Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales...

107
Unidad de Transferencia Gen Unidad de Transferencia Gen é é tica tica Instituto de Oncolog Instituto de Oncolog í í a a “Á “Á ngel H. ngel H. Roffo Roffo Universidad de Buenos Aires Universidad de Buenos Aires Transferencia de Genes a Transferencia de Genes a C C é é lulas Animales en Cultivo lulas Animales en Cultivo Conceptos y T Conceptos y T é é cnicas de Biotecnolog cnicas de Biotecnolog í í a I a I 2012 2012 2do cuatrimestre 2do cuatrimestre FBMC FBMC - - FCEN FCEN - - UBA UBA

Transcript of Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales...

Page 1: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Unidad de Transferencia GenUnidad de Transferencia GenééticaticaInstituto de OncologInstituto de Oncologíía a “Á“Ángel H. ngel H. RoffoRoffo””

Universidad de Buenos AiresUniversidad de Buenos Aires

Transferencia de Genes aTransferencia de Genes a

CCéélulas Animales en Cultivolulas Animales en Cultivo

Conceptos y TConceptos y Téécnicas de Biotecnologcnicas de Biotecnologíía I a I 2012 2012 –– 2do cuatrimestre2do cuatrimestre

FBMCFBMC--FCENFCEN--UBAUBA

Page 2: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

•BACTERIAS (i.e.: Escherichia coli)•HONGOS (i.e.: Saccharomyces cereviseae)•CULTIVOS CELULARES (animales o vegetales)•PLANTASALGASVASCULARES•ANIMALES:PECESAVESMAMÍFEROSBovinosCaprinosOvinosPorcinosHUMANOS: Transgénesis parcial � Terapia Génica

ORGANISMOS TRANSGÉNICOS- INVOLUCRADOS EN BIOTECNOLOGÍA -

Page 3: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Transferencia de Genes a CTransferencia de Genes a Céélulas Animales en Cultivolulas Animales en Cultivo

PROPÓSITOS

•Confirmar identidad de genes

•Caracterizar oncogenes

•Expresar proteínas que necesitan modificaciones post-

traduccionales

•Producir grandes cantidades de proteínas que naturalmente

se encuentran en cantidades limitadas

•Estudiar síntesis y transporte intracelular

•Expresar secuencias genómicas que contienen intrones

•Estudiar mecanismos de edición de genes

•Analizar señales de control de transcripción y su

modulación por drogas, hormonas, estado de diferenciación

Page 4: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Heterologous Protein Production

In Eukaryotic Cells

• Prokaryotic systems are generally cheaper, but…

• Eukaryotic proteins produced in bacteria may be

� Unstable or lack biological activity due to lack of posttranslational modifications or correct assembly

� Possess unacceptable contaminants after purification

Page 5: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Posttranslational Modifications

• Conformation

• Cleavage

• Correct disulfide bond formation

• Protein disulfide isomerase

• Amino acid removal from initial

polypeptide

• O-linked or N-linked glycosylation

� About 30% of eukaryotic proteins are

glycosylated

Page 6: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 7: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Examples of O-Glycosylations

Page 8: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Examples of N-Glycosylations

Page 9: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Examples of N-Glycosylations

• Initial groups can be

trimmed and then

expanded to create

different final

modifications

Page 10: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Examples of N-Glycosylations

• Another Variation

Page 11: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 12: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Cultivate mammalian cells!!!!

Carrel (surgeon, 1923)

Aseptic techniques

Carrel Flask

Chemically defined media (Eagle, Earle)ConsistencySterilizationReduced chance of contamination

50-s

Page 13: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Growth of Animal Cells in

Culture• In vitro cell culture systems enable scientists to:

– study cell growth and differentiation

– perform genetic manipulations to understand gene

structure and function.

• Culture media contains:

– Serum

– Salts

– Glucose

– Various amino acids and vitamins that the cells do

not make for themselves.

Page 14: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

+ compuestos no-definidos: suero sanguíneo (5-15%), cocktail de factores de crecimiento, etc.

0.0940.094L-Valine

0.63510.10379L-Tyrosine • 2Na •2H2O

0.0160.016L-Tryptophan

0.0950.095L-Threonine

0.0420.042L-Serine

0.0660.066L-Phenylalanine

0.03—L-Methionine

0.1461.46L-Lysine • HCl

0.1050.105L-Leucine

0.1050.105L-Isoleucine

0.0420.042L-Histidine • HCl • H2O

0.030.03Glycine

0.0626—L-Cystine • 2HCl

0.0840.084L-Arginine • HCl

Amino Acids

0.1090.109Sodium Phosphate Monobasic (anhydrous)

6.46.4Sodium Chloride

3.73.7Sodium Bicarbonate

0.40.4Potassium Chloride

0.097670.09767Magnesium Sulfate (anhydrous)

0.00010.0001Ferric Nitrate • 9H2O

0.20.2Calcium Chloride

Inorganic Salts

Ejemplo de medio de cultivo de células de mamífero:

Dulbecco Modified Eagle medium (DMEM)

0.5840.584L-Glutamine

Add

—0.11Pyruvic Acid • Na

—0.0159Phenol Red • Na

4.54.5D-Glucose

Other

0.0040.004Thiamine • HCl

0.00040.0004Riboflavin

0.0040.004Pyridoxine • HCl

——Pyridoxal • HCl

0.0040.004D-Pantothenic Acid(hemicalcium)

0.0040.004Niacinamide

0.00720.0072myo-Inositol

0.0040.004Folic Acid

0.0040.004Choline Chloride

Vitamins

Page 15: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Serum

• 0-20% Serum

– Growth factors

– Transferrin (Fe)

– Lipids

– Insulin

– Shear protection

– Detoxification

Problems

– Infectious agents (viruses, mycoplasm, prions)

– serum composition is

poorly defined and the

batches vary.

– Expensive

�Completely mammalian origin free (MOF)

�chemically defined medias

Page 16: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Growth of Animal Cells in Culture

• Primary cultures are the

original cultures

established from a tissue.

• Permanent (or immortal)

cell lines are embryonic

stem cells or tumor cells

that proliferate indefinitely

in culture.

Page 17: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

0.0

0.0

0.0

0.0

0.1

1.0

10.0

0 50 100Time (h)

Cx

(g/l

)

YeastHybridoma

Growth curves in yeasts and

mammalian cells are different

Minimumdensity Lag phase

exponential

Stationary

decline

Page 18: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Ejemplo: historia del desarrollo de la línea

HEK-293

Graham, et al., J. Gen. Virol., 36:59-72, 1977

Page 19: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Dificultades suplementarias

• El tiempo de división aumenta con la talla:

– Las células animales necesitan condiciones de asepsia muy estrictas

• Adhesión obligatoria:

– Ciertas líneas de células de mamíferos necesitan un soporte para ser

viables. Esto:

– presenta un problema de escalado

– las vuelve particularmente susceptibles a la disrupción

Ej: tapiz celular de mioblastos Cultivo sobre microcarriers

Page 20: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

MODALIDAD

•Transitoria: s/ Integración: Expresión 12-72 horas

•Permanente: c/ Integración: Expresión 1-3 semanas

Page 21: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

PARÁMETROS A CONSIDERAR

•Tipos celulares disponibles

•Expresión transitoria o permanente (estable)

•Elementos de control de expresión adecuados

Page 22: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Canine KidneyEpithelial

Common cell lines

CHO

HeLa

MDCK

BHK

Vero

WI-38

3T3

Chinese Hamster OvaryEpithelial

Mouse fibroblastFibroblast

Monkey KidneyFibroblast

Epithelial Human cervical carcinoma

Human fetal lungFibroblast

Baby Hamster KidneyFibroblast

Page 23: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 24: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 25: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 26: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 27: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

MARCADORES FENOTMARCADORES FENOTÍÍPICOSPICOS

••Crecimiento en agarCrecimiento en agar••Crecimiento con bajo sueroCrecimiento con bajo suero••Cambios morfolCambios morfolóógicosgicos••Rescate de la muerte de cultivos celulares primariosRescate de la muerte de cultivos celulares primarios

Page 28: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

MARCADORES BIOQUMARCADORES BIOQUÍÍMICOSMICOS

IndicadoresIndicadores••Anticuerpos especAnticuerpos especííficosficos••ChloramphenicolChloramphenicol acetyltransferaseacetyltransferase ((catcat))••ββ--galactosidasegalactosidase ((ββ--galgal))••LuciferaseLuciferase

SelectoresSelectores••ThymidineThymidine kinasekinase ((tktk))••XantineXantine guanineguanine phosphoribosylphosphoribosyl transferasetransferase ((xgprtxgprt))••AminoglicosideAminoglicoside phosphotransferasephosphotransferase ((aphtapht//neoneorr))••DihydrofolateDihydrofolate reductasereductase ((dhfrdhfr))••HygromycinHygromycin B B phosphotransferasephosphotransferase ((hyghygrr)

Indicadores/SelectoresIndicadores/Selectores••GreenGreen/Blue/Red /Blue/Red fluorescencefluorescence proteinsproteins ((gfpgfp//bfpbfp//rfprfp) )

Page 29: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

MARCADORES BIOQUMARCADORES BIOQUÍÍMICOSMICOS

IndicadoresIndicadores

•Anticuerpos específicosAg + AbI � Ag.AbIAg.AbI + AbII.� � Ag.Ab.AbII.� ����: enzima, grupo fluorescente, grupo radioactivo

•Chloramphenicol acetyltransferase (cat)[14C] Chloramphenicol � Ac- [14C] Chloramphenicol � (Ac)2-[

14C] Chloramphenicol

•β-galactosidase (β-gal, lac Z)lactosa � galactosa + glucosaONPG � o-nitrofenol (amarillo) + galactosaXgal � X (azul) + galactosa

•LuciferaseLuciferina + ATP � Luciferina + ADP + hν (luz)

Indicadores/SelectoresIndicadores/Selectores•Green/Blue/Red fluorescence proteins (gfp/bfp/rfp)

XFP + hν1 (luz) � XFP + hν2 (luz) νννν1 >νννν2 Selector: FACS

Page 30: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Fluorescence-activated cell sorter

Page 31: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Reporter gene systems

1. chloramphenicol acetyl transferase (CAT)

CAT is a bacterial enzyme that catalyzes the transfer of acetyl groups from acetyl-coenzyme A to the antibiotic chloramphenicol.(chloramphenicol deactivation)

For mammalian cells

it is laborous and expensive.

Extract protein and measure activity…

thin-layer chromatographic sheetChloramphenicol

is radiolabelled

Page 32: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

β-galactosidase (βgal) systems

Page 33: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

luciferase (luc) systemsfirefly species Photinus pyralis

oxidation of compounds called luciferans( ATP-dependent process)

luciferans emit fluorescense

Expressed luciferase catalyses

mouse with a strain of salmonella

Mice are injected

with LUC+ salmonellas.

Sensitive digital cameras

allow non-invasive detection.

For GT vectors pictures

look the same

luminometer measurement

Page 34: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Green fluorescent protein (GFP)autofluorescent protein from Pacific Northwest jellyfish Aequorea victoriaGFP is an extremely stable proteinof 238 amino acids with unique post-translationallycreated and covalently-attached chromophore from oxidised residues 65-67, Ser-Tyr-Gly

ultraviolet light causes GFP to autofluoresce

In a bright green color

Jellyfish do nothing with UV,

The activate GFP by aequorin

(Ca++ activated,

biolumuniscent helper)

Page 35: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Green fluorescent protein (GFP)

Page 36: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

GFP expression is harmless

for cells and animals

GFP transgenic mice from Osaka University (Masaru Okabe)

GFP construct could be used for construct tracking in living organism

GFP labelled image of a human tumor.

Vessel on the tumor surface

are visible in black

Page 37: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

MARCADORES BIOQUMARCADORES BIOQUÍÍMICOSMICOS

SelectoresSelectores

•Thymidine kinase (tk):)dT +ATP ����dTMP +ADP ½ select. céls. tk-: HAT (hipoxantina, aminopterina, timidina)dUMP ���� dTTP inhib: aminopterina

•Xantine-guanine phosphorybosil transferase (xgprt)Xantina →→→→XMP →→→→ GMP ←←←← ←←←← guanina ½ selectivo p/toda cél.: AAMX

↑↑↑↑ inhib: ac. aminofenólico (adenosina, aminopterina,precursores →→→→ →→→→ IMP inhib: aminpoterina ac. Aminofenólico, xantina)

↓↓↓↓ASMP →→→→ AMP ASMP: ac. adenilosuccínico

•Aminoglicoside phosphotransferase (apht/neor)neomicina/kanamicina/geneticina (G418) →→→→ antibiótico fosforilado (inactivo)

•Dihydrofolate reductase (dhfr)DHF→→→→THF½ selectivo en céls. dhfr-: ausencia de nucleósidos½ selectivo p/toda cél.: methotrexate (MTX)

•Hygromycin B phosphotransferase (hygr)Hygromicina B →→→→ antibiótico fosforilado (inactivo)

Page 38: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 39: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 40: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 41: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 42: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Gene amplification

Page 43: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 44: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

• Vectores virales

• Vectores no virales

TRANSFERENCIA GENTRANSFERENCIA GENÉÉTICA:TICA:METODOLOGIAMETODOLOGIA

Direccionamiento de vectores

• Via de administración

• Receptores celulares

• Promotores específicos de tejido

Page 45: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 46: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

•• Vectores ViralesVectores Virales

Virus naturales (silvestres):•Crecen en todas las células•Infectan todas las células•Son patogénicos

Virus terapeúticos (recombinantes):•Sólo crecen en células empaquetadoras•Infectan todas las células•No son patogénicos

Page 47: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 48: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 49: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 50: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 51: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Figure 1. Construction of recombinant adenoviral vectors. cDNA of interest is cloned into a shuttle vector which provides cDNAexpression cassette (adenovirusITR, E1 enhancer, adenovirus encapsidation signal, CMV promoter, and SV40 a polyadenylation signal). Homologous recombination sequences arealso cloned in this vector. Adenovirus genome (e.g., pJM17 shown in the figure) and the shuttle vector containing the cDNA are cotransfected in 293 cells.Intracellular homologous recombination between the two DNAs results in a E1- recombinant genome; the numbers 0, 20, 100 represent the approximatemap units. This recombinant genome is replication defective. However, in the presence of E1 proteins (provided in trans by 293 cells), the recombinantgenome will replicate and form adenoviral particles.

Page 52: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 53: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 54: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 55: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 56: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 57: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 58: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 59: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 60: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Cytopathic Effect

• Cytopathic Effect can

be seen in cell

monolayer

• CPE is assessed at day 2,

4 and 7

Page 61: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Plaque Forming Units

• In serial viral dilutions,

areas of lysis are

observed where cells

are destroyed

• Crystal Violet

staining

Page 62: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 63: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 64: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

VECTORES VIRALES

Retrovirus Adenovirus Herpes virus Virus Adenoasociados

Tamaño máximo del gen terapeútico

8 kb 35 kb 30 kb 4,8 kb

Células objetivo Sólo en división activa

En división activa o sin

división

En división activa o sin

división

En división o quizás sin división

Administración Ex vivo o in

situ

Ex vivo o in

situ

Ex vivo o in

situ

Ex vivo o in

situ

Expresión del gen terapeútico

Estable Transitoria Transitoria Posiblemente estable

Indice de expresión del gen terapeútico

Moderado Elevado Moderado Moderado

Riesgos Posible integración mutagénica

Reacciones inflamatorias/inmunitarias

Posible integración mutagénica

Posible integración mutagénica

Inmunidad preexistente en el hospedador

No Sí Sí Sí

Recombinación con el hospedador

Improbable Posible Posible Improbable

Recombinación con el virus parental

Imposible Posible Posible Posible

Page 65: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

•• VectoresVectores no no ViralesVirales

•Microinyección / Perforación (DNA desnudo)•Precipitación con fosfato de calcio•Liposomas aniónicos•Complejos DNA/lípido catiónico: lipoplex•Complejos DNA/polycatión: polyplex•Conjugados moleculares•Dendrímeros: PEI•Hydrogel•Nanoesferas Biopolímero-DNA •Complejos LPD•Inyección a presión•Electroporación•Cañón génico•Ultrasonido•Campo magnético

Page 66: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 67: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 68: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

TransfectionMicroinjection

Page 69: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Lipofection Electroporation

Page 70: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Liposomes

Why naked DNA?

Lets’ wrap it in something safe

to increase transfection rate

Therapeutic drugs

Lipids – is an obvious idea !

Page 71: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Liposomes are formed by the self-assembly of phospholipid

molecules in an aqueous environment.

www.emc.maricopa.edu/faculty/ farabee/BIOBK/

Anionic liposome

Page 72: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Cationic liposomes

positively charged lipid dropletscan interact with negatively charged DNA

to wrap it up and deliver to cells

Positively charged lipid heads

Lipofectin, lipofectamine, lipofectase….

Inside liposomes DNA is resistant to degradation

Page 73: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Lab procedure for liposome

preparation

Page 74: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Lípidos catiónicos: Citofectinas

Complejo DNA/lípido catiónico: Lipoplex

Page 75: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 76: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Electron photomicrographs of lipid-DNA complexes.

Zabner J et al. J. Biol. Chem. 1995;270:18997-19007

Electron photomicrographs of lipid-DNA complexes. Lipid-DNA complexes were prepared at a ratio of 5:1 (w/w). PanelA shows appearance of plasmid DNA without lipid. Panels B-Fshow examples of the various types of complexes that were observed. In panelB the open arrow shows uncomplexed plasmid and the solid arrow shows plasmid complexed with lipid. Bar indicates 100 nm. DMRIE:DOPE 1:1

Page 77: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 78: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 79: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Electron photomicrographs of COS cells transfected with gold-labeled DNA complexed with lipid (DMRIE:DOPE 1:1).

Zabner J et al. J. Biol. Chem. 1995;270:18997-19007

Electron photomicrographs of COS cells transfected with gold-labeled DNA complexed with lipid. Cells were exposed to DMRIE/DOPE•DNA complexes and then removed for electron microscopy at the following times: panel A, 5 min;panel B, 30 min; panel C, 1 h;panel D, 6 h; panel E, 24 h;panel F, 24 h. Cells transfectedwith plasmid that had not been labeled with gold are shown inpanelF. Bar indicates 100 nm.

Page 80: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Protein-mediated plasmid nuclear import. Transcription factors and other nuclear proteins normally enter the nucleus through interactions between their NLSs and importin family members. However, if plasmids containing certain sequences that act as scaffolds for transcription factors and other DNA binding proteins (termed ‘DTS’, or DNA nuclear targeting sequences) are deposited into the cytoplasm during transfection, they can form complexes with these proteins, thereby attaching NLSs to the DNA. Some, but not all, of these NLSs may be in a conformation able to interact with importins for transport of the DNA–protein complex into the nucleus through the nuclear pore complex.

Page 81: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Methods to enhance plasmid nuclear import. A number of different approaches have been developed to promote recognition of plasmids by importin family members to increase nuclear import. These include peptide-nucleic acid clamp-conjugated NLS peptides bound to DNA, sequence-specific DNA binding proteins bound to DNA, NLS peptides covalently attached to DNA and NLS peptides electrostatically bound to DNA.

Page 82: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 83: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

••Lipids / Lipids / PolycationsPolycations / DNA (LPD) Complexes/ DNA (LPD) Complexes

LPD-I: Cationic Liposome Entraped,Polycation – Condensed DNA →→→→

←←←← LPD-II: Anionic Liposome Entraped,Polycation – Condensed DNA

Page 84: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 85: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 86: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 87: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 88: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 89: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

How to make the gene expressed in the target

cell?

Four basic types of expression vectors :

1.Minimal promoters used to study gene regulatory elements such

as enhancer elements (in the lab studies).

2. Constitutive promoters used to direct expression of gene products

to produce enough target protein.

3. Cell-specific promoters used to specify expression to target cells

(tissue-specific promoters in case of GT)

4. Regulated promoters used to control the on/off expression

of cloned genes.

Page 90: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

JUST TATA box and reporter

Sites for constitutive transfactors

Sites for cell-specific transfactors

Sites for small ligand responsive transfactors

www.biochem.arizona.edu

Page 91: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Examples of often used promoters

Moderately high level gene expression in

mammalian cells

simian virus 40 early

enhancer/prom. SV40

Regulated by doxycycline (tetracycline)TET-off and TET-on systems

based on tet-resistance

operon of the E. coli Tn10

transposon

steroid-regulated gene expression in mammalian cells

mouse mammary tumor virus long terminal repeat enhancer/promoter MMTV)

Regulated

promoters

targeted expression of genes to mouse thymocytes for immunological studies

lymphocyte-specific tyrosine kinasepromoter (LCK)

targeted expression of genes to mammary

tissue in animals

whey acidic protein promoter (WAP)

Cell-specific

promoters

high level gene expression in mammalian

cells

cytomegalovirus

immediate early promoter

(CMV)

High activity

constitutive

promoters

a ubiquitous low level promoter that is used to construct

reporter genes

deleted Drosophila alcohol

dehydrogenase promoterMinimal promoter

Page 92: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Generalized Eukaryotic Cloning

Vector

• Prokaryotic origin of

replication, selectable

marker

• Eukaryotic origin,

selectable marker

• MCS with eukaryotic

promoter and

transcriptional

terminator/polyadenylatio

n signal

Page 93: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Mammalian Systems

• Sometimes insect cells simply don’t carry

out proper/necessary glycosylations

• Other processing may also not occur

• Mammalian cell systems are more

expensive by may be required for active

product

Page 94: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Mammalian Expression Vector

• “I” is an intron that enhances expression

• Other signals similar to insect and prokaryotic

vectors

Page 95: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Translation Control Elements

• K - Kozak Sequence (equiv. To rbs)

• S - for secretion signal peptide

• T – tag peptide for purification

• P – proteolytic cleavage sequence

• SC – stop codon for translation

• 3’UTR – proper sequences for efficient translation and

mRNA stability (e.g. polyadenylation sequence)

Page 96: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Two Vector Expression System

•Useful for proteins of two different polypeptides

Page 97: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Two Gene Expression Vector

Page 98: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Bicistronic Expression Vector

IRES from mammalian virus

•Gives more uniform level of expression of two genes

Page 99: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 100: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Tetracycline-responsible systemsManfred Gossen and Hermann Bujard

www.biochem.arizona.edu

control the expression of genes that have been cloned downstream of a

promoter containing tetracycline receptor (TetR) binding sites.

The "Tet-off" system is repressed

in the presence of the doxycycline

VP is derived from the herpes simplex virus VP16 protein.

TET-VP producing vector

Gene of interest

expressing vector

VP – RNA pol interacting part

TetR - tet binding part

TET-OFF system

Page 101: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

"Tet-on" system is activated in the presence of

doxycyclinethe DNA binding domain of the Tet-on regulator (rTetR) contains mutations

repressor that only binds DNA in the absence of ligandis converted to a ligand-dependent DNA binding protein.

RNA-pol

Page 102: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

VECTORESNO VIRALES

Conjugadosmoleculares

Transfecc. Liposomascatiónicos

Vector ideal

Capacidad de inserción

Irrestricto Irrestricto Irrestricto 1-1000 kb

Eficiencia detransferencia

Eficiente Eficiente Eficiente Muy eficiente

Integración No No/Rara No Sí/No

Generación virus recombinantes

No No No No

Oncogenicidad ? ? ? No

Expresión deproteínas virales

No No No No

Expresión estable Transitoria Transitoria Transitoria Sí/No

Administraciónin vivo

? Sí Sí Sí

Transmisión acéls. quiescentes

No Sí Sí Sí

Page 103: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 104: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Top Fifteen Biopharmaceuticals (1999 Sales)

Epogen Amgen Erythropoeitin αααα $1,770

Neupogen Amgen G-CSF $1,245

Infergen Schering-Plough Interferon $1,010

Humulin Eli Lilly Insulin $ 880

Avonex Biogen Interferon ββββ 1a $ 570

Engerix SmithKline Beecham Hepatitis B vaccine $ 505

KoGENate Bayer Corporation Factor VIII $ 470

Cerezyme Genzyme Tissue Repair Glucocerebrosidase $ 430

Betaseron Berlex Laboratories Interferon ββββ 1b $ 395

GenoTropin Pharmacia & Upjohn Human growth hormone $ 380

Enbrel Immunex TNF αααα receptor $ 340

ReoPro Centocor Monoclonal antibody $ 335

Gonal-F Serono Laboratories Follicle stimulating hormone $ 320

RECOMBIVAX HB Merck Heptatis B vaccine $ 275

Synagis MedImmune Monoclonal antibody $ 275

TOTAL: $9,200

Page 105: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre
Page 106: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

http://www.lonza.com/group/en/news/downloads/speeches.Par.0028.File2.tmp/part2.pdf

The resulting proteins are found to have comparable structures and activity profiles

although strictly speakingnot being necessarily identical

Just a few products could be produced by using both mammalian and microbial systems

Page 107: Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo · Transferencia de Genes a Células Animales en Cultivo Conceptos y T écnicas de Biotecnolog ía I 2012 –2do cuatrimestre

Mammalian system demands on the

grow

http://www.lonza.com/group/en/news/downloads/speeches.Par.0028.File2.tmp/part2.pdf