Development of cell-targeting vectors is an important focus for gene therapy. While some ligands can be genetically inserted into virus capsid proteins for cell targeting, for many ligands, this approach can disrupt either ligand function or vector function. To address this problem for adenovirus type 5 vectors, the fiber capsid protein was genetically fused to a biotin acceptor peptide (BAP). Adenovirus particles bearing this BAP were metabolically biotinylated during vector production by the endogenous biotin ligase in 293 cells to produce covalently biotinylated virions. The resulting biotinylated vector could be retargeted to new receptors by conjugation to biotinylated antibodies using tetrameric avidin (K(d) = 10(-15) M). The biotinylated vector could also be purified by biotin-reversible binding on monomeric avidin (K(d) = 10(-7) M). Finally, this vector was used as a ligand screening platform for dendritic cells in which a variety of structurally diverse protein, carbohydrate, and nucleic acid ligands were easily added to the vector using the biotin-avidin interaction. This work demonstrates the utility of metabolically biotinylated viruses for ligand screening, vector targeting, and virus purification applications.

While genetic modification of adenoviral vectors can produce vectors with modified tropism, incorporation of targeting peptides/proteins into the structural context of the virion can also result in destruction of ligand targeting or virion integrity. To combat this problem, we have developed a versatile targeting system using metabolically biotinylated adenoviral vectors bearing biotinylated fiber proteins. These vectors have been demonstrated to be useful as a platform for avidin-based ligand screening and vector targeting by conjugating biotinylated ligands to the virus using high-affinity tetrameric avidin (K(d) = 10(-15) M). The biotinylated vector could also be purified by biotin-reversible binding on monomeric avidin (K(d) = 10(-7) M). In this report, a second metabolically biotinylated adenovirus vector, Ad-IX-BAP, has been engineered by fusing a biotin acceptor peptide (BAP) to the C-terminus of the adenovirus pIX protein. This biotinylated vector displays twice as many biotins and was markedly superior for single-step affinity purification on monomeric avidin resin. However, unlike the fiber-biotinylated vector, Ad-IX-BAP failed to retarget to cells with biotinylated antibodies including anti-CD71 against the transferrin receptor. In contrast, Ad-IX-BAP was retargeted if transferrin, the cognate ligand for CD71, was used as a ligand rather than the anti-CD71. This work demonstrates the utility of metabolic biotinylation as a molecular screening tool to assess the utility of different viral capsid proteins for ligand display and the biology and compatibility of different ligands and receptors for vector targeting applications. These results also demonstrate the utility of the pIX-biotinylated vector as a platform for gentle single-step affinity purification of adenoviral vectors.

The avidin–biotin system is a fundamental technology in biomedicine for immunolocalisation, imaging, nucleic acid blotting and protein labelling. This technology has recently been adapted for use in gene therapy vector applications to add proteins or cell-targeting ligands to non-viral and viral vectors. Two biotinylation technologies are being used in these applications: chemical biotinylation and metabolic biotinylation. In chemical biotinylation, reactive alkylating agents couple biotin to proteins by random covalent attachment to amino acid side chains. In metabolic biotinylation, proteins are genetically engineered with a biotin acceptor peptide (BAP), such that they are covalently biotinylated by cellular biotin ligases during viral vector production. Both technologies show promise for cell-targeting in vitro and in vivo, and for ligand screening applications. Metabolic biotinylation has the added feature of allowing viruses, vectors and vaccines to be produced from cells already biotinylated, thereby allowing them to purified by affinity chromatography on monomeric avidin columns.

AbstractThe avidin–biotin system is a fundamental technology in biomedicine for immunolocalisation, imaging, nucleic acid blotting and protein labelling. This technology has recently been adapted for use in gene therapy vector applications to add proteins or cell-targeting ligands to non-viral and viral vectors. Two biotinylation technologies are being used in these applications: chemical biotinylation and metabolic biotinylation. In chemical biotinylation, reactive alkylating agents couple biotin to proteins by random covalent attachment to amino acid side chains. In metabolic biotinylation, proteins are genetically engineered with a biotin acceptor peptide (BAP), such that they are covalently biotinylated by cellular biotin ligases during viral vector production. Both technologies show promise for cell-targeting in vitro and in vivo, and for ligand screening applications. Metabolic biotinylation has the added feature of allowing viruses, vectors and vaccines to be produced from cells already biotinylated, thereby allowing them to purified by affinity chromatography on monomeric avidin columns.avidinbiotincell-targetingchemical biotinylationmetabolic biotinylationstreptavidinvector purificationvector-targetingvirus purification