la transfection
3.3.3. Clivage de la portion bactérienne du plasmide
Il a été précédemment démontré que de l’ADNdb de 2 kb améliore l’expression luciférase, tandis que la même dose de plasmide (5,6 kb) n’a aucun effet (Figures 17 et 18). Cela suggère qu’une molécule d’ADN de faible masse moléculaire serait plus abondamment internalisée par les cellules épithéliales respiratoires nasales, par choc hypotonique, qu’une molécule de plus haute masse moléculaire. Si la molécule d’ADN contenant le gène luciférase était plus courte que le plasmide, elle pourrait être internalisée plus efficacement par les cellules épithéliales.
Une méthode simple pour raccourcir la molécule d’ADN contenant le gène luciférase a consisté à digérer le plasmide avec des enzymes de restriction. En effet, la partie bactérienne du plasmide, contenant le gène de résistance à la kanamycine et l’origine de réplication, possède des sites de restriction uniques (Spe I, Dra III, Pvu I et AlwN I) et deux copies du site ApaL I (Figure 22).
Figure 22 Carte du plasmide pNGVL3-luc. Les différents sites de restriction présents dans la portion bactérienne du plasmide sont représentés par des double flèches.
β-globine
La linéarisation du plasmide par sa coupure avec l’enzyme de restriction Dra III, au début du gène de résistance à la kanamycine, a augmenté l’activité luciférase de 1,6 fois, tandis que les double coupures avec Dra III et Pvu I ainsi que Dra III et AlwN I ont amélioré l’expression luciférase en moyenne de 4,5 et 21,4 fois, respectivement, par rapport au plasmide intact (Figure 23).
Le fragment de restriction Dra III-AlwN I est environ 30 % plus court que le plasmide. Le fragment d’ADN contenant le gène luciférase a été rendu encore plus court en coupant la portion bactérienne du plasmide avec ApaL I et, Spe I et AlwN I. L’activité luciférase a diminué par rapport à celle obtenue avec Dra III et AlwN I, mais elle est restée plus élevée que celle obtenue avec le plasmide intact (Figure 23).
Figure 23 Transfection de l’épithélium nasal avec divers fragments de restriction. pNGVL3 -luc a été digéré avec une ou deux enzymes de restriction à la fois et 100 µg de fragments de restriction ont été administrés dans les fosses nasales de 3-4 souris CD1 par groupe. **
P<0,005 ; *** P<0,0005 par rapport au plasmide intact (pADN).
1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07
pDNA Dra III Dra III - Pvu I Dra III - Alw N I ApaL I - ApaL I Spe I - Alw N I fragments de restriction
Activité luciférase (URL/mg protéine)
Les enzymes Dra III et AlwN I ont coupé le plasmide à environ 500 paires de bases en amont et en aval du gène luciférase. Le cytoplasme des cellules de mammifère contient des
exonucléases capables de digérer les acides nucléiques linéaires. Le meilleur résultat a donc été obtenu en clivant un fragment de 1,7 kb du reste du plasmide, ce qui a notablement raccourci le fragment d’ADN contenant le gène luciférase. Les deux régions d’environ 0,5 kb flanquant le transgène ont pu le protéger des exonucléases cytosoliques, pendant le passage de l’ADN dans le cytoplasme, avant l’atteinte du noyau. Le clivage du plasmide plus près du transgène a raccourci davantage la molécule d’ADN, mais les régions flanquantes sont probablement devenues trop courtes pour protéger le transgène vis-à-vis des exonucléases.
Pour traiter des pathologies respiratoires par thérapie génique, l’expression du transgène doit non seulement être élevée 24 heures après transfection, mais elle doit aussi se maintenir à ce haut niveau pendant plusieurs semaines. La cinétique de l’activité luciférase a alors été déterminée avec le plasmide pNGVL3-luc intact et suite à sa digestion par les enzymes Dra III et AlwN I. Dans les deux cas, l’expression luciférase a rapidement diminué entre jour 1 et jour 4 et plus lentement par la suite jusqu’à sa stabilisation, à partir du jour 10, à un très faible niveau (environ 2300 URL/mg protéine, Figure 24). Néanmoins, les activités luciférase obtenues avec les fragments Dra III-AlwN I ont été plus élevées que celles obtenues avec le plasmide intact pendant environ 10 jours.
1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07
0 2 4 6 8 10 12 14
Temps (jours)
Activité luciférase (URL/mg protéine)
Figure 24 Cinétique de l’expression luciférase dans l’épithélium nasal transfecté par choc hypotonique avec de l’ADN nu. Le tissu nasal a été perfusé avec 100 µg de plasmide intact (courbe rouge) et avec 100 µg de plasmide préalablement digéré par les enzymes de
restriction Dra III et AlwN I (courbe bleue) et 4 souris par groupe ont été sacrifiées après 1 à 14 jours. ++ P<0,01 et *** P<0,0005 par rapport au plasmide intact.
La fragmentation du plasmide avec des enzymes de restriction a donc permis d’obtenir des niveaux d’expression du transgène plus élevés, mais l’expression luciférase n’a pas été maintenue dans le temps.
***
++
3.4. DISCUSSION
Pour améliorer la transfection de l’épithélium respiratoire nasal avec de l’ADN nu, par choc hypotonique, la première méthode a consisté à co-administrer le plasmide et une molécule capable d’augmenter la demi-vie de ce dernier. L’ADNsb et l’ADNdb de faible masse moléculaire ont effectivement amélioré l’activité luciférase de 3,2 fois et 5,8 fois,
respectivement. Ces molécules d’ADN ont probablement saturé les nucléases cellulaires, ce qui a permis à davantage de copies intactes du plasmide d’entrer dans le noyau cellulaire. Le second type de molécule pouvant augmenter la demi-vie du plasmide a été l’ATA, qui se comporte comme un inhibiteur de nucléases. L’ATA a augmenté l’activité luciférase de 6,4 fois à une plus faible dose que les ADNs non codant, ce qui confirme que cette molécule n’est pas métabolisée par les nucléases contrairement aux ADNs. L’ATA est une molécule trop toxique pour pouvoir être utilisée comme adjuvant de transfection chez l’homme, car outre les nucléases, elle inhibe d’autres enzymes comme les topoisomérases et les polymérases.
L’avenir de cette stratégie dépend de la mise au point d’un inhibiteur de DNase(s) beaucoup plus spécifique et biodégradable, donc, on l’espère, moins toxique. Choi et al. ont découvert un peptide inhibant la DNase I par « phage display library » [29]. Malheureusement, ce peptide a une trop faible affinité pour la DNase I pour être utilisée in vivo. Un dérivé de ce peptide, ayant une affinité beaucoup plus élevée pour la DNase I, pourrait être utilisé comme adjuvant de transfection de l’épithélium respiratoire.
L’activité luciférase est non seulement le résultat du transfert du gène luciférase dans le noyau des cellules épithéliales, mais aussi du niveau d’expression du gène. La fréquence de
transcription est contrôlée par les activateurs transcriptionnels, qui stimulent l’expression des gènes, et les répresseurs transcriptionnels, qui la réprime. La portion bactérienne du plasmide
pNGVL3-luc et la région régulatrice sont longues de 2850 paires de bases. Il est possible qu’un ou plusieurs sites de fixation de répresseurs transcriptionnels soient présents dans cette partie du plasmide. YY1 est le plus souvent un répresseur transcriptionnel et un site YY1 consensuel se situe en amont du gène luciférase. Tandis qu’un oligonucléotide YY1 a augmenté l’activité luciférase de 9,5 fois, la mutation du site YY1 a abouti à une diminution de l’expression luciférase de 3,7 fois. Ceci suggère que YY1 se comporte comme un
activateur transcriptionnel au niveau des séquences régulatrices CMV. YY1 contrôle aussi l’expression de nombreux gènes cellulaires. Bien que l’oligonucléotide YY1 ait diminué l’expression du gène luciférase en empêchant le facteur de transcription de se fixer sur le plasmide, il a pu augmenter l’expression de gènes cellulaires dont les produits sont impliqués dans l’expression génique : la transcription, la maturation de l’ARNm, l’export de l’ARNm du noyau, la traduction, la stabilité de l’ARNm et celle de la protéine luciférase.
L’oligonucléotide YY1 aurait indirectement augmenté l’expression luciférase en augmentant l’expression de certains gènes cellulaires. Ainsi, l’activité luciférase a globalement augmenté en présence de l’oligonucléotide YY1.
Bien que le site YY1 situé en amont de l’amplificateur CMV ne soit pas un site de répresseur transcriptionnel, il est possible que de tels sites existent dans la partie non codante du
plasmide pNGVL3-luc et d’autres vecteurs. Cette hypothèse est prématurée, car elle nécessite de connaître la séquence cible et la distribution tissulaire de tous les répresseurs
transcriptionnels de mammifères. Ces informations restent encore trop limitées et disparates.
Par contre, l’oligonucléotide YY1 a significativement amélioré l’expression de la luciférase.
L’utilisation d’un tel oligonucléotide pourrait devenir une stratégie en elle-même pour augmenter l’expression d’un transgène en augmentant l’expression de gènes cellulaires impliqués dans l’expression génique. Un résultat similaire a été obtenu en incubant des cellules transfectées avec un inhibiteur de désacétylases des histones (communication
personnelle de Dr Robert Debs). Ce type de molécule augmente la fréquence de la transcription de gènes cellulaires en débobinant la chromatine recouvrant leur région régulatrice. De manière similaire à l’oligonucléotide YY1, certains de ces gènes cellulaires seraient impliqués dans l’expression génique et augmenteraient l’expression du transgène.
Le clivage de la portion bactérienne du plasmide avec les enzymes de restriction Dra III et AlwN I a fortement amélioré l’activité luciférase (21,4 fois). Cela pourrait être dû à une amélioration de la transfection : davantage de copies du gène luciférase ont atteint le noyau cellulaire. Toutes les barrières de la transfection pourraient être un peu mieux franchies, de l’internalisation de l’ADN à la traversée du pore nucléaire, parce que la molécule d’ADN portant le transgène est environ 30 % plus courte que le plasmide et linéaire. L’augmentation de l’activité luciférase pourrait aussi être le résultat de l’amélioration de l’expression du transgène : la fréquence de transcription du gène luciférase n’a plus été diminuée par des protéines se fixant sur le fragment bactérien Dra III-AlwN I. Ces protéines pourraient être des répresseurs transcriptionnels, qui interagiraient avec le complexe d’initiation de la
transcription présent sur la région régulatrice du gène luciférase. Enfin, ces deux hypothèses combinées pourraient expliquer l’augmentation de plus de 20 fois de l’activité luciférase.
La coupure d’une partie de la portion bactérienne du plasmide avec des enzymes de restriction est une méthode simple pour l’éliminer du reste du plasmide. Chen et al. ont mis au point une souche d’Escherichia coli qui exprime de manière inductible une recombinase dont les deux séquences cibles se situent de part et d’autre du transgène [23]. A la fin de la croissance exponentielle des bactéries, l’expression de la recombinase est induite et cette enzyme élimine la majeure partie de la portion bactérienne du plasmide, incluant le gène de résistance à un antibiotique et l’origine de réplication. Deux molécules d’ADN circulaires sont ainsi générées : l’une contient le transgène et l’autre contient les séquences bactériennes (mini-cercles d’ADN). Ces deux molécules d’ADN circulaires sont ensuite extraites des bactéries et
purifiées comme un plasmide. Cette stratégie est plus appropriée à la production à grande échelle de courtes molécules d’ADN contenant le transgène d’intérêt que la digestion du plasmide avec des enzymes de restriction. D’après les résultats obtenus avec les fragments d’ADN, ces courtes molécules d’ADN circulaire contenant un transgène pourraient transfecter l’épithélium respiratoire plus efficacement que des plasmides et/ou elles pourraient être plus fréquemment transcrites par l’ARN polymérase II.
La cinétique de l’expression luciférase a révélé que les fragments Dra III-AlwN I n’ont pas maintenu l’activité luciférase au niveau atteint 24 heures après la perfusion. Plusieurs raisons pourraient expliquer la diminution de l’expression luciférase, telles que l’atténuation de la région régulatrice, le retour du plasmide nucléaire dans le cytoplasme et la dégradation du plasmide à l’intérieur du noyau. Le clivage de la partie bactérienne du plasmide avec des enzymes de restriction ne peut pas empêcher la survenue de ces évènements. Il n’est donc pas surprenant que l’expression luciférase ait diminué en 10 jours à un niveau identique à celui atteint par le plasmide intact.
Il a été démontré que, dans un système « cell free », de l’ADN s’adsorbe sur les filaments intermédiaires du cytosquelette [159] et sur les microtubules par l’intermédiaire de MAP2 [166]. Néanmoins, il n’a pas été démontré que de l’ADN se fixe sur ces filaments du cytosquelette dans le cytoplasme d’une cellule vivante. Si cela est le cas, l’ADNdb pourrait saturer ces filaments et davantage de copies du plasmide atteindraient alors le noyau. De plus, le raccourcissement du plasmide, en le coupant avec des enzymes de restriction, diminuerait l’avidité de l’ADN pour ces filaments et davantage de copies du transgène transloqueraient dans le noyau.