Οι επισωματικοί φορείς αποτελούν την εναλλακτική επιλογή για την μεταφορά γονιδίων σε εφαρμογές γονιδιακής θεραπείας. Διπλασιάζονται αυτόνομα χωρίς να ενσωματώνονται στα χρωμοσώματα του κυττάρου και έτσι στερούνται της σοβαρής παρενέργειας του φαινομένου της μεταλλαξιγένεσης μέσω ενσωμάτωσης. Το ενδιαφέρον ως προς την ανάπτυξη επισωματικών φορέων για την γονιδιακή μεταφορά αυξήθηκε κατακόρυφα τα τελευταία χρόνια μετά την ανάπτυξη του φορέα pEPI-1, ο οποίος περιείχε το στοιχείο S/MAR του γονιδίου της ανθρώπινης βήτα- ιντερφερόνης. Ο φορέας αυτός είχε την ιδιότητα να διατηρείται επισωματικά χωρίς την ανάγκη μεταγραφής κάποιου ιϊκού γονιδίου. Τα στοιχεία S/MAR αποτελούν ετερογενείς περιοχές DNA οι οποίες συνδέονται στην θεμέλια ουσία του πυρήνα, συμμετέχοντας στην οργάνωση του ευκαρυωτικού γονιδιώματος, στην αντιγραφή του DNA και στην ρύθμιση της μεταγραφής. Αποφασίσαμε στην μελετήσουμε την δράση του S/MAR στοιχείου σε ένα διαφορετικό περιβάλλον DNA. Ξεκινώντας από τον φορέα pCEP4 που βασίζεται στα στοιχεία OriP και EBNA-1 του ιού η EBV κατασκευάσαμε τα εξής πλασμίδια: 1) pEBS/eGFP με το S/MAR να είναι κλωνοποιημένο μετά το γονίδιο της eGFP όπως στο pEPI-1. 2) pESdER / eGFP προερχόμενο από το pEBS/eGFP με διαγραφή του γονιδίου EBNA-1 και.3) pCEP4 / eGFP (πλασμίδιο μάρτυρας). Σε αντίθεση με τις προσδοκίες μας μόνο το πλασμιδίου pCEP4 / eGFP ήταν ικανό να εγκαταστήσει σταθερές κυτταρικές σειρές Jurkat. Ο υπολογισμός της αποσταθεροποίησης υπό τάση των παραπάνω πλασμιδίων απέδειξε μια υψηλή ουδό για την αποσταθεροποίηση της περιοχής του OriP, σε αντίθεση με το μητρικό φορέα pCEP4, γεγονός που οφείλεται στον ενεργειακό ανταγωνισμό μεταξύ του OriP και της υψηλά αποσταθεροποιημένης περιοχής του S/MAR. Η αντικατάσταση του OriP στο πλασμίδιο pESdER / eGFP από την περιοχή έναρξης της αντιγραφής το γονίδιο της β-σφαιρίνης (IR) (pESdER-IR/eGFP) έχει ως αποτέλεσμα την αποκατάσταση της επισωματική της κατάστασης, προσδίδοντας επιπλέον και υψηλή μιτωτική σταθερότητα χωρίς την ανάγκη ύπαρξης πίεσης επιλογής σε καλλιέργειες για χρονικό διάστημα τριών μηνών. Συμπεράνουμε ότι το δυναμικό πολλαπλασιασμού ενός επισωματικού συστήματος που περιέχει ένα στοιχείο S/MAR εξαρτάται από την ύπαρξη μιας δεύτερης υψηλά αποσταθεροποιημένης έννοιες περιοχής ικανής να ξεπεράσει την σταθεροποιητική δράση της αλληλουχίας S/MAR. Το γεγονός αυτό προσδίδει μια νέα διάσταση στη σχεδίαση αυτόνομων επισωματικών φορέων, που περιέχει τον υπολογισμό της αποσταθεροποίησης της διπλής έλικας DNA υπό τάση. Η ευρεία χρήση των ρετρο-ιϊκών φορέων ως συστήματα γονιδιακής μεταφοράς σε κλινικές δοκιμές γονιδιακής θεραπείας έφερε στην επιφάνεια την ανάγκη για μια ακριβή εκτίμηση της ασφάλειας των δοκιμών αυτών όσον αφορά το φαινόμενο της μεταλλαξιγένεσης μέσω ενσωμάτωσης. Στην εργασία αυτή αναφέρεται μια νέα μέθοδος για την ανίχνευση των θέσεων ενσωμάτωσης των ρετρο-ιϊκών φορέων που έχει κλινικό προσανατολισμό και ονομάζεται DSCP-PCR( partially Double stranded, Sterically Hindered Primer – PCR). Η μέθοδος αυτή έχει αυξημένη ευαισθησία και ειδικότητα, δεδομένου ότι δεν εξαρτάται από στάδια κατάτμησης με ένζυμα περιορισμού και αντιδράσεις λιγάσης που αποτελούν μέρος των υπαρχόντων μεθόδων (όπως η LAMPCR). Η μείζονα διαφορά ανάμεσα στην DSCP-PCR και στις προηγούμενες PCR μεθόδους συνιστάται στο στάδιο της σύνδεσης της συμπληρωματικής αλυσίδας του DNA όπου χρησιμοποιείται ένας εκκινητής που το ένα άκρο του είναι εκφυλισμένο ενώ το άλλο αποτελείται από διπλή έλικα DNA. Η σχεδίαση αυτή τον καθιστά ικανό να προσδένεται μόνο στο άκρο οποιασδήποτε μονής αλυσίδας. Η μέθοδος αυτή παράγει ένα υψηλά πληροφοριακό σύνολο δεδομένων για τον χαρακτηρισμό των θέσεων ενσωμάτωσης των φορέων. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση του προφίλ των κλώνων που συμμετέχουν στην αιμοποίηση σε κάποια χρονική περίοδο. Η παρακολούθηση το προφίλ αυτού μέσα στον χρόνο δίνει ενδείξεις για την κινητική της αιμοποίησης και κατά συνέπεια της εμφάνιση νέων κλώνων. / Episomal vectors have been considered valid alternatives to viral vectors for gene therapy applications, as they are replicating extrachromosomally and are devoid of the adverse effect of insertional mutagenesis. Interest in the episomal systems was boosted by the development of the pEPI-1 vector, containing the scaffold matrix attachment region (S/MAR) element of the human beta-interferon gene, which confers to it stable episomal status, without the need for transcription of any viral element. S/MARs are heterogeneous DNA regions that attach to the nuclear matrix, participating in the organization of the eukaryotic genome, initiation of DNA replication and regulation of transcription. We decided to study the performance of the S/MAR element in a completely different vector DNA context. Starting from vector pCEP4 (Invitrogen) based on OriP EBV and EBNA-1 latent retention system, we constructed plasmids: (1) pEBS/eGFP with SMAR element cloned after eGFP gene as in pEPI-1. (2) pESdER/eGFP derived from pEBS/eGFP by deletion of EBNA-1 gene and (3) pCEP4/eGFP as reporter plasmid. Contrary to expectations, only plasmid (3) was able to establish stable Jurkat cell line cultures. Calculation of stress-induced duplex destabilization of the above plasmids demonstrated a high threshold for the destabilization of the OriP region, unlike the parental vector pCEP4, caused by the energy competition of OriP with the highly destabilized S/MAR region. Substitution of OriP in plasmid (2) with the β-globin initiation region (IR) (pESdER-IR/eGFP) results in the restoration of episomal status, providing high mitotic stability without selection pressure for up to 3 months of culture. We deduce that the replication potential of an episomal system carrying an S/MAR element depends on the existence of highly destabilized vector sequences, sufficient to counteract the S/MAR effect of stabilization on vector’s DNA backbone molecule and maintain the plasmid’s accessibility to the cellular replication machinery. Thus emerges the concept of including the calculation of stress-induced duplex destabilization in the design of self-replicative extrachromosomal units. The widespread use of retroviral-based vectors as gene transfer systems in the context of gene therapy clinical trials has emerged the need for accurately assessing their safety profile in order to identify the potential risks of insertional mutagenesis. Here we report a new PCR - based method, DSHP-PCR ( partially Double stranded, Sterically Hindered Primer – PCR), a clinically orientated method for analysing the integration sites with high sensitivity and reliability, devoid of the restriction digestion and cloning bias present in the existing methods. The difference between DSHP-PCR and previous PCR-based methods (such as LAM-PCR) consists in the step of second strand synthesis where the use of a partially double stranded –degenerated primer that binds at the end of the DNA single strands bypasses the need for the restriction digestion step that inserts a bias in integration site detection and for the cassette ligation step that renders the whole procedure inefficient. This method generates a highly informative integration site library used for the sequencing of the human genomic – retroviral junctions, by creating a PCR product pool that contains a high percentage of specific fragments of similar length that can be subcloned with the same efficiency in a sequencing vector. It can also be used for the creation of the clonal composition profile of patient’s each cell lineage in time allowing the monitoring of clonal kinetics of the haematopoietic or immune system by detecting the emergence of new clones that contribute to haematopoiesis.

Η ποσοτική ή ποιοτική ανεπάρκεια του λυσοσωματικού ενζύμου γλυκοκερεβροσιδάση οδηγεί στην παθολογία της νόσου Gaucher με κεντρικό το ρόλο της συσσώρευσης του υποστρώματός της, του γλυκοκερεβροσιδίου, στα μακροφάγα. Για περισσότερες από δύο δεκαετίες χρησιμοποιούνται γ-ρετροϊικά οχήματα στην ερευνητική προσέγγιση της διόρθωσης του ελλείμματος μέσω γονιδιακής μεταφοράς του γονιδίου της γλυκοκερεβροσιδάσης. Όπως έχει αναδειχθεί και σε κλινικό επίπεδο, είναι επιτακτική η ανάγκη για το σχεδιασμό γ ρετροϊικών οχημάτων, τα οποία θα είναι όχι μόνο αποτελεσματικά αλλά και ασφαλή, με κύριο στόχο τον περιορισμό της πιθανότητας εξαλλαγής του κυττάρου από τις συνέπειες της ενσωμάτωσης («μεταλλαξιγένεση κατά την ενσωμάτωση»). Η παρούσα μελέτη έχει ως στόχο τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας νέων και θεωρητικά ασφαλέστερων σε σχέση με προηγουμένως χρησιμοποιηθέντα σε προκλινικό και κλινικό επίπεδο γ-ρετροϊικών οχημάτων για τη γονιδιακή μεταφορά του γονιδίου της γλυκοκερεβροσιδάσης σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα του ανθρώπου. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η μελέτη έξι νέων και θεωρητικά ασφαλέστερων γ ρετροϊικών οχημάτων με το γονίδιο της γλυκοκερεβροσιδάσης, τα οποία είναι Self Inactivating (SIN) οχήματα και φέρουν αλληλουχίες για τη βελτίωση της ολοκλήρωσης της μεταγραφής, είτε από τον ιό WHV (WPRE, Woodchuck hepatitis virus Post-transcriptional Regulatory Element) είτε από τον ιό SV40 (2xSV40 USE, Simian Virus 40 Upstream Sequence Element σε δύο διαδοχικά αντίγραφα). Καταδεικνύεται ότι αυτά τα νέα SIN γ ρετροϊικά οχήματα είναι ικανά να μεταφέρουν ένα ενεργό φυσιολογικό γονίδιο γλυκοκερεβροσιδάσης σε CD34+ ανθρώπινο πρωτογενή προγονικό αιμοποιητικό κυτταρικό πληθυσμό. Τα οχήματα αυτά εμφάνισαν διαφορές στην αύξηση της ενζυμικής δραστικότητας, που προέκυψε από τη διαγονιδιακή έκφραση, οι οποίες οφείλονταν εν μέρει σε διαφορές στην αποδοτικότητα της διαμόλυνσης. Το δεύτερο μέρος της μελέτης περιλαμβάνει τέσσερα νέα SIN γ-ρετροϊικά οχήματα με το γονίδιο της γλυκοκερεβροσιδάσης με αντίστοιχο αριθμό οχημάτων-μαρτύρων, τα οποία είναι σχεδιασμένα με στόχο την κυτταροειδική έκφραση στα μονοκύτταρα / μακροφάγα, ώστε να περιοριστούν οι κυτταρικοί πληθυσμοί που εκτίθενται στην πιθανότητα ενεργοποίησης πρωτογκογονιδίων από τη δραστικότητα ενός εσωτερικού υποκινητή. Τα οχήματα φέρουν τους υποκινητές των ανθρώπινων γονιδίων CD11b και CD68 σε αλληλουχίες που είχαν επιδείξει στο παρελθόν μυελοειδοειδική έκφραση σε πειράματα γονιδιακής μεταφοράς. Τα νέα αυτά οχήματα ελέγχθηκαν ως προς την ικανότητά τους να παρουσιάζουν ισχυρότερη έκφραση του διαγονιδίου μετά από μονοκυτταρική / μακροφαγική διαφοροποίηση διαμολυσμένου CD34+ ανθρώπινου πρωτογενή προγονικού αιμοποιητικού κυτταρικού πληθυσμού σε σχέση με την έκφραση σε ένα λιγότερο διαφοροποιημένο διαμολυσμένο κυτταρικό πληθυσμό. Τα αποτελέσματα του δεύτερου μέρος της μελέτης σε συνδυασμό με τα ήδη υπάρχοντα βιβλιογραφικά δεδομένα ενθαρρύνουν την περαιτέρω διερεύνηση του υποκινητή του CD68 στο πλαίσιο των προσπαθειών για μυελοειδοειδική γονιδιακή μεταφορά του γονιδίου της γλυκοκερεβροσιδάσης, χωρίς να ενθαρρύνουν την περαιτέρω διερεύνηση του υποκινητή του CD11b. / Quantitative or qualitative deficiency of the lysosomal enzyme glucocerebrosidase results in the accumulation of its substrate, glucocerebroside, in macrophages, leading to the pathology of Gaucher disease. For more than two decades of research, gammaretroviral vectors have been used for gene transfer of the glucocerebrosidase gene for the correction of the enzyme’s deficit. It has been shown, even on clinical level, that the design of efficient as well as safe gammaretroviral vectors, aiming mainly at eliminating “insertional mutagenesis”, is an imperative need. The present study aims at the determination of the efficiency of new and theoretically safer, gammaretroviral vectors, compared to previously used ones on preclinical and clinical level, for the gene transfer of the glucocerebrosidase gene into human hematopoietic progenitor cells. In the first part of the study, six new and theoretically safer gammaretroviral vectors of the glucocerebrosidase gene have been evaluated. All six vectors are Self-Inactivating (SIN) and bear sequences for the improvement of transcriptional termination. These are either the WPRE (“Woodchuck hepatitis virus Post-transcriptional Regulatory Element”) from the virus WHV or the 2xSV40 USE (two copies of “Simian Virus 40 Upstream Sequence Element” in tandem repeat) from the virus SV40. It is shown that these new gammaretroviral vectors are efficient in transferring an active wild type glucocerebrosidase gene copy into a CD34+ human primary hematopoietic progenitor cell population. All six vectors showed increased enzyme activity, as compared to the untransduced cells, albeit with differences amongst them, partly due to differences in the transduction efficiency. The second part of the study focuses on the analysis of four new SIN gammaretroviral vectors of the glucocerebrosidase gene and the corresponding number of control vectors, designed for cell-specific expression in monocytes / macrophages. The aim is to thus limit the range of cell populations to be exposed to possible proto-oncogene activation from the internal promoter activity. In these vectors the expression of a glucocerebrosidase gene is driven by one of the promoters of the human genes for CD11b and CD68, which have exhibited myeloid specific expression in gene transfer experiments in the past. These new vectors were studied for their effectiveness in leading to stronger transgene expression after monocytic / macrophagic differentiation of a transduced CD34+ human primary hematopoietic progenitor cell population, compared to a less differentiated transduced cell population. The results of this study, taken together with the current bibliographical data, are encouraging for further study mainly of the CD68 promoter in the context of the research approach to myeloid specific gene transfer of the glucocerebrosidase gene.