Besserer Gentransfer durch modifizierte Hüllproteine

Natalie Tschorn promoviert im Labor von Prof. Dr. Jörn Stitz an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften. (Bild: Michael Bause/TH Köln)

Virale Vektoren sind modifizierte und vermehrungsunfähige Viren. Vektorpartikel unterscheiden sich von Viruspartikeln insbesondere durch das Fehlen des Viruserbguts (DNS oder RNS), welches gezielt durch genetische Information – beispielsweise therapeutische Gene, die einen Gendefekt beheben – ersetzt und in betroffene Zellen von Patient*innen eingeschleust wird. Virale Vektoren werden daher auch als Genfähren bezeichnet. Sie werden in der Gentherapie zum Beispiel gegen Erbkrankheiten oder eine Vielzahl von Krebsarten eingesetzt.

„Manche virale Vektoren besitzen eine äußere Struktur – die Hülle, eine Membran – die auch virale Proteine enthält. Diese so genannten Hüllproteine binden beim Gentransfer an die Rezeptoren der Zielzelle und vermitteln dann, dass die genetische Information der Vektorpartikel in die Zelle überführt wird“, erklärt Natalie Tschorn. Hüllproteine seien demnach ein wesentlicher Faktor für die Effektivität des Transfers. Ziel der Doktorandin war es daher, Hüllproteine so zu modifizieren und damit virale Vektoren zu dekorieren, um „das Einschleusen“ zu verbessern.

Genetische Sequenz der Hüllproteine verändert

Eine Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme aus der Publikation von Natalie Tschorn zeigt Synzytien-bildenden Zellen, die das Grüne Fluoreszenzprotein (GFP) bilden. Synzytien (Verschmelzung mehrerer Zellen) entstehen bei Kontakt von Hüllprotein-exprimierenden Zellen mit Rezeptor-positiven Zellen. Das Journal Virology wählte dieses Foto als Titelbild für die Dezemberausgabe. (Bild: Elsevier)

Grundlage der Arbeit waren von HIV-1 abgeleitete virale Vektoren. „Diese Partikel besitzen die Eigenschaften des HI-Virus, in nicht-teilungsaktive Zellen eindringen zu können und sind daher für den Gentransfer in zum Beispiel Stammzellen besonders geeignet. Sie weisen aber keine HIV-Genome auf, sondern nur genetische Information, die wir bestimmen“, so Tschorn. Im Fall ihrer Arbeit wurden so genannte Reportergene verwendet. Diese beinhalten ein Gen für das Grüne Fluoreszenzprotein (GFP), das in der medizinischen und biologischen Forschung als zellulärer Marker dient und fluoreszenzmikroskopisch leicht nachzuweisen ist.

Um die Effizienz des Gentransfers zu verbessern, hat Tschorn mit Hilfe der so genannten Polymerase Kettenreaktion (PCR) die genetische Sequenz der Hüllproteine der von MLV abgeleiteten viralen Vektoren verändert: „Ich habe die Vektorpartikel mit vom Retrovirus murines-Leukämie-Virus, kurz MLV, abgeleiteten Hüllproteinen versehen und anschließend bestimmte Aminosäuren abgeschnitten“, so Tschorn. So seien insgesamt vier verschiedene Hüllproteinvarianten entstanden.

Modifizierte Vektorpartikel sind dreimal so effektiv

Die Varianten wurden anschließend experimentell auf ihre Fähigkeit, den Gentransfer zu verbessern, überprüft. „Dabei lässt man zunächst eine Zelllinie in einem Medium virale Vektoren produzieren. Dann wird das Medium entnommen und auf Zielzellen gegeben, die sozusagen ,infiziert‘ werden. Dieser Vorgang wird insgesamt dreimal in drei unabhängigen Experimenten wiederholt“, so die Doktorandin. Anschließend wurde überprüft, wie viele Reportergene in die Zielzellen gelangt sind.

„Einer der optimierten viralen Vektoren vermittelt einen dreimal so effizienten Gentransfer als der Vektor, der mit dem Wildtyp-Hüllprotein ausgestattet wurde, also dem genetisch unveränderten Hüllprotein. Der Gentransfer kann also durch modifizierte Hüllproteine entscheidend optimiert werden“, sagt Tschorn. Diese erzielte Verbesserung könnte zum Beispiel in der Entwicklung von Stammzelltherapien genutzt werden, wie Prof. Dr. Jörn Stitz erläutert: „Die von Frau Tschorn verbesserten Vektoren sind besonders für den Gentransfer in bestimmte Blutzelltypen einschließlich Stammzellen geeignet. Sie liefern daher eine gute Grundlage für weitere Forschungsarbeiten in diesem Feld.“

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Natalie Tschorn, Christian Söhngen, Karen Berg, Jörn Stitz: Ecotropic HIV-1 vectors pseudotyped with R-peptide-deleted envelope protein variants reveal improved gene transfer efficiencies, Virology, Volume 577.
https://doi.org/10.1016/j.virol.2022.09.008