T4噬菌体衣壳作为基因递送载体用于实现hepcidin脑内靶向表达

Gene delivery is an important technology that widely used in science and medicine. The current gene delivery techniques are insufficient in safety and/or efficiency thus can not meet the requirement of modern biological and medical research. The capsid of bacteriophage T4 is an ideal material for gene delivery, as it can package exogenous DNA molecules inside under in vitro conditions and protect them from nuclease degradation. Moreover, various foreign proteins can be displayed on the surface of T4 capsid, endowing it with targeting property or ability to penetrate cell membranes efficiently. In this project we will utilize these characteristics of T4 capsid and develop it to a novel nano-scale gene delivery platform. This will provide a new technology for targeted gene delivery in vivo with high safety and efficiency. By using this platform we will deliver the gene of hepcidin, which is closely related to iron metabolism regulation, to astrocytes of murine brain for specific expression, and perform in-depth study on the mechanism of iron transport regulation by hepcidin at the blood-brain-barrier. Also, we will use the APP transgene mice to test the protective role of elevated hepcidin expression in astrocytes against AD, which will serve as a study basis for prevention, treatment and drug development of iron overload-related neurodegenerative diseases.

基因递送技术是科研和医疗领域中一项广泛应用的重要技术手段。现有的基因递送技术在安全性和递送效率上存在不足，难以满足现代生物学和医学研究的需求。T4噬菌体衣壳是理想的基因递送载体材料，可在体外条件下将外源DNA包装入内，保护DNA不被核酸酶降解；同时T4衣壳表面可展示不同的外源蛋白，使衣壳颗粒具有靶向性或高效穿过细胞膜的能力。本项目利用上述特性，将把T4衣壳颗粒开发成为新型的纳米级基因递送载体，为向动物体内安全高效的靶向递送基因提供全新的技术手段。在此基础上，我们还将利用这一载体递送与铁离子代谢调控密切相关的铁调素 (hepcidin) 基因，实现其在小鼠脑内星形胶质细胞中的特异性表达，深入研究hepcidin调控血脑屏障铁转运的机理；并利用APP转基因小鼠检验脑星形胶质细胞中hepcidin表达量的提高对AD的保护作用，为脑铁过载相关的神经退行性疾病的预防、治疗和新药开发提供研究基础。

T4噬菌体作为当前研究最透彻的模式生物之一，在病毒学、分子遗传学和生物技术研究中被广泛应用。美国Dr.Rao团队的最新研究成果显示，T4噬菌体衣壳是理想的基因递送载体材料。它可在体外条件下将外源DNA包装入内，保护DNA不被核酸酶降解，提高基因在细胞内的表达效率。本项目中，我们利用这一新型的T4噬菌体基因递送系统，首次向小鼠脑内递送基因。通过条件优化，我们成功实现了报告基因GFP在小鼠脑星形胶质细胞的特异高效表达，其表达强度和表达范围均优于注射等量质粒DNA的对照组。在此基础上，我们成功实现了与铁离子代谢调控密切相关的铁调素 (hepcidin) 基因在小鼠脑星形胶质细胞的特异性表达，并研究了hepcidin高表达对脑铁代谢的调控作用。我们发现，星形胶质细胞特异性过表达hepcidin基因能够通过诱导脑微血管内皮细胞膜上的ferropotin1内化降解，进而调控铁跨越血脑屏障进入脑内的量，导致脑铁水平的降低。这一研究直接证实了星形胶质细胞中分泌的hepcidin在调控脑铁吸收方面发挥的重要作用。我们进一步对阿尔兹海默症小鼠模型实现星形胶质细胞过表达hepcidin。结果显示，星形胶质细胞高表达hepcidin对Aβ注射造成的细胞凋亡、脂质过氧化、突触损伤等现象均有明显的预防改善作用，这可能与hepcidin调控脑铁摄入及脑内铁稳态相关。本课题的研究将有望为脑内基因递送提供新方法手段，为依据hepcidin作为潜在靶点的脑铁积聚相关的神经退行性疾病的预防和治疗提供新的思路。

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