ポリエチレニミンDNA複合体の細胞内経路と転写能力

ポリエチレニミン（PEI）は、DNAと複合的にできるカチオン性ポリマーです。PEI-DNA複合体は、in vitroおよびin vivo遺伝子送達アプローチに使用できます。陽性表面電荷の過剰は、複合体と細胞のプラスマム膜との関連を促進し、エンドサイトーシスによる取り込みを促進します。エンドソームから核への細胞内輸送経路は理解されていません。ここでは、PEI-DNA複合体がこれらの複合体で処理されるすべての細胞によって取り上げられていることを示しており、取り込みは最終トランスフェクション効率の速度制限ステップではないことを示しています。蛍光顕微鏡、細胞分画研究、電子顕微鏡により、PEI-DNA複合体はリソソームコンパートメントに蓄積し、そこから小さな局所膜損傷を介して放出されることが明らかになりました。ただし、PEI-DNA複合体の細胞質プールは小さく、適用された形態学的アプローチにより、PEI凝集体は核では検出できませんでした。これは、複合体のごく一部のみが最終的な運命に到達することを示しています。DNAとPEIの関連がトランスフェクションの重要なステップであるかどうかをテストするために、PEI-DNA複合体を使用してin vitro転写アッセイを実行しました。これらの実験は、PEIがテンプレートDNAに密接に付着している場合、転写が損なわれないことを明らかにしました。したがって、我々の結果は、細胞トランスフェクションの速度制限ステップとして、リソソームコンパートメントから核へのPEI-DNA複合体の移動を示しています。

Polyethylenimine (PEI) is a cationic polymer which can be complexed with DNA. PEI-DNA complexes can be used for in vitro and in vivo gene delivery approaches. The excess of positive surface charges enhances the association of the complex with the plasmamembrane of cells and facilitates their uptake by endocytosis. The intracellular transport pathway from the endosome to the nucleus is not understood. Here we show that PEI-DNA complexes are taken up by all cells which are treated with these complexes, indicating, that the uptake is not the rate limiting step in the final transfection efficiency. We reveal by fluorescent microscopy, cell fractionation studies and electron microscopy, that PEI-DNA complexes accumulate in the lysosomal compartment, from where they are released through small local membrane damages. However, the cytoplasmic pool of PEI-DNA complexes is small and with the applied morphological approaches PEI aggregates could not be detected in the nucleus. This indicates, that only a small fraction of the complexes reach their final destiny. To test whether the association of DNA with PEI might be the critical step for transfection, we performed in vitro transcription assays with PEI-DNA complexes. These experiments revealed, that the transcription is not impaired when PEI is closely attached to the template DNA. Our results thus point to the transfer of PEI-DNA complexes from the lysosomal compartment to the nucleus as the rate limiting step in cell transfection.