Journal Article A simple method for DNA restriction site mapping Get access Hamilton O. Smith, Hamilton O. Smith Institut für Molekularbiologie II der Universität Zürich, Winterthurerstr266A, 8057 Zürich, Switzerland Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Max L. Birnstiel Max L. Birnstiel Institut für Molekularbiologie II der Universität Zürich, Winterthurerstr266A, 8057 Zürich, Switzerland Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Nucleic Acids Research, Volume 3, Issue 9, 1 September 1976, Pages 2387–2398, https://doi.org/10.1093/nar/3.9.2387 Published: 01 September 1976 Article history Received: 16 July 1976 Published: 01 September 1976

Complexes containing plasmid DNA, transferrin-polylysine conjugates, and polylysine-conjugated peptides derived from the N-terminal sequence of the influenza virus hemagglutinin subunit HA-2 have been used for the transfer of luciferase or beta-galactosidase marker genes to K562 cells, HeLa cells, and BNL CL.2 hepatocytes. These DNA complexes mimic the entry of viruses into cells, as they contain functions for (i) the packaging of the nucleic acid with polylysine, (ii) the attachment to the cell and receptor-mediated endocytosis with transferrin as a ligand, and (iii) the release from endosomes by using membrane-disrupting influenza peptides. The presence of these influenza peptide conjugates in the DNA complexes renders the complexes active in membrane disruption in a liposome leakage assay and results in a substantial augmentation of the transferrin-polylysine-mediated gene transfer.

We have developed a high-efficiency nucleic acid delivery system that uses receptor-mediated endocytosis to carry DNA macromolecules into cells. We accomplished this by conjugating the iron-transport protein transferrin to polycations that bind nucleic acids. Human transferrin, as well as the chicken homologue conalbumin, has been covalently linked to the small DNA-binding protein protamine or to polylysines of various sizes through a disulfide linkage. These modified transferrin molecules maintain their ability to bind their cognate receptor and to mediate efficient iron transport into the cell. The transferrin-polycation molecules form electrophoretically stable complexes with double-stranded DNA, single-stranded DNA, and modified RNA molecules independent of nucleic acid size (from short oligonucleotides to DNA of 21 kilobase pairs). When complexes of transferrin-polycation and a bacterial plasmid DNA containing the gene for Photinus pyralis luciferase are supplied to eukaryotic cells, high-level expression of the luciferase gene occurs, demonstrating transferrin receptor-mediated endocytosis and expression of the imported DNA. We refer to this delivery system as "transferrinfection."

We have previously described a gene delivery system based upon the receptor-mediated endocytosis of DNA complexed with transferrin-polycation conjugates. This delivery system has been found to be very effective for both the internalization and the expression of genetic material in cells that have many transferrin receptors. Upon scrutinization of the parameters involved in this method, which we have termed transferrinfection, we note two important features of the process: the polycation in polycation-transferrin conjugates, as expected, serves to attach the transferrin moiety to the DNA and, in addition, the polycation functions to condense the DNA into a doughnut structure. Electron microscopic analysis of a range of poorly active to highly active transferrinfection samples reveals a strong correlation between DNA condensation and cellular DNA uptake. Furthermore, we demonstrate that the transfection activity of the DNA complex can be increased by addition of free polycation as long as a sufficient quantity of polycation-transferrin conjugates remains in the complex to ensure its binding to the cellular receptor.

We are developing efficient methods for gene transfer into tissue culture cells. We have previously shown that coupling of a chimeric adenovirus with polylysine allowed the construction of an adenovirus-polylysine-reporter-gene complex that transferred the transporter gene with great efficiency into HeLa cells. We have now explored simpler, biochemical means for coupling adenovirus to DNA/polylysine complexes and show that such complexes yield virtually 100% transfection in tissue culture cell lines. In these methods adenovirus is coupled to polylysine, either enzymatically through the action of transglutaminase or biochemically by biotinylating adenovirus and streptavidinylating the polylysine moiety. Combination complexes containing DNA, adenovirus-polylysine, and transferrin-polylysine have the capacity to transfer the reporter gene into adenovirus-receptor- and/or transferrin-receptor-rich cells.

By the technique of artificial RNA-DNA hybridization the fraction of Xenopus laevis wild type DNA complementary to homologous 28-S and 18-S ribosomal RNA is found to be 0.07 % and 0.04 % respectively. The ribosomal RNA-DNA complex, at saturation, possesses a buoyant density of approximately 1.77 g·cm−3 in CsCl. Complete separation of the hybrid from the non-complexed denatured DNA is achieved on a CsCl density gradient. The ribosomal RNA-DNA hybrid is resistant to ribonuclease (EC 2.7.7.16), is of high G+C-content and dissociates at high temperature only. By fractionating Xenopus DNA prior to annealing it may be shown that the 28-S ribosomal RNA complexes only with a high density fraction of the Xenopus DNA. 28-S RNA does not anneal to bacterial DNA even of similar G+C composition. DNA from homozygous, anucleolate mutants of Xenopus anneals very poorly to ribosomal RNA, while heterozygous DNA complexes at levels intermediate between those of homozygous mutant and wild type DNA. The potential number of nucleoli, the number of secondary constrictions (presumably nucleolar organizers) and the number of ribosomal cistrons, all show a linear reduction in proportion to the dosage of mutation. This finding strongly suggests that the anucleolate Xenopus is a deletion mutant, and supports the hypothesis that ribosomal cistrons are located at the nucleolar organizer region.

We have subverted a receptor-mediated endocytosis event to transport genes into human leukemic cells. By coupling the natural iron-delivery protein transferrin to the DNA-binding polycations polylysine or protamine, we have created protein conjugates that bind nucleic acids and carry them into the cell during the normal transferrin cycle [Wagner, E., Zenke, M., Cotten, M., Beug, H. & Birnstiel, M. L. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 3410-3414]. We demonstrate here that this procedure is useful for a human leukemic cell line. We enhanced the rate of gene delivery by (i) increasing the transferrin receptor density through treatment of the cells with the cell-permeable iron chelator desferrioxamine, (ii) interfering with the synthesis of heme with succinyl acetone treatment, or (iii) stimulating the degradation of heme with cobalt chloride treatment. Consistent with gene delivery as an endocytosis event, we show that the subsequent expression in K-562 cells of a gene included in the transported DNA depends upon the cellular presence of the lysosomotropic agent chloroquine. By contrast, monensin blocks "transferrinfection," as does incubation of the cells at 18 degrees C.

The control region of a sea urchin H2A histone gene may be functionally dissected into at least three DNA segments, which we have termed modulator, selector, and initiator elements. While the initiator and in particular the selector containing the T-A-T-A-A-A-T-A sequence are specificity elements that dictate the generation of faithful 5' ends to H2A mRNA, the modulators control the rate at which these specificity elements operate [Grosschedl, R. & Birnstiel, M. L. (1980) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77, 1432-1436]. By functional tests of in vitro mutated histone DNA in the Xenopus oocyte we have now discovered that the segment E of the A+T-rich spacer DNA lying at a considerable distance upstream of the conservative T-A-T-A-A-A-T-A sequence is a strong modulator element of H2A gene transcription. Deletion of this element creates a 15- to 20-fold H2A-specific down mutation. Segment E by itself cannot elicit initiation of transcription except in coordination with the prelude sequence of the H2A gene. The nucleotide sequence of the relevant spacer element showing modulator activity has been determined and found to contain a pattern of T and A runs as well as a series of inverted repeats. Additional pre-H2A spacer mutants, including a spacer inversion mutant, have been constructed in vitro, that, when injected into the oocyte nucleus, modulate the expression of the H2A gene by an overall factor as large as 100. Other factors controlling promoter activity are discussed.