ABSTRACT The innate immune response to cytosolic DNA is intended to protect the host from viral infections, but it can also inhibit the delivery and expression of therapeutic transgenes in gene and cell therapies. The goal of this work was to use mRNA-sequencing to reveal correlations between the transfection efficiencies of four cell types (PC-3, Jurkat, HEK-293T, and primary CD3 + T cells) and their innate immune responses to nonviral gene delivery. Overall, the highest transfection efficiency was observed in HEK-293T cells (87%), which upregulated only 142 genes with no known anti-viral functions. Lipofection upregulated a much larger number (n = 1,057) of cytokine-stimulated genes (CSGs) in PC-3 cells, which also exhibited a significantly lower transfection efficiency. However, the addition of serum during Lipofection and electroporation significantly increased transfection efficiencies and decreased the number of upregulated genes in PC-3 cells. Finally, while Lipofection of Jurkat and Primary T cells only upregulated a few genes, several anti-viral CSGs that were absent in HEK and upregulated in PC-3 cells were observed to be constitutively expressed in T cells, which may explain their relatively low Lipofection efficiencies (8-21%). Indeed, overexpression of one such CSG (IFI16) significantly decreased transfection efficiency in HEK cells to 33%.

Abstract If a transgene is effectively delivered to a cell, its expression may still be limited by epigenetic mechanisms that silence the transgene. Indeed, once the transgene reaches the nucleus, it may be bound by histone proteins and condensed into heterochromatin or associated with repressor proteins that block transcription. In this study, we sought to enhance transgene expression by adding binding motifs for several different epigenetic enzymes either upstream or downstream of two promoters (CMV and EF1α). Screening these plasmids revealed that luciferase expression was enhanced 10-fold by the addition of a CCAAT box just upstream of the EF1α promoter to recruit nuclear transcription factor Y (NF-Y), while inserting a CCCTC-binding factor (CTCF) motif downstream of the EF1α promoter enhanced expression 14-fold (14.03 ± 6.54). ChIP assays confirmed that NF-Y and CTCF bound to the motifs that were added to each plasmid, but the presence of NF-Y and CTCF did not significantly affect the levels of histone acetylation (H3K9ac). Overall, these result show that transgene expression from the EF1α promoter can be significantly increased with motifs that recruit NF-Y or CTCF.

Foreign molecules like plasmid DNA trigger a complex and potent innate immune response comprised of highly redundant signal transduction cascades that result in the activation of transcription factors and the production of inflammatory cytokines. Unfortunately, this defense mechanism can hinder gene therapy by inhibiting transgene expression. The goal of this study was to increase transgene expression by inhibiting key components of the innate immune response (beta-catenin, NF-kB/AP1, TBK1, TLR9, and p38 MAPK) with small molecule inhibitors (iCRT-14, curcumin, BX-795, E6446, and VX-702 respectively). The effects of each drug on transgene (luciferase) expression, inflammatory cytokine (IL-6) levels, and cell viability were quantified in prostate (PC3), breast (MCF-7), and murine bladder (MB49) cancer cell lines. The beta-catenin inhibitor iCRT-14 (1 uM) provided the highest enhancement of 35.5 +/- 19-fold in MCF-7 cells, while the other inhibitors increased transgene expression at a more modest level (2-9 fold). The optimal concentrations of iCRT-14, curcumin, and VX-702 showed no significant effect on cell proliferation; however, optimal concentrations of BX-795 and E6446 did significantly reduce cell proliferation. Nonetheless, inhibition of the innate immune response by iCRT-14 and curcumin was confirmed by a concomitant decrease in IL-6 production in PC3 cells. These results demonstrate that these inhibitors can improve gene therapy by preventing an inflammatory innate immune response.

Epigenetic silencing of transgenes has been a persistent challenge for mammalian cell engineering. Foreign DNA can be incorporated into closed chromatin before and after it has been integrated into a host cell’s genome. To identify elements that mitigate epigenetic silencing, we tested components from the c-myb and NF-kB transcriptional regulation systems in transiently transfected DNA and at chromosomally integrated transgenes in PC-3 and HEK293 cells. DNA binding sites for MYB (c-myb) placed upstream of a minimal promoter strongly enhanced expression from transiently transfected plasmid DNA. We targeted p65 and MYB fusion proteins to chromosomal transgenes that were silenced by ectopic Polycomb chromatin or by uncharacterized endogenous chromatin. Transient expression of Gal4-MYB induced sustained activation of the Polycomb-silenced UAS-Tk-luciferase transgene. We used custom guide RNAs and dCas9-MYB to target MYB to different sites. Transgene activation within ectopic Polycomb chromatin required proximity of dCas9-MYB to the transcriptional start site, while activation at the naturally repressed transgene was position-independent. Our report is the first to demonstrate the use of MYB in the context of the CRISPR-activation system. The results demonstrate that DNA elements and fusion proteins derived from c-myb can mitigate epigenetic silencing to improve transgene expression in engineered cell lines.* AAP : activation associated peptide CMV : cytomegalovirus CR : chromatin remodeler Gal4 : Gal4 DNA binding domain HAT : histone acetyltransferase NLS : nuclear localization signal ORF : open reading frame PF : pioneer factor PolII : RNA polymerase II PRC : Polycomb repressive complex TAD : transcriptional activation domain UAS : upstream activation sequence

Purpose: Targeted regulation of transfected extra-chromosomal plasmid DNA typically requires the integration of 9 - 20 bp docking sites into the plasmid. Here, we report an elegant approach, The Dpn Adaptor Linked Effector (DAL-E) system, to target fusion proteins to 6-methyladenosine in GATC, which appears frequently in popular eukaryotic expression vectors and is absent from endogenous genomic DNA. Methods: The DNA-binding region from the DpnI endonuclease binds 6-methyladenosine within the GATC motif. We used a Dpn-transcriptional activator (DPN7-TA) fusion to induce gene expression from transiently transfected pDNAs. Results: We validated methylation-dependent activity of DPN7-TA with a panel of target pDNAs. We observed stronger transactivation when GATC targets were located upstream of the transcriptional start site in the target pDNA. Conclusion: DAL-E, consisting of a 108 aa, 12 kD DNA-binding adaptor and a 4 bp recognition site, offers a genetically-tractable, tunable system that can potentially be redesigned to recruit a variety of regulators (e.g. activators, silencers, epigenome editors) to transfected plasmid DNA.