Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1106310.32607/actanaturae.11063ReviewsОбзорыReview ArticleMuscle-Specific Promoters for Gene TherapyМышечно-специфические промоторы для генной терапииhttps://orcid.org/0000-0001-7267-7967SkopenkovaVictoria V.СкопенковаВиктория Валерьевна
Russian Federation

Младший научный сотрудник лаборатории моделирования и терапии наследственных заболеваний

v.silina.marlin@gmail.comEgorovaTatiana V.ЕгороваТатьяна Владимировна
Russian Federation
dimitrieva.ta@gmail.comBardinaMaryana V.БардинаМарьяна Владимировна
Russian Federation
m.bardina.marlin@gmail.comInstitute of Gene Biology, Russian Academy of SciencesИнститут биологии гена РАНMarlin Biotech LLCООО «Марлин Биотех»Center for Precision Genome Editing and Genetic Technologies for Biomedicine, Institute of Gene Biology, Russian Academy of SciencesЦентр высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины (ЦВРГТБ) ИБГ РАН1503202113147583006202001092020Copyright ©; 2021, Skopenkova V.V., Egorova T.V., Bardina M.V.Copyright ©; 2021, Скопенкова В.В., Егорова Т.В., Бардина М.В.2021Skopenkova V.V., Egorova T.V., Bardina M.V.Скопенкова В.В., Егорова Т.В., Бардина М.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11063

Many genetic diseases that are responsible for muscular disorders have been described to date. Gene replacement therapy is a state-of-the-art strategy used to treat such diseases. In this approach, the functional copy of a gene is delivered to the affected tissues using viral vectors. There is an urgent need for the design of short, regulatory sequences that would drive a high and robust expression of a therapeutic transgene in skeletal muscles, the diaphragm, and the heart, while exhibiting limited activity in non-target tissues. This review focuses on the development and improvement of muscle-specific promoters based on skeletal muscle α-actin, muscle creatine kinase, and desmin genes, as well as other genes expressed in muscles. The current approaches used to engineer synthetic muscle-specific promoters are described. Other elements of the viral vectors that contribute to tissue-specific expression are also discussed. A special feature of this review is the presence of up-to-date information on the clinical and preclinical trials of gene therapy drug candidates that utilize muscle-specific promoters.

Современной стратегией лечения наследственных заболеваний, приводящих к патологии мышц, является заместительная генная терапия, при которой функциональную копию поврежденного гена доставляют в пораженные ткани с помощью вирусных векторов. Для этого необходимы также короткие регуляторные последовательности, которые обеспечивают устойчивую высокую экспрессию терапевтического гена в скелетных мышцах, диафрагме и сердце и имеют ограниченную активность в других тканях. В представленном обзоре рассмотрены этапы создания и совершенствования мышечно-специфических промоторов на основе генов α-скелетного актина, мышечной креатинкиназы, десмина и других генов, экспрессирующихся в мышцах. Описаны современные подходы к созданию синтетических мышечно-специфических промоторов, а также рассмотрены элементы вектора, способные (помимо промотора) влиять на экспрессию терапевтического гена. Приведены результаты клинических и доклинических исследований генотерапевтических препаратов с применением мышечно-специфических промоторов.

Gene therapymuscle-specific promotersAAVnatural promoterssynthetic promotersСЛОВА генная терапиямышечно-специфические промоторыААВсинтетические промоторыTheadom A., Rodrigues M., Poke G., O’Grady G., Love D., Hammond-Tooke G., Parmar P., Baker R., Feigin V., Jones K., et al. // Neuroepidemiology. 2019. V. 52. № 3–4. P. 128–135.Shieh P.B. // Neurol. Clin. 2013. V. 31. № 4. P. 1009–1029.Anguela X.M., High K.A. // Annu. Rev. Med. 2019. V. 70. P. 273–288.Manso A., Hashem S., Nelson B., Gault E., Soto-Hermida A., Villarruel E., Brambatti M., Bogomolovas J., Bushway P., Chen C., et al. // Sci. Transl. Med. 2020. V. 12. P. eaax1744.Suzuki-Hatano S., Saha M., Soustek M.S., Kang P.B., Byrne B.J., Cade W.T., Pacak C.A. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019. V. 13. P. 167–179.Childers M.K., Joubert R., Poulard K., Moal C., Grange R.W., Doering J.A., Lawlor M.W., Rider B.E., Jamet T., Danièle N., et al. // Sci. Transl. Med. 2014. V. 6. № 220. P. 220ra10.Qiao C., Dai Y., Nikolova V.D., Jin Q., Li J., Xiao B., Li J., Moy S.S., Xiao X. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2018. V. 9. P. 47–56.Han S., Li S., Bird A., Koeberl D. // Hum. Gene Ther. 2015. V. 26. № 11. P. 743–750.Lostal W., Roudaut C., Faivre M., Karine C., Suel L., Bourg N., Best H., Smith J., Gohlke J., Corre G., et al. // Sci. Transl. Med. 2019. V. 11. P. eaat6072.Gicquel E., Maizonnier N., Foltz S.J., Martin W.J., Bourg N., Svinartchouk F., Charton K., Beedle A.M., Richard I. // Hum. Mol. Genet. 2017. V. 26. № 10. P. 1952–1965.Malerba A., Klein P., Bachtarzi H., Jarmin S.A., Cordova G., Ferry A., Strings V., Espinoza M.P., Mamchaoui K., Blumen S.C., et al. // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 14848.Marshall D.J., Leiden J.M. // Curr. Opin. Genet. Dev. 1998. V. 8. № 3. P. 360–365.Janssen I., Heymsfield S.B., Wang Z.M., Ross R. // J. Appl. Physiol. Bethesda Md 1985. 2000. V. 89. № 1. P. 81–88.Gaina G., Budisteanu M., Manole E., Ionica E. // Muscular Dystrophies. 2019.Gaina G., Budisteanu M., Manole E., Ionica E. // Muscular Dystrophies. 2019. doi: 10.5772/intechopen.85339Shirley J.L., de Jong Y.P., Terhorst C., Herzog R.W. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2020. V. 28. № 3. P. 709–722.Duan B., Cheng L., Gao Y., Yin F.X., Su G.H., Shen Q.Y., Liu K., Hu X., Liu X., Li G.P. // Theriogenology. 2012. V. 78. № 4. P. 793–802.Razin S.V., Gavrilov A.A., Ulianov S.V. // Molecular Biology (rus). 2015. V. 49. № 2. P. 212.Разин С.В., Гаврилов А.А., Ульянов С.В. // Молекуляр. биол. 2015. Т. 49. № 2. С. 212.Haberle V., Stark A. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2018. V. 19. № 10. P. 621–637.Vo Ngoc L., Wang Y.-L., Kassavetis G.A., Kadonaga J.T. // Genes Dev. 2017. V. 31. № 13. P. 1289–1301.Vo Ngoc L., Cassidy C.J., Huang C.Y., Duttke S.H.C., Kadonaga J.T. // Genes Dev. 2017. V. 31. № 1. P. 6–11.Sainsbury S., Bernecky C., Cramer P. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2015. V. 16. № 3. P. 129–143.Burke T.W., Kadonaga J.T. // Genes Dev. 1997. V. 11. № 22. P. 3020–3031.Lim C.Y., Santoso B., Boulay T., Dong E., Ohler U., Kadonaga J.T. // Genes Dev. 2004. V. 18. № 13. P. 1606–1617.Deng W., Roberts S.G.E. // Genes Dev. 2005. V. 19. № 20. P. 2418–2423.Maston G.A., Evans S.K., Green M.R. // Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2006. V. 7. P. 29–59.Lambert S.A., Jolma A., Campitelli L.F., Das P.K., Yin Y., Albu M., Chen X., Taipale J., Hughes T.R., Weirauch M.T. // Cell. 2018. V. 172. № 4. P. 650–665.Long H.K., Prescott S.L., Wysocka J. // Cell. 2016. V. 167. № 5. P. 1170–1187.Riethoven J.-J.M. // Methods Mol. Biol. Clifton NJ. 2010. V. 674. P. 33–42.Salva M.Z., Himeda C.L., Tai P.W., Nishiuchi E., Gregorevic P., Allen J.M., Finn E.E., Nguyen Q.G., Blankinship M.J., Meuse L., et al. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2007. V. 15. № 2. P. 320–329.Piekarowicz K., Bertrand A.T., Azibani F., Beuvin M., Julien L., Machowska M., Bonne G., Rzepecki R. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019. V. 15. P. 157–169.Himeda C.L., Chen X., Hauschka S.D. // Methods Mol. Biol. Clifton NJ. 2011. V. 709. P. 3–19.Somlyo A.V., Siegman M.J. In: Muscle. // Elsevier. 2012 (Accessed April 23, 2020). 1117–1132.Somlyo A.V., Siegman M.J. // Muscle. Elsevier. 2012. V. 2. P. 1117–1132. doi.org/10.1016/B978-0-12-381510-1.00083-1Gunning P., Ponte P., Blau H., Kedes L. // Mol. Cell. Biol. 1983. V. 3. № 11. P. 1985–1995.Muscat G.E., Kedes L. // Mol. Cell. Biol. 1987. V. 7. № 11. P. 4089–4099.Brennan K.J., Hardeman E.C. // J. Biol. Chem. 1993. V. 268. № 1. P. 719–725.Crawford G.E., Faulkner J.A., Crosbie R.H., Campbell K.P., Froehner S.C., Chamberlain J.S. // J. Cell Biol. 2000. V. 150. № 6. P. 1399–1410.Glover L.E., Newton K., Krishnan G., Bronson R., Boyle A., Krivickas L.S., Brown R.H. // Ann. Neurol. 2010. V. 67. № 3. P. 384–393.Miniou P., Tiziano D., Frugier T., Roblot N., Le Meur M., Melki J. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 19. P. e27.Miniou P., Tiziano D., Frugier T., Roblot N., Le Meur M., Melki J. // Nucl. Acids Res. 1999. V. 27. № 19. P. e27.Kimura E., Li S., Gregorevic P., Fall B.M., Chamberlain J.S. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2010. V. 18. № 1. P. 206–213.Strimpakos G., Corbi N., Pisani C., Di Certo M.G., Onori A., Luvisetto S., Severini C., Gabanella F., Monaco L., Mattei E., et al. // J. Cell. Physiol. 2014. V. 229. № 9. P. 1283–1291.Hagstrom J.N., Couto L.B., Scallan C., Burton M., McCleland M.L., Fields P.A., Arruda V.R., Herzog R.W., High K.A. // Blood. 2000. V. 95. № 8. P. 2536–2542.Petropoulos C.J., Rosenberg M.P., Jenkins N.A., Copeland N.G., Hughes S.H. // Mol. Cell. Biol. 1989. V. 9. № 9. P. 3785–3792.Asante E.A., Boswell J.M., Burt D.W., Bulfield G. // Transgenic Res. 1994. V. 3. № 1. P. 59–66.Hu Q., Tong H., Zhao D., Cao Y., Zhang W., Chang S., Yang Y., Yan Y. // Cell. Mol. Biol. Lett. 2015. V. 20. № 1. P. 160–176.Welle S., Bhatt K., Thornton C.A. // Genome Res. 1999. V. 9. № 5. P. 506–513.Jaynes J.B., Chamberlain J.S., Buskin J.N., Johnson J.E., Hauschka S.D. // Mol. Cell. Biol. 1986. V. 6. № 8. P. 2855–2864.Shield M.A., Haugen H.S., Clegg C.H., Hauschka S.D. // Mol. Cell. Biol. 1996. V. 16. № 9. P. 5058–5068.Amacher S.L., Buskin J.N., Hauschka S.D. // Mol. Cell. Biol. 1993. V. 13. № 5. P. 2753–2764.Donoviel D.B., Shield M.A., Buskin J.N., Haugen H.S., Clegg C.H., Hauschka S.D. // Mol. Cell. Biol. 1996. V. 16. № 4. P. 1649–1658.Hauser M.A., Robinson A., Hartigan-O’Connor D., Williams-Gregory D.A., Buskin J.N., Apone S., Kirk C.J., Hardy S., Hauschka S.D., Chamberlain J.S. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2000. V. 2. № 1. P. 16–25.Molkentin J.D., Jobe S.M., Markham B.E. // J. Mol. Cell. Cardiol. 1996. V. 28. № 6. P. 1211–1225.Wang B., Li J., Fu F.H., Chen C., Zhu X., Zhou L., Jiang X., Xiao X. // Gene Ther. 2008. V. 15. № 22. P. 1489–1499.Martari M., Sagazio A., Mohamadi A., Nguyen Q., Hauschka S.D., Kim E., Salvatori R. // Hum. Gene Ther. 2009. V. 20. № 7. P. 759–766.Gonçalves M.A., Janssen J.M., Nguyen Q.G., Athanasopoulos T., Hauschka S.D., Dickson G., de Vries A.A. // Mol. Ther. 2011. V. 19. № 7. P. 1331–1341.Pozsgai E.R., Griffin D.A., Heller K.N., Mendell J.R., Rodino-Klapac L.R. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2017. V. 25. № 4. P. 855–869.Potter R.A., Griffin D.A., Sondergaard P.C., Johnson R.W., Pozsgai E.R., Heller K.N., Peterson E.L., Lehtimäki K.K., Windish H.P., Mittal P.J., et al. // Hum. Gene Ther. 2018. V. 29. № 7. P. 749–762.Duan D. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2018. V. 26. № 10. P. 2337–2356.Hakim C.H., Wasala N.B., Pan X., Kodippili K., Yue Y., Zhang K., Yao G., Haffner B., Duan S.X., Ramos J., et al. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2017. V. 6. P. 216–230.Buckingham M. // Trends Genet. TIG. 1992. V. 8. № 4. P. 144–148.Buckingham M. // Trends Genet. 1992. V. 8. № 4. P. 144–148.Raguz S., Hobbs C., Yagüe E., Ioannou P.A., Walsh F.S., Antoniou M. // Dev. Biol. 1998. V. 201. № 1. P. 26–42.Li Z.L., Paulin D. // J. Biol. Chem. 1991. V. 266. № 10. P. 6562–6570.Li Z., Colucci E., Babinet C., Paulin D. // Neuromuscul. Disord. NMD. 1993. V. 3. № 5–6. P. 423–427.Zhang G., Ludtke J.J., Thioudellet C., Kleinpeter P., Antoniou M., Herweijer H., Braun S., Wolff J.A. // Hum. Gene Ther. 2004. V. 15. № 8. P. 770–782.Pacak C.A., Sakai Y., Thattaliyath B.D., Mah C.S., Byrne B.J. // Genet. Vaccines Ther. 2008. V. 6. P. 13.Talbot G.E., Waddington S.N., Bales O., Tchen R.C., Antoniou M.N. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2010. V. 18. № 3. P. 601–608.Salabarria S.M., Nair J., Clement N., Smith B.K., Raben N., Fuller D.D., Byrne B.J., Corti M. // J. Neuromuscul. Dis. V. 7. № 1. P. 15–31.Salabarria S.M., Nair J., Clement N., Smith B.K., Raben N., Fuller D.D., Byrne B.J., Corti M. // J. Neuromuscul. Dis. 2020. V. 7. № 1. P. 15–31.Lee C.-J., Fan X., Guo X., Medin J.A. // J. Cardiol. 2011. V. 57. № 1. P. 115–122.Müller O.J., Leuchs B., Pleger S.T., Grimm D., Franz W.-M., Katus H.A., Kleinschmidt J.A. // Cardiovasc. Res. 2006. V. 70. № 1. P. 70–78.Schinkel S., Bauer R., Bekeredjian R., Stucka R., Rutschow D., Lochmüller H., Kleinschmidt J.A., Katus H.A., Müller O.J. // Hum. Gene Ther. 2012. V. 23. № 6. P. 566–575.Robert M.-A., Lin Y., Bendjelloul M., Zeng Y., Dessolin S., Broussau S., Larochelle N., Nalbantoglu J., Massie B., Gilbert R. // J. Gene Med. 2012. V. 14. .Robert M.-A., Lin Y., Bendjelloul M., Zeng Y., Dessolin S., Broussau S., Larochelle N., Nalbantoglu J., Massie B., Gilbert R. // J. Gene Med. 2012. V. 14. P. 746–760.Li X., Eastman E.M., Schwartz R.J., Draghia-Akli R. // Nat. Biotechnol. 1999. V. 17. № 3. P. 241–245.Rudeck S., Etard C., Khan M.M., Rottbauer W., Rudolf R., Strähle U., Just S. // Genes. N. Y. N 2000. 2016. V. 54. № 8. P. 431–438.Rudeck S., Etard C., Khan M.M., Rottbauer W., Rudolf R., Strähle U., Just S. // Genesis. 2016. V. 54. № 8. P. 431–438. doi: 10.1002/dvg.22953Aysha J., Noman M., Wang F., Liu W., Zhou Y., Li H., Li X. // Mol. Biotechnol. 2018. V. 60. № 8. P. 608–620.Domenger C., Grimm D. // Hum. Mol. Genet. 2019. V. 28. № R1. P. R3–R14.Boeva V. // Front. Genet. 2016. V. 7. P. 24.Le Guiner C., Servais L., Montus M., Larcher T., Fraysse B., Moullec S., Allais M., François V., Dutilleul M., Malerba A., et al. // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 16105.Colella P., Sellier P., Costa Verdera H., Puzzo F., van Wittenberghe L., Guerchet N., Daniele N., Gjata B., Marmier S., Charles S., et al. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019. V. 12. P. 85–101.Escobar H., Schöwel V., Spuler S., Marg A., Izsvák Z. // Mol. Ther. Nucleic Acids. 2016. V. 5. P. e277.Escobar H., Schöwel V., Spuler S., Marg A., Izsvák Z. // Mol. Ther. Nucl. Acids. 2016. V. 5. P. e277.Khan A.S., Draghia-Akli R., Shypailo R.J., Ellis K.I., Mersmann H., Fiorotto M.L. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2010. V. 18. № 2. P. 327–333.Liu Y., He Y., Wang Y., Liu M., Jiang M., Gao R., Wang G. // Plasmid. 2019. V. 106. P. 102441.Li H., Capetanaki Y. // EMBO J. 1994. V. 13. № 15. P. 3580–3589.Sarcar S., Tulalamba W., Rincon M.Y., Tipanee J., Pham H.Q., Evens H., Boon D., Samara-Kuko E., Keyaerts M., Loperfido M., et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10.Sarcar S., Tulalamba W., Rincon M.Y., Tipanee J., Pham H.Q., Evens H., Boon D., Samara-Kuko E., Keyaerts M., Loperfido M., et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 492–510.Crane M.M., Sands B., Battaglia C., Johnson B., Yun S., Kaeberlein M., Brent R., Mendenhall A. // Sci. Rep. 2019. V. 9.Crane M.M., Sands B., Battaglia C., Johnson B., Yun S., Kaeberlein M., Brent R., Mendenhall A. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 9192. doi: 10.1038/s41598-019-45517-0Wu Z., Sun J., Zhang T., Yin C., Yin F., Van Dyke T., Samulski R.J., Monahan P.E. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2008. V. 16. № 2. P. 280–289.Wu Z., Sun J., Zhang T., Yin C., Yin F., van Dyke T., Samulski R.J., Monahan P.E. // Mol. Ther. J. Am. Soc. Gene Ther. 2008. V. 16. № 2. P. 280–289.Wang L., Wang Z., Zhang F., Zhu R., Bi J., Wu J., Zhang H., Wu H., Kong W., Yu B., et al. // Int. J. Med. Sci. 2016. V. 13. № 4. P. 286–291.Powell S.K., Rivera-Soto R., Gray S.J. // Discov. Med. 2015. V. 19. № 102. P. 49–57.Geisler A., Fechner H. // World J. Exp. Med. 2016. V. 6. № 2. P. 37–54.Büning H., Srivastava A. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019. V. 12. P. 248–265.Bello A., Chand A., Aviles J., Soule G., Auricchio A., Kobinger G.P. // Sci. Rep. 2014. V. 4. № 1. P. 1–11.Fumoto S., Kawakami S., Hashida M., Nishida K. // Nov. Gene Ther. Approaches. 2013.Fumoto S., Kawakami S., Hashida M., Nishida K. // Nov. Gene Ther. Approaches. 2013. V. 1. P. 5–12.