一种适配体介导的碱基编辑平台,用于同时敲入和多重基因敲除以生成同种异体CAR-T细胞

An aptamer-mediated base editing platform for simultaneous knockin and multiple gene knockout for allogeneic CAR-T cells generation

作者信息Immacolata Porreca, Robert Blassberg, Jennifer Harbottle, Bronwyn Joubert, Olga Mielczarek, Jesse Stombaugh, Kevin Hemphill, Jonathan Sumner, Deividas Pazeraitis, Julia Liz Touza, Margherita Francescatto, Mike Firth, Tommaso Selmi, Juan Carlos Collantes, Zaklina Strezoska, Benjamin Taylor, Shengkan Jin, Ceri M Wiggins, Anja van Brabant Smith, John J Lambourne
PMID38937969
期刊Mol Ther
发布时间2024-08-07
DOI10.1016/j.ymthe.2024.06.033

实验完整度

高

包含细胞水平的多重碱基编辑、功能验证(杀伤、细胞因子)、脱靶评估(CHANGE-seq、rhAmpSeq)、染色体易位检测(Capture-seq、ddPCR)、RNA脱氨分析(mRNA-seq)及CAR-T细胞敲入敲除联合实验,多个独立证据层级。

主要模型

人类原代CD3+ T细胞 CD19-CAR-T细胞 Raji细胞

重点核对

电穿孔参数:1600V,10ms,3脉冲 sgRNA浓度:2μM(sgRNA)或6μM(tracrRNA/crRNA) mRNA用量:Pin-point nCas9-UGI-UGI 1.6μg,rAPOBEC1-MCP 0.22μg AAV6转导:MOI 5×10^5 检测时间点:电穿孔后3天或7天

摘要

基因编辑技术有望推动下一代过继性细胞疗法的实现。传统的依赖核酸酶活性的基因编辑平台,如成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白9(CRISPR-Cas9),能够高效引入遗传修饰;然而,这些修饰是通过产生DNA双链断裂(DSB)实现的,可能导致不必要的基因组改变和遗传毒性。在此,我们应用一种新型模块化RNA适配体介导的Pin-point碱基编辑平台,在人类原代T细胞中同时引入多重基因敲除和转基因的位点特异性整合。我们证明了在所有靶位点上的高编辑效率和纯度,以及与传统CRISPR-Cas9系统相比显著降低的染色体重排频率。通过单次干预即可实现嵌合抗原受体的位点特异性敲入和多重基因敲除,且无需额外的序列靶向组分。高效、精准地执行复杂基因组编辑的能力凸显了Pin-point平台在一系列先进细胞疗法中的应用潜力。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
能否利用模块化RNA适配体介导的Pin-point碱基编辑平台,在人类原代T细胞中同时实现多重基因敲除和位点特异性转基因敲入,以生成功能性的同种异体CAR-T细胞?
核心机制
Pin-point平台利用含MS2适配体的gRNA招募脱氨酶(rAPOBEC1)至靶位点,实现C-to-T碱基编辑;同时利用不含适配体的gRNA仅招募nCas9在TRAC位点产生切口,通过HDR实现CAR的位特异性敲入,从而在单次干预中完成多重敲除和敲入。
主要证据
在人类原代T细胞中,Pin-point平台实现B2M、CD52、TRAC、PDCD1四个位点的高效C-to-T编辑(约76%-90%)和蛋白敲除;结合AAV6供体,在TRAC位点实现CD19-CAR敲入(约20%),并对Raji细胞展现杀伤能力和细胞因子分泌。
研究意义
Pin-point平台能够在单次干预中同时进行多重碱基编辑和位点特异性转基因敲入,且避免DSB相关基因组不稳定性,为开发复杂的工程化细胞和基因治疗产品提供了新工具。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

gRNA筛选与优化

筛选靶向B2M、TRAC、PDCD1和CD52的高效gRNA,确定最优碱基编辑配置。

评估了MS2适配体拷贝数和位置对编辑效率的影响,筛选了多个crRNA,选择每个基因中C-to-T转换和蛋白敲除效率最高的gRNA,并合成为单部分sgRNA。

2

多重基因敲除

验证Pin-point平台能否在人类原代T细胞中同时高效敲除多个基因。

将Pin-point mRNAs(nCas9-UGI-UGI和rAPOBEC1-MCP)与四个靶向sgRNA共电穿孔至T细胞,通过NGS检测碱基编辑效率,通过流式细胞术检测蛋白表达。

3

脱靶编辑评估

评估Pin-point平台的脱靶编辑情况,与传统SpCas9比较。

使用CHANGE-seq鉴定候选脱靶位点,然后用rhAmpSeq在编辑的T细胞中验证脱靶编辑。

4

染色体易位检测

比较Pin-point平台与SpCas9在多重编辑时导致染色体易位的风险。

使用Capture-seq和ddPCR检测编辑后T细胞中四个靶位点之间的染色体易位。

5

RNA脱氨分析

评估Pin-point平台是否引起转录组范围的RNA脱氨。

对编辑后T细胞进行mRNA-seq,分析C-to-U编辑事件。

6

CAR-T细胞功能验证

验证经Pin-point平台编辑的CAR-T细胞是否保留杀伤功能和细胞因子分泌能力。

用慢病毒导入CD19-CAR后,用Pin-point平台编辑四个基因,检测CAR-T细胞的杀伤能力和细胞因子分泌。

7

同时敲入和敲除

验证Pin-point平台能否在单次干预中同时实现CAR的位点特异性敲入和基因敲除。

将含适配体的gRNA(针对B2M、CD52、PDCD1)和不含适配体的gRNA(针对TRAC)与Pin-point mRNAs共电穿孔,然后用AAV6递送CAR供体,检测敲入效率和基因敲除效率。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证基因编辑效率
验证蛋白表达变化
评估脱靶效应
评估基因组稳定性

产品清单

实验环节名称品牌货号
Pin-point nCas9-UGI-UGI mRNARevvity--
Pin-point rAPOBEC1-MCP mRNARevvity--
SpCas9 mRNATrilink Biotechnologies--
Neon转染系统Invitrogen--
ImmunoCult-XF T细胞扩增培养基STEMCELL Technologies--
Dynabeads人T细胞活化磁珠CD3/CD28Gibco--
白细胞介素-2Miltenyi Biotech--
白细胞介素-7Peprotech--
白细胞介素-15Peprotech--
Lymphoprep密度梯度分离液STEMCELL Technologies--
SepMate-50分离管STEMCELL Technologies--
EasySep人T细胞分离试剂盒STEMCELL Technologies--
Lipofectamine 3000转染试剂Invitrogen--
ViraSafe慢病毒包装系统Cell Biolabs--
RetroNectinTakara--
嘌呤霉素Gibco--
腺相关病毒6型Vigene Bio--
抗人B2M抗体BioLegend316304
抗CD52抗体BD BioSciences562945
抗TCR a/b抗体BioLegend306742
抗PD1抗体BioLegend329908
抗CD19-CAR抗体AcroBiosystems--
DAPI----
IntelliCyte IQue PLUS流式细胞仪Sartorius--
iQue3流式细胞仪Sartorius--
CountBright绝对计数微球Invitrogen--
DirectPCR(细胞)裂解缓冲液Viagen Biotech--
蛋白酶KSigma-Aldrich--
AMPure XP磁珠Beckman Coulter--
MiSeq测序仪Illumina--
Gentra Puregene细胞试剂盒QIAGEN--
Fragment Analyzer毛细管电泳仪Agilent--
Hyperactive Tn5转座酶Diagenode--
KAPA HiFi HotStart Uracil+ DNA聚合酶KAPA Biosystems--
Taq DNA连接酶NEB--
USER酶NEB--
T4多核苷酸激酶NEB--
T4 DNA连接酶NEB--
Plasmid-Safe ATP依赖性DNaseLucigen--
Lambda外切酶NEB--
外切酶INEB--
NEBNext多重寡核苷酸(Illumina)NEB--
NextSeq550测序仪Illumina--
rhAmpSeq文库制备试剂盒IDT--
Qubit双链DNA高灵敏度检测试剂盒Thermo Fisher Scientific--
Tapestation 4200Agilent--
DNeasy血液和组织试剂盒QIAGEN--
KAPA HyperPlus试剂盒Roche--
xGen定制杂交捕获探针IDT--
链霉亲和素偶联磁珠IDT--
KAPA HiFi Hotstart即用型混合液Roche--
xGen文库扩增引物混合液IDT--
BioanalyserAgilent--
QX200微滴式数字PCR系统Bio-Rad--
ddPCR探针用Supermix(不含dUTP)Bio-Rad--
MultiCyt QBeads PlexScreen分泌蛋白检测试剂盒Sartorius--
Raji细胞InvivoGenraji-null
CellTrace Violet染料Invitrogen--
LIVE/DEAD固定化Near-IR死细胞染色试剂盒Invitrogen--
Calcein AM染料Invitrogen--
Triton X-100Merck-Sigma--
Envision酶标仪Revvity--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
多重基因敲除实验
sgRNA浓度:2μM;mRNA剂量:nCas9-UGI-UGI 1.6μg,rAPOBEC1-MCP 0.22μg;电穿孔参数:1600V, 10ms, 3脉冲
阅读提示:Materials and methods - T cell electroporation
脱靶评估
候选脱靶位点数量(每个gRNA 223-481个);验证阈值(>0.5%编辑,且两个供体均检出)
阅读提示:Materials and methods - CHANGE-seq, rhAmpSeq
染色体易位检测
Capture-seq平均深度4000×;ddPCR分析时间点(电穿孔后3天和7天)
阅读提示:Materials and methods - Capture-seq, ddPCR
CAR-T细胞生成
慢病毒转导MOI=5,嘌呤霉素筛选浓度3μg/mL;AAV6转导MOI=5×10^5
阅读提示:Materials and methods - Lentiviral transduction, AAV transduction
细胞毒性实验
效应细胞与靶细胞比例(1:1, 3:1, 5:1);共培养时间(流式法3天,calcein法6小时)
阅读提示:Materials and methods - Cytotoxicity assay