Charakterystyka nanostrukturalna materiału genetycznego do zastosowania w terapii genowej

• Autorzy: Duda M. , Frączkowska K. , Przybyło M. , Kopaczyńska M.

Warianty tytułu

EN

Nanostructural characteristics of genetic material for gene therapy application

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Terapia genowa jest obecnie bardzo dynamicznie rozwijającą się techniką biomedyczną, która może znaleźć zastosowanie w medycynie w leczeniu chorób przewlekłych i dziedzicznych. Badania skupiają się na opracowywaniu nowych strategii dotyczących procesów kondensacji i ochrony materiału genetycznego (DNA) wprowadzanego do komórki docelowej. Struktura i stopień upakowania dostarczanego DNA wpływają na kluczowe właściwości fizykochemiczne, determinujące czy wprowadzony wektor rekombinowany ulegnie ekspresji, czy też degradacji. Związki chemiczne, zwane czynnikami kondensującymi, to substancje powodujące zwinięcie DNA, a stopień kondensacji materiału genetycznego zależy bezpośrednio od rodzaju i stężenia użytego czynnika kondensującego. Do cząsteczek wykazujących właściwości kondensujące należą poliaminy, w opisywanym eksperymencie zastosowano poliaminę – spermidynę. Przeprowadzone badania miały na celu charakterystykę nanostrukturalną materiału genetycznego pod wpływem działania czynnika kondensującego. W wyniku analizy wykonanej za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) wykazano, że plazmid DNA ulega kondensacji pod wpływem spermidyny, formując struktury rozetowe.

EN

Gene therapy is a new promising method that may find many applications in modern biomedicine. Especially, it may be a powerful tool in chronic and hereditary diseases treatment. Current studies focus on development of novel strategies concerning genetic material (DNA) condensation and protection, whilst it is introduced into the cellular nucleus. Once the DNA enters the cell, it’s either passed on and expressed in the nucleus or degraded by intracellular nucleases. The structure and the degree of compaction influence physicochemical properties that determine what will happen to delivered genetic material. DNA coiling can be caused by chemical compounds called compaction agents, such as polyamines like spermidine used in this study. The aim of this research was to examine the nanostructural characteristics of genetic material exposed to compaction agent. The measurements and analysis performed by atomic force microscopy (AFM) indicate that DNA plasmid undergoes condensation and forms rosette-like structures once subjected to spermidine.

Słowa kluczowe

PL

kondensacja DNA; spermidyna; terapia genowa; mikroskopia sił atomowych

EN

DNA condensation; spermidine; gene therapy; atomic force microscopy (AFM)

• Wydawca: Jacek Doskocz
• Czasopismo: Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 21, nr 1
• Strony: 1--8
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz.

Twórcy

autor

Duda M.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27

autor

Frączkowska K.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27

autor

Przybyło M.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27

autor

Kopaczyńska M.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27

Bibliografia

• [1] M. O’Donnell, L. Langston, B. Stillman: Principles and concepts of DNA replication in bacteria, archaea, and eukarya, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 5, 2013, s. 1–14.
• [2] T. Hirano: Condensins and the evolution of torsion-mediated genome organization, Trends Cell. Biology, vol. 24, 2014, s. 727–733.
• [3] J.D. Watson, F.H.C. Crick: Molecular Structure of Nucleic Acids – a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, Nature, vol. 171, 1953, s. 737–738.
• [4] R.W. Wilson, V.A. Bloomfield: Counterion-Induced Condensation of Deoxyribonucleic Acid. A Light-Scattering Study, Biochemistry, vol. 18, 1979, s. 2192–2196.
• [5] A. Lee, A. Karcz, R. Akman, T. Zheng, S. Kwon, S.T. Chou, S. Sucayan, L.J. Tricoli, J.M. Hustedt, Q. Leng, J.D. Kahn, A.J. Mixson, J. Seog: Direct observation of dynamic mechanical regulation of DNA condensation by environmental stimuli, Angewandte Chemie International Edition in English, vol. 53, 2014, s. 10631–10635.
• [6] K.R.P. Drew, L.K. Sanders, Z.W. Culumber, O. Zribi, G.C.L. Wong: Cationic amphiphiles increase activity of aminoglycoside antibiotic tobramycin in the presence of airway polyelectrolytes, Journal of the American Chemical Society, vol. 131, 2009, s. 486–493.
• [7] C. Ma, V.A. Bloomfield: Condensation of supercoiled DNA induced by MnCl2, Biophysical Journal, vol. 67, 1994, s. 1678–1681.
• [8] M.A. Kotterman, D.V. Schaffer: Engineering adeno-associated viruses for clinical gene therapy, Nature Reviews Genetics, vol. 15, 2014, s. 445–451.
• [9] T. Zhou, A. Llizo, C. Wang, G. Xu, Y. Yang: Nanostructure-induced DNA condensation, Nanoscale, vol. 5, 2013, s. 8288–8306.
• [10] D. Luo, W.M. Saltzman: Synthetic DNA delivery systems, Nature Biotechnology, vol. 18, 2000, s. 33–37.
• [11] C.S. Hackett, A.M. Geurts, P.B. Hackett: Predicting preferential DNA vector insertion sites: implications for functional genomics and gene therapy, Genome Biology, vol. 8, 2007, s. 12.1–12.17.
• [12] H. Hosseinkhani, Y.R. Chen, W.J. He, P.D. Hong, D.S. Yu, A.J. Domb: Biodegradable nanoparticles for genetherapy technology, Journal of Nanoparticle Research, vol. 15, 2013, s. 1794–1809.
• [13] M.A. Kay, J.C. Glorioso, L. Naldini: Viral vectors for gene therapy: the art of turning infectious agents into vehicles of therapeutics, Nature Medicine, vol. 7, 2001, s. 33–40.
• [14] F. Abedini, H. Hosseinkhani, M. Ismail, Y.R. Chen, A.R. Omar, P.P. Chong, A.J. Domb: In vitro intracellular trafficking of biodegradable nanoparticles dextran-spermine in cancer cell lines, International Journal of Nanotechnology, vol. 8, 2011, s. 712–723.
• [15] W. He, H. Hosseinkhani, R. Mohammadinejad, Z. Roveimiab, D.Y. Hueng, K.L. Ou, A.J. Domb: Polymeric nanoparticles for therapy and imaging, Polymers for Advanced Technologies, vol. 25, 2014, s. 1216–1225.
• [16] A. Gonzalez-Perez, R.S. Dias: Different strategies for controlling DNA conformation: compaction and decompaction, Frontiers in Bioscience, vol. E1, s. 228–241.
• [17] A. Ahmad, H.M. Evans, K. Ewert, C.X. George, C.E. Samuel, C.R. Safinya: New multivalent cationic lipids reveal bell curve for transfection efficiency versus membrane charge density: lipid-DNA complexes for gene delivery, The Journal of Gene Medicine, vol. 7, 2005, s. 739–748.
• [18] T. Kimura, T. Yamaoka, R. Iwase, A. Murakami: Effect of physiochemical properties of polyplexes composed of chemically modified PL derivatives on transfection efficiency in vitro, Macromolecular Bioscience, vol. 2, 2002, s. 437–446.
• [19] A. Esteves-Torres, D. Baigl: DNA compaction: fundamentals and applications, Soft Matter, vol. 7, 2011, s. 6746–6756.
• [20] V.A. Bloomfield: DNA condensation by multivalent cations, Biopolymers, vol. 44, 1997, s. 269–282.
• [21] I. Nayvelt, M.T. Hyvönen, L. Alhonen, I. Pandya, T. Thomas, A.R. Khomutov, J. Vepsäläinen, R. Patel, T.A. Keinänen, T.J. Thomas: DNA condensation by chiral α-methylated polyamine analogues and protection of cellular DNA from oxidative damage, Biomacromolecules, vol. 11, 2010, s. 97–105.
• [22] R. Balhorn: The protamine family of sperm nuclear proteins, Genome Biology, vol. 8, 2007, s. 227.1–227.8.
• [23] C. Li, H. Tian, S. Duan, X. Liu, P. Xu, R. Qiao, Y. Zhao: Controllable DNA condensation-release induced by simple azaheterocyclic-based metal complexes, The Journal of Physical Chemistry B, vol. 115, 2011, s. 13350–13354.
• [24] P. Saccardo, A. Villaverde, N. González-Montalbán: Peptide-mediated DNA condensation for non-viral gene therapy, Biotechnology Advances, vol. 27, 2009, s. 432–438.
• [25] N.M. Rao: Cationic lipid-mediated nucleic acid delivery: beyond being cationic, Chemistry and Physics of Lipids, vol. 163, 2010, s. 245–252.
• [26] H. Hosseinkhani, F. Abedini, K.L. Ou, A.J. Domb: Polymers in gene therapy technology, Polymers for Advanced Technologies, vol. 26, 2015, s. 198–211.
• [27] J.E. Waterhouse, R.P. Harbottle, M. Keller, K. Kostarelos, C. Coutelle, M.R. Jorgensen, A.D. Miller: Synthesis and application of integrin targeting lipopeptides in targeted gene delivery, ChemBioChem, vol. 6, 2005, s. 1212–1223.
• [28] G. Ronsin, C. Perrin, P. Guedat, A. Kremer, P. Camilleri, A.J. Kirby: Novel spermine-based cationic gemini surfactants for gene delivery, Chemical Communications, vol. 21, 2001, s. 2234–2235.
• [29] V. Vijayanathan, T. Thomas, T.J. Thomas: DNA Nanoparticles and Development of DNA Delivery Vehicles for Gene Therapy, Biochemistry, vol. 41, 2002, s. 14085–14094.
• [30] Y.S. Choi, M.Y. Lee, A.E. David, Y.S. Park: Nanoparticles for gene delivery: therapeutic and toxic effects, Molecular and Cellular Toxicology, vol. 10, 2014, s. 1–8.
• [31] S. Rudiuk, K. Yoshikawa, D. Baigl: Enhancement of DNA compaction by negatively charged nanoparticles: Effect of nanoparticle size and surfactant chain length, Journal of Colloid and Interface Science, vol. 368, 2012, s. 372–377.
• [32] A. Zinchenko, K. Tsumoto, S. Murata, K. Yoshikawa: Crowding by Anionic Nanoparticles Causes DNA Double-Strand Instability and Compaction, The Journal of Physical Chemistry B, vol. 118, 2014, 1256–1262.
• [33] H. Hosseinkhani, T. Azzam, Y. Tabata, A.J. Domb: Dextran–sperminepolycation: an efficient nonviral vector for in vitro and in vivo gene transfection, Gene Therapy, vol. 11, 2004, s. 194–203.
• [34] T. Azzam, A. Raskin, A. Makovitzki, H. Brem, P. Vierling, M. Lineal, A.J. Domb: Cationic polysaccharides for gene delivery, Macromolecules, vol. 35, 2002, s. 9947–9953.
• [35] M. Atiya Ali, B. Strandvik, K.G. Sabel, C. Palme Kilander, R. Strömberg, A. Yngve: Polyamine levels in breast milk are associated with mothers' dietary intake and are higher in preterm than full-term human milk and formulas, Journal of Human Nutrition and Dietetics, vol. 27, 2014, s. 459–467.
• [36] A.U. Khan, Y.H. Mei, T. Wilson: A proposed function for spermine and spermidine: protection of replicating DNA against damage by singlet oxygen, Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., vol. 89, 1992, s. 11426–11427.
• [37] S. Hou, X. Li, X.Z. Feng: Method to improve DNA condensation efficiency by alkali treatment, Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids, vol. 28, 2009, s. 725–735.