Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1167010.32607/actanaturae.11670ReviewsОбзорыReview ArticleHuman Artificial Chromosomes and Their Transfer to Target CellsИскусственные хромосомы человека и способы их доставки в клетки-мишениPonomartsevSergey V.ПономарцевСергей Вячеславович
Russian Federation
s.ponomartsev@incras.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5517-8218SinenkoSergey A.СиненкоСергей Анатольевич
Russian Federation
s.sinenko@incras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1137-71676603775762TomilinAlexey N.ТомилинАлексей Николаевич
Russian Federation
a.tomilin@incras.ruInstitute of Cytology Russian Academy of SciencesИнститут цитологии РАНInstitute of Translational Biomedicine, St. Petersburg State UniversityИнститут трансляционной биомедицины, Санкт-Петербургский государственный университет2910202214335452712202119072022Copyright ©; 2022, Ponomartsev S.V., Sinenko S.A., Tomilin A.N.Copyright ©; 2022, Пономарцев С.В., Синенко С.А., Томилин А.Н.2022Ponomartsev S.V., Sinenko S.A., Tomilin A.N.Пономарцев С.В., Синенко С.А., Томилин А.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11670

Human artificial chromosomes (HACs) have been developed as genetic vectors with the capacity to carry large transgenic constructs or entire gene loci. HACs represent either truncated native chromosomes or de novo synthesized genetic constructs. The important features of HACs are their ultra-high capacity and ability to self-maintain as independent genetic elements, without integrating into host chromosomes. In this review, we discuss the development and construction methods, structural and functional features, as well as the areas of application of the main HAC types. Also, we address one of the most technically challenging and time-consuming steps in this technology – the transfer of HACs from donor to recipient cells.

Искусственные хромосомы человека разработаны в качестве генетических векторов, позволяющих нести большие трансгенные конструкции или целые генные локусы. Такие векторы представляют собой либо редуцированные нативные хромосомы, либо новосинтезированные генетические конструкции. Общими важными особенностями искусственных хромосом человека являются их сверхвысокая емкость и способность поддерживаться в виде самостоятельных генетических элементов без интеграции в хромосомы клеток-хозяев. В обзоре рассмотрены способы получения, структурно-функциональные особенности и области применения основных известных на сегодняшний день типов искусственных хромосом человека. Отдельно описан один из технически наиболее сложных и трудоемких элементов технологии – перенос этих векторов из клеток-доноров в клетки-реципиенты.

human artificial chromosomesmicrocell-mediated chromosome transfertetracycline operatortransformation-associated recombinationискусственные хромосомы человекаперенос хромосомопосредованный микроклеткамитетрациклиновый операторрекомбинацияассоциированная с трансформациейСанкт-Петербургский государственный университетSaint-Petersburg State University93024558Российский научный фондRussian Science Foundation20-14-00242МинобрнаукиMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2021-1075Bouard D., Alazard-Dany N., Cosset F.L. // Brit. J. Pharmacol. 2009. V. 157. № 2. P. 153–165.Ghosh S., Brown A.M., Jenkins C., Campbell K. // Appl. Biosafety. 2020. V. 25. № 1. P. 7–18.Lundstrom K. // Genes (Basel). 2019. V. 10. № 3. P. 1–15.Hackett P.B., Largaespada D.A., Cooper L.J. // Mol. Therapy. 2010. V. 18. № 4. P. 674–683.Ivics Z., Izsvák Z. // Mob. DNA. 2010. V. 1. № 25. P. 1–15.Skipper K.A., Andersen P.R., Sharma N., Mikkelsen J.G. // J. Biomed. Sci. 2013. V. 20. № 1. P. 92.Blanc F., Mondain M., Bemelmans A.-P., Affortit C., Puel J.-L., Wang J. // J. Clin. Med. 2020. V. 9. № 2. P. 589.Oshimura M., Kazuki Y., Iida Y., Uno N. // eLS. 2013. P. 1–12.Kouprina N., Larionov V. // Chromosome Res. 2015. V. 23. № 1. P. 1–5.Katona R.L. // Chromosome Res. 2015. V. 23. № 1. P. 143–157.Moralli D., Monaco Z.L. // Exp. Cell Res. 2020. V. 390. № 1. P. 111931.Sinenko S.A., Ponomartsev S.V., Tomilin A.N. // Exp. Cell Res. 2020. V. 389. № 1. P. 111882. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32017931Ikeno M., Hasegawa Y. // Exp. Cell Res. 2020. V. 390. № 1. P. 111793. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31874174Kazuki Y., Oshimura M. // Mol. Therapy. 2011. V. 19. № 9. P. 1591–1601. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21750534Koi M., Shimizu M., Morita H., Yamada H., Oshimura M. // Jpn. J. Cancer Res. 1989. V. 80. № 5. P. 413–418. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2502516Katoh M., Ayabe F., Norikane S., Okada T., Masumoto H., Horike S., Shirayoshi Y., Oshimura M. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. V. 321. № 2. P. 280–290. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15358173Suzuki N., Nishii K., Okazaki T., Ikeno M. // J. Biol. Chem. 2006. V. 281. № 36. P. 26615–26623. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16837455Iida Y., Kim J.H., Kazuki Y., Hoshiya H., Takiguchi M., Hayashi M., Erliandri I., Lee H.S., Samoshkin A., Masumoto H., et al. // DNA Res. 2010. V. 17. № 5. P. 293–301. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20798231Sinenko S.A., Ponomartsev S.V., Tomilin A.N. // Cell. Mol. Life Sci. 2021. V. 78. № 4. Р. 1207–1220.Farr C.J., Stevanovic M., Thomson E.J., Goodfellow P.N., Cooke H.J. // Nat. Genet. 1992. V. 2. № 4. P. 275–282.Kuroiwa Y., Tomizuka K., Shinohara T., Kazuki Y., Yoshida H., Ohguma A., Yamamoto T., Tanaka S., Oshimura M., Ishida I. // Nat. Biotechnol. 2000. V. 18. № 10 SUPPL. P. 1086–1090.Kazuki Y., Hiratsuka M., Takiguchi M., Osaki M., Kajitani N., Hoshiya H., Hiramatsu K., Yoshino T., Kazuki K., Ishihara C., et al. // Mol. Therapy. 2010. V. 18. № 2. P. 386–393.Yamaguchi S., Kazuki Y., Nakayama Y., Nanba E., Oshimura M., Ohbayashi T. // PLoS One. 2011. V. 6. № 2. Р. 1–11.Takiguchi M., Kazuki Y., Hiramatsu K., Abe S., Iida Y., Takehara S., Nishida T., Ohbayashi T., Wakayama T., Oshimura M. // ACS Synthetic Biol. 2012. V. 3. № 12. P. 903–914.Buerstedde J.M., Takeda S. // Cell. 1991. V. 67. № 1. P. 179–188.Kazuki Y., Hoshiya H., Takiguchi M., Abe S., Iida Y., Osaki M., Katoh M., Hiratsuka M., Shirayoshi Y., Hiramatsu K., et al. // Gene Therapy. 2011. V. 18. № 4. P. 384–393.Tedesco F.S., Gerli M.F.M., Perani L., Benedetti S., Ungaro F., Cassano M., Antonini S., Tagliafico E., Artusi V., Longa E., et al. // Sci. Translat. Med. 2012. V. 4. № 140. P. 1–13.Benedetti S., Uno N., Hoshiya H., Ragazzi M., Ferrari G., Kazuki Y., Moyle L.A., Tonlorenzi R., Lombardo A., Chaouch S., et al. // EMBO Mol. Med. 2018. V. 10. № 2. P. 254–275.Yakura Y., Ishihara C., Kurosaki H., Kazuki Y., Komatsu N., Okada Y., Doi T., Takeya H., Oshimura M. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2013. V. 431. № 2. P. 336–341.Hiratsuka M., Uno N., Ueda K., Kurosaki H., Imaoka N., Kazuki K., Ueno E., Akakura Y., Katoh M., Osaki M., et al. // PLoS One. 2011. V. 6. № 10. P. 1–14.Lindenbaum M., Perkins E., Csonka E., Fleming E., Garcia L., Greene A., Gung L., Hadlaczky G., Lee E., Leung J., et al. // Nucl. Acids Res. 2004. V. 32. № 21. P. 1–15.Csonka E. // Mammal. Chromosome Engin.: Meth. Protocols, Meth. Mol. Biol. 2011. V. 738. P. 141–149.Holló G., Keresõ J., Praznovszky T., Cserpán I., Fodor K., Katona R., Csonka E., Fãtyol K., Szeles A., Szalay A.A., et al. // Chromosome Res. 1996. V. 4. № 3. P. 240–247.Vanderbyl S., MacDonald G.N., Sidhu S., Gung L., Telenius A., Perez C., Perkins E. // STEM CELLS. 2004. V. 22. № 3. P. 324–333.Vanderbyl S.L., Sullenbarger B., White N., Perez C.F., MacDonald G.N., Stodola T., Bunnell B.A., Ledebur H.C., Lasky L.C. // Exp. Hematol. 2005. V. 33. № 12. P. 1470–1476.Kennard M.L., Goosney D.L., Monteith D., Roe S., Fischer D., Mott J. // Biotechnol. Bioengin. 2009. V. 104. № 3. P. 526–539.de Jong G., Telenius A., Vanderbyl S., Meitz A., Drayer J. // Chromosome Res. 2001. V. 9. № 6. P. 475–485. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11592482Co D.O., Borowski A.H., Leung J.D., van der Kaa J., Hengst S., Platenburg G.J., Pieper F.R., Perez C.F., Jirik F.R., Drayer J.I. // Chromosome Res. 2000. V. 8. № 3. P. 183–191.Blazso P., Sinko I., Katona R.L. // Meth. Mol. Biol. 2011. V. 738. № 2. P. 161–181.Katona R.L., Sinkó I., Holló G., Szucs K.S., Praznovszky T., Kereso J., Csonka E., Fodor K., Cserpán I., Szakál B., et al. // Cell. Mol. Life Sci. 2008. V. 65. № 23. P. 3830–3838.Mehta G.D., Agarwal M.P., Ghosh S.K. // Mol. Genet. Genom. 2010. V. 284. № 2. P. 75–94.Neil D.L., Villasante A., Fisher R.B., Vetrie D., Cox B., Tyler-Smit C. // Nucl. Acids Res. 1990. V. 18. № 6. P. 1421–1428.Harrington J.J., Van Bokkelen G., Mays R.W., Gustashaw K., Willard H.F. // Nat. Genet. 1997. V. 15. № 4. P. 345–355.Kouprina N., Larionov V. // Curr. Protocols Hum. Genet. 2006. Chapter 5:Unit 5.17. doi: 10.1002/0471142905.hg0517s49.Larionov V., Kouprina N., Graves J., Resnick M.A.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. № 24. P. 13925–13930. https://doi.org/10.1073/pnas.93.24.13925Kouprina N., Larionov V. // Chromosoma. 2016. V. 125. № 4. P. 621–632. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27116033Ebersole T., Okamoto Y., Noskov V.N., Kouprina N., Kim J.H., Leem S.H., Barrett J.C., Masumoto H., Larionov V. // Nucl. Acids Res. 2005. V. 33. № 15. P. 1–8.Kouprina N., Larionov V. // Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019. V. 14. P. 16–26. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31276008Kouprina N., Kim J., Larionov V. // Curr. Protocols. 2021. V. 1. № 8. P. 1–27.Kouprina N., Lee N.C.O., Kononenko A.V., Samoshkin A., Larionov V. // Methods Mol. Biol. 2015. V. 1227. Р. 3–26. https://doi.org10.1007/978-1-4939-1652-8_1.Nakano M., Cardinale S., Noskov V.N. // Chemtracts. 2008. V. 21. № 3. P. 87–88.Kouprina N., Earnshaw W.C., Masumoto H., Larionov V. // Cell. Mol. Life Sci. 2013. V. 70. № 7. P. 1135–1148.Kononenko A.V., Lee N.C., Liskovykh M., Masumoto H., Earnshaw W.C., Larionov V., Kouprina N. // Nucl. Acids Res. 2015. V. 43. № 9. P. 1–14. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25712097Lee N.C.O., Petrov N.S., Larionov V., Kouprina N. // Curr. Protocols. 2021. V. 1. № 12. P. 1–36.Kim J.H., Kononenko A., Erliandri I., Kim T.A., Nakano M., Iida Y., Barrett J.C., Oshimura M., Masumoto H., Earnshaw W.C., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. V. 108. № 50. P. 20048–20053.Ponomartsev S.V., Sinenko S.A., Skvortsova E.V., Liskovykh M.A., Voropaev I.N., Savina M.M., Kuzmin A.A., Kuzmina E.Y., Kondrashkina A.M., Larionov V., et al. // Cells. 2020. V. 9. № 4. P. 1–17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32260189Liskovykh M., Ponomartsev S., Popova E., Bader M., Kouprina N., Larionov V., Alenina N., Tomilin A. // Cell Cycle. 2015. V. 14. № 8. P. 1268–1273. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25695642Sinenko S.A., Skvortsova E.V., Liskovykh M.A., Ponomartsev S.V., Kuzmin A.A., Khudiakov A.A., Malashicheva A.B., Alenina N., Larionov V., Kouprina N., et al. // Cells. 2018. V. 7. № 12. P. 1–14. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30544831Ikeno M., Grimes B., Okazaki T., Nakano M., Saitoh K., Hoshino H., McGill N.I., Cooke H., Masumoto H. // Nat. Biotechnol. 1998. V. 16. № 5. P. 431–439.Suzuki N., Nishii K., Okazaki T., Ikeno M. // J. Biol. Chem. 2006. V. 281. № 36. P. 26615–26623.Ikeno M., Suzuki N., Hasegawa Y., Okazaki T. // Nucl. Acids Res. 2009. V. 37. № 6. P. 1–9.Suzuki E., Nakayama M. // Nucl. Acids Res. 2011. V. 39. № 8. P. 1–11.Suzuki N., Itou T., Hasegawa Y., Okazaki T., Ikeno M. // Nucl. Acids Res. 2009. V. 38. № 5. P. 1–9.Ito M., Ito R., Yoshihara D., Ikeno M., Kamiya M., Suzuki N., Horiguchi A., Nagata H., Yamamoto T., Kobayashi N., et al. // Cell Transplant. 2008. V. 17. № 1–2. P. 165–171. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18468246Miyamoto K., Suzuki N., Sakai K., Asakawa S., Okazaki T., Kudoh J., Ikeno M., Shimizu N. // Transgenic Res. 2014. V. 23. № 2. P. 317–329.Ikeno M., Suzuki N., Kamiya M., Takahashi Y., Kudoh J., Okazaki T. // Nucl. Acids Res. 2012. V. 40. № 21. P. 10742–10752.Hasegawa Y., Ikeno M., Suzuki N., Nakayama M., Ohara O. // Biol. Meth. Protocols. 2018. V. 3. № 1. P. 1–10.Moralli D., Simpson K.M., Wade-Martins R., Monaco Z.L. // EMBO Repts. 2006. V. 7. № 9. P. 911–918.Frenkel N. // Curr. Gene Therapy. 2006. V. 6. № 3. P. 277–299.Wade-Martins R., Smith E.R., Tyminski E., Chiocca E.A., Saeki Y. // Nat. Biotechnol. 2001. V. 19. № 11. P. 1067–1070.Zaupa C., Revol-Guyot V., Epstein A.L. // Hum. Gene Therapy. 2003. V. 14. № 11. P. 1049–1063.Moralli D., Monaco Z.L. // Chromosome Res. 2015. V. 23. № 1. P. 105–110.Chan D.Y., Moralli D., Wheatley L., Jankowska J.D., Monaco Z.L. // Exp. Cell Res. 2020. V. 388. № 2. P. 111840.Doherty A.M., Fisher E.M. // Mamm. Genome. 2003. V. 14. № 9. P. 583–592. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14629108Fournier R.E.K., Ruddle F.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977. V. 74. № 1. P. 319–323.Liskovykh M., Lee N.C., Larionov V., Kouprina N. // Mol. Therapy – Meth. Clin. Dev. 2016. V. 3. P. 1–9.Liskovykh M., Larionov V., Kouprina N. // Curr. Protocols. 2021. V. 1. № 9. P. 1–25.Suzuki T., Kazuki Y., Oshimura M., Hara T. // PLoS One. 2016. V. 11. № 6. P. e0157187. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27271046Paulis M., Bensi M., Orioli D., Mondello C., Mazzini G., D’Incalci M., Falcioni C., Radaelli E., Erba E., Raimondi E., et al. // Stem Cells. 2007. V. 25. № 10. P. 2543–2550.Suzuki N., Itou T., Hasegawa Y., Okazaki T., Ikeno M. // Nucl. Acids Res. 2010. V. 38. № 5. P. e33. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20007595Klobutcher L.A., Miller C.L., Ruddle F.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1980. V. 77. P. 3610–3614.