Rice University bioingenjörer har utvecklat programmerbara adeno-associerade virus genom att modifiera ett av tre proteiner som samlas i ett tufft skal som kallas en kapsid. I denna illustration, blå subenheter i kapsiden representerar proteinet VP3 och gröna subenheter representerar en stympad mutant av VP2. Uppifrån och ner:en VP3-enda kapsid som inte visar några peptider; en mosaik -kapsid med en majoritet av VP3 och en liten mängd av VP2 -mutanten som visar en låg nivå av aktiverbar peptidvisning; en mosaik -kapsid med lika stora mängder VP3- och VP2 -mutant som visar en hög nivå av aktiverbar peptidvisning; och en homomer VP2 -mutant kapsid med en hög konstant nivå, borstliknande peptiddisplay. Upphovsman:Nicole Thadani/Rice University
Genom att flisa bort ett viralt protein, Forskare från Rice University har upptäckt en väg mot virusliknande, nanoskala -enheter som kan leverera läkemedel till celler.
Proteinet är ett av tre som utgör det skyddande skalet, kallade kapsiden, av naturliga adenoassocierade virus (AAV). Genom att göra successivt mindre versioner av proteinet, forskarna gjorde kapsider med unika förmågor och lärde sig mycket om AAV:s mekanismer.
Forskningen visas i American Chemical Society journal ACS Nano .
Risbioingenjör Junghae Suh studerar manipulationen av icke-sjukdomsframkallande AAV:er för att leverera hjälpsamma laster som kemoterapidroger. Hennes forskning har lett till utvecklingen av virus som kan utlösas av ljus eller av extracellulära proteaser associerade med vissa sjukdomar.
AAV är små - cirka 25 nanometer - och innehåller en enda DNA -sträng inuti hårda kapsider som består av en mosaik av proteiner som kallas VP1, VP2 och VP3. AAV har använts för att leverera nyttolaster för genterapi, men ingen har kommit på hur AAV -kapsider fysiskt omkonfigurerar sig själva när de utlöses av yttre stimuli, Sa Suh. Det var utgångspunkten för hennes labb.
"Detta virus har inneboende peptid (småprotein) domäner gömda inuti kapsiden, "sa hon." När viruset infekterar en cell, det känner av det låga pH -värdet och andra endosomala faktorer, och dessa peptiddomäner dyker upp på ytan av viruskapsiden.
"Denna konformationsförändring, som vi kallade en 'aktiverbar peptidvisning, 'är viktigt för viruset eftersom de externiserade domänerna bryter ner det endosomala membranet och låter viruset fly ut i cytoplasman, "Suh sa." Dessutom, kärnlokaliseringssekvenser i dessa domäner gör att viruset kan passera in i kärnan. Vi trodde att vi kunde ersätta den funktionaliteten med något annat. "
Nicole Thadani, vänster, och Junghae Suh från Rice University har utvecklat programmerbara adeno-associerade virus som kan användas för att leverera peptidläkemedel. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Suh och huvudförfattare och Rice -doktorand Nicole Thadani tror att deras mutanta AAV:er kan bli "biodatorer nanopartiklar" som upptäcker och bearbetar miljöinsatser och producerar kontrollerbara utdata. Att modifiera kapsiden är det första steget.
Av de tre naturliga kapsidproteinerna endast VP1 och VP2 kan triggas för att avslöja sina funktionella peptider, men ingen kan göra en kapsid på egen hand. Kortare VP3 kan bilda kapsider själva, men visar inte peptider. I naturliga AAV, VP3-proteiner överstiger var och en av deras kompanjoner 10-till-1.
Det begränsar antalet peptider som kan exponeras, så Suh, Thadani och deras medförfattare bestämde sig för att ändra förhållandet. Det fick dem att stympa VP2 och syntetisera mosaikkapslar med VP3, vilket resulterar i framgångsrik förändring av antalet exponerade peptider. Baserat på tidigare forskning, de infogade en gemensam hexahistidin -tagg som gjorde det enkelt att övervaka ytvisningen av peptidregionen.
"Vi ville öka proteinets aktiverbara egenskap utöver vad som händer i den inhemska viruskapseln, "Sa Thadani." I stället för att bara visa fem kopior av peptiden per kapsid, nu kanske vi kan visa 20 eller 30 och få mer av den bioaktivitet vi vill ha. "
De gjorde sedan en stympad VP2 som kunde bilda en kapsid på egen hand. "Resultaten var ganska överraskande, och inte uppenbart för oss, "Suh sa." Vi hackade ner den VP2 -komponenten tillräckligt för att bilda det vi kallar en homomerisk kapsid, där hela kapsiden består av just den mutanta subenheten. Det gav oss virus som verkar ha peptidborstar som alltid finns på ytan.
"En sådan viral struktur har aldrig setts i naturen, "sa hon." Vi fick en partikel med denna peptidborste, med lösa ändar överallt. Nu vill vi veta om vi kan använda dessa lösa ändar för att fästa andra saker eller utföra andra funktioner. "
Homomera AAV visar upp till 60 peptider, medan mosaik AAV kan programmeras att reagera på stimuli specifika för specifika celler eller vävnader och visa ett mindre önskat antal peptider, sa forskarna.
"Virus har utvecklats för att invadera celler mycket effektivt, "Suh sa." Vi vill använda vårt virus som en nanopartikelplattform för att leverera protein- eller peptidbaserade läkemedel mer effektivt till celler. Vi vill utnyttja det som naturen redan har skapat, tweak det lite och använd det för våra ändamål. "
