对病毒载量低于检测下限(50-75 拷贝/ml)的个体,其血浆中 HIV-1 RNA 水平的定量以及单个 HIV-1 基因组的测序均较为困难。本文介绍如何利用一种实时 PCR 检测方法提取并定量血浆病毒 RNA,该方法可稳定检测低至 0.3 拷贝/ml 的 HIV-1 RNA,并介绍如何对病毒载量极低的样本进行单基因组扩增测序。
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对病毒载量低于检测下限(50-75 拷贝/ml)的个体,其血浆中 HIV-1 RNA 水平的定量以及单个 HIV-1 基因组的测序均较为困难。本文介绍如何利用一种实时 PCR 检测方法提取并定量血浆病毒 RNA,该方法可稳定检测低至 0.3 拷贝/ml 的 HIV-1 RNA,并介绍如何对病毒载量极低的样本进行单基因组扩增测序。
对于自然控制感染或接受联合抗逆转录病毒治疗(cART)的患者,扩增病毒基因并定量检测病毒载量低于标准检测方法检出限(低于每毫升50-75拷贝)的HIV-1感染者体内的HIV-1 RNA,对于深入了解病毒动力学及病毒与宿主之间的相互作用至关重要。
本文介绍了如何通过单基因组测序(SGS方案)13, 19扩增病毒基因组,以及如何准确量化病毒载量较低患者的HIV-1 RNA(单拷贝检测(SCA)方案)12, 20。
单拷贝检测是一种实时 PCR 检测,其灵敏度取决于所检测血浆的体积。若在 7 ml 血浆中检测到一个病毒基因组,则报告的 RNA 拷贝数为 0.3 拷贝/ml。该检测包含一个内参对照,用于评估 RNA 提取效率,并设有检测 DNA 扩增或污染可能性的对照。患者样本均进行三复孔测定。
单基因组测序检测(SGS)目前已被广泛使用,且被认为操作不繁琐3, 7, 12, 14, 15,它是一种有限稀释法,将终点稀释后的cDNA产物分配至96孔板中。根据泊松分布,当少于1/3的孔产生扩增产物时,该PCR产物来源于单个cDNA分子扩增的概率可达80%。与克隆方法相比,SGS的优势在于不会发生重复取样,且不受PCR过程中引入的重组偏差影响19。然而,SCA和SGS的扩增成功率依赖于引物设计。这两种检测方法最初均针对HIV-1 B亚型开发,但通过更换引物、探针和标准品,可适用于其他亚型及基因组其他区域。
1. 从大量血浆中提取RNA
单拷贝检测(SCA)和单基因组测序(SGS)方案的概述见图1和图2。
2. 单拷贝检测
一个96孔板可容纳8个患者样本,包括HIV和RCAS标准品及对照品。本方案将描述单个板的设置方法。
3. 单基因组测序
4. 代表性结果:
脊髓小脑性共济失调(SCA):
所有对照均需合格,方可认为HIV-1 RNA测定结果准确。若阴性对照呈阳性,应弃用该次检测结果,因可能存在污染。为监控提取步骤中RNA的损失情况,血浆中添加的RCAS至少应回收50%。若平均RCAS回收率低于此值,则需重新评估提取过程的有效性。 <15,000 拷贝,则该样本不合格,应予以舍弃,因为在提取或方案的其他步骤中可能已丢失大量 RNA。这种情况在约 10% 的患者样本中出现,可能与血浆中高脂含量有关6RCAS病毒的回收旨在作为提取质量以及cDNA合成和PCR扩增效率的对照。该回收率不用于校正HIV的回收,因为HIV很可能与免疫球蛋白及其他人源蛋白结合,其性质与从组织培养中分离的病毒略有不同。在本实验室中,RCAS的回收量平均为25,716 ± 4,057 拷贝/反应体系,约为所添加RCAS RNA的95% ± 15%。17同时平行运行无逆转录酶(NRT)对照,以检测是否存在来自DNA的扩增。将NRT值从三个HIV-1 RNA值中分别减去后,计算平均值;若该数值小于零(即DNA扩增信号高于RNA扩增信号),则结果判为无效,应予以舍弃,因其存在由DNA而非RNA扩增导致结果偏差的风险。若仅在3个反应孔中的1个孔检测到HIV-1 RNA扩增,建议对样本重新检测,以确认扩增信号确实来源于待测样本本身,而非可能存在的污染物。
如果所有对照均通过,则可计算血浆中HIV-1 RNA的平均拷贝数。
示例1: 如果平均HIV-1拷贝数为零,则检测下限需根据检测所用血浆体积进行计算。举例说明:假设检测了7 ml血浆。本检测中可能检测到的最小RNA量为:在一个孔中为1个拷贝,另外两个孔中为0拷贝,即每孔平均0.33拷贝。然后将平均拷贝数乘以5.5的校正因子,以换算为RNA洗脱液中的总拷贝数(每孔含10 µl,但总洗脱体积为55 µl)。因此,检测下限为:5.5 × 0.33拷贝除以7 ml = 1.83/7 = 0.3拷贝/ml。本例中血浆中HIV-1 RNA的浓度为<0.3拷贝/ml。
示例 2:HIV-1 RNA 可被检测到。从 7 ml 血浆中提取 RNA。每孔中 HIV-1 RNA 的平均拷贝数计算为每孔 2.0 拷贝。则每毫升血浆中 HIV-1 RNA 的平均拷贝数为 5.5 × 2.0 拷贝 / 7 ml = 1.6 HIV-1 RNA/ml 血浆。
用于计算拷贝数的 Excel 模板表格可从网站下载。
SGS:
如果其中一个阴性对照呈阳性,则应放弃该次实验,因为可能存在污染。每次实验的产物数量取决于每个样本中的病毒载量以及样本的状态。根据我们的经验,血浆中存在大量脂质或细胞会降低获得产物的可能性。样本的储存条件以及先前的冻融次数也会极大地影响RNA的回收率。通常情况下,当处理病毒载量低于50拷贝/毫升的样本时,大约有1/3至1/2的样本能够获得产物(凝胶上的条带)。考虑到上述因素,由于这些患者的病毒载量较低,每块板出现1-5条条带应被视为较好的结果。
| cDNA 合成(逆转录反应体系/cDNA 反应) | 1 次反应 | 无逆转录酶对照(NRT)反应体系/cDNA 反应(1 次反应) |
| 分子级 H2O | 8.1 µL | 8.2 µL |
| 25 mM MgCl2 | 6 µL | 6 µL |
| 25 mM dNTPs | 0.6 µL | 0.6 µL |
| 100 mM DTT | 0.2 µL | 0.2 µL |
| 随机六聚体引物(0.1 µg/µL) | 1.5 µL | 1.5 µL |
| 10X TaqMan Buffer A | 3.0 µL | 3.0 µL |
| RNasin(40 U/µL) | 0.5 µL | 0.5 µL |
| Strategene RT(200 U/µL) | 0.1 µL | 不添加 |
| 总量 | 20 µL | 20 µL |
| 样本 RNA | 10 µL | 10 µL |
| 总体积 | 30 µL | 30 µL |
表1. 单拷贝检测中cDNA合成的反应混合物。
| PCR 扩增主混合液 | 1 个反应 | 引物 |
| H2O | 15.1 µL | HIV 正向引物 5'-CATGTTTTCAGCATTATCAGAAGGA-3' |
| 10X PCR Gold Buffer | 2.0 µL | HIV 反向引物 5'-TGCTTGATGTCCCCCCACT-3' |
| 25 mM MgCl2 | 2.0 µL | HIV 探针 5'FAM-CCACCCCACAAGATTTAAACACCATGCTAA-TAMRA 3' |
| *正向引物 (100 µM) | 0.3 µL | |
| *反向引物 (100 µM) | 0.3 µL | RCAS 正向引物 5'-GTCAATAGAGAGAGGGATGGACAAA-3' |
| *探针 (100 µM) | 0.05 µL | RCAS 反向引物 5'-TCCACAAGTGTAGCAGAGCCC-3' |
| TaqGold (5 U/µL) | 0.25 µL | RCAS 探针 5'FAM-TGGGTCGGGTGGTCGTGCC-TAMRA 3' |
| 总计 | 20.0 µL |
表2. 单拷贝检测的PCR预混液和引物。
| cDNA 混合液/cDNA 反应 | 1 个 RNA 样本 | 第一轮 PCR 混合液 | 1 块板(75 个反应) | 巢式 PCR 混合液 | 1 块板(75 个反应) |
| 10X RT Buffer (Invitrogen) | 10 µL | 10X PCR buffer (Invitrogen) | 75 µL | 10X PCR buffer | 150 µL |
| 25 mM MgCl2 | 20 µL | 50 mM MgSO4 | 30 µL | 50 mM MgSO4 | 60 µL |
| 0.1 M DTT | 1 µL | 10 mM dNTPs | 15 µL | 10 mM dNTPs | 30 µL |
| RNase-free water | 17.5 µL | 50 µM 引物(每种) | 3 µL | 50 µM 引物(每种) | 6 µL |
| Rnase-Out (Invitrogen) | 1 µL | Platinum Taq Hi Fi Enzyme (Invitrogen) | 6 µL | Platinum Taq Hi Fi Enzyme (Invitrogen) | 12 µL |
| Superscript III (200 U/µL) (Invitrogen) | 0.5 µL | 分子生物学级水 | 468 µL | 分子生物学级水 | 1086 µL |
表1. 单基因组测序的cDNA和PCR反应体系。
| P6-RT 1 PCR 程序 | Env 1 PCR 程序 |
| 1. 94°C 持续 2 分钟 | 1. 94°C 持续 2 分钟 |
| 2. 94°C 持续 30 秒 | 2. 94°C 持续 30 秒 |
| 3. 94°C 持续 30 秒 | 3. 52°C 持续 30 秒 |
| 4. 72°C 持续 1 分钟 30 秒 | 4. 72°C 持续 1 分钟 |
| 5. 返回步骤 #2,共 44 个循环 | 5. 返回步骤 #2,共 44 个循环 |
| 6. 72°C 持续 3 分钟 | 6. 72°C 持续 3 分钟 |
| 7. 4°C 保温 | 7. 4°C 保温 |
| P6-RT 2 PCR 程序 | Env 2 PCR 程序 |
| 1. 94°C 持续 2 分钟 | 1. 94°C 持续 2 分钟 |
| 2. 94°C 持续 30 秒 | 2. 94°C 持续 30 秒 |
| 3. 55°C 持续 30 秒 | 3. 56°C 持续 30 秒 |
| 4. 72°C 持续 1 分钟 | 4. 72°C 持续 45 秒 |
| 5. 返回步骤 #1,共 40 次(总计 41 个循环) | 5. 返回步骤 #1,共 40 次(总计 41 个循环) |
| 6. 72°C 持续 3 分钟 | 6. 72°C 持续 3 分钟 |
| 7. 4°C 保温 | 7. 4°C 保温 |
表4. 单基因组测序实验的PCR扩增仪反应条件。
| 反应 | 引物 | 序列 |
| P6-RT cDNA | 3500- | 5' CTATTAAGTATTTTGATGGGTCATAA 3' |
| env cDNA | E115- | 5'AGAAAAATTCCCCTCCACAATTAA 3' |
| P6-RT 1. PCR | 3500- | 5' CTATTAAGTATTTTGATGGGTCATAA 3' |
| P6-RT 1. PCR | 1849+ | 5' GATGACAGCATGTCAGGGAG 3' |
| P6-RT 2.PCR | 1870+ | 5' GAGTTTTGGCTGAGGCAATGAG 3' |
| P6-RT 2.PCR | 3410- | 5' CAGTTAGTGGTATTACTTCTGTTAGTGCTT 3' |
| env 1. PCR | E115- | 5'AGAAAAATTCCCCTCCACAATTAA 3' |
| env 1. PCR | E20+ | 5'GGGCCACACATGCCTGTGTACCCACAG 3' |
| env 2. PCR | E30+ | 5'GTGTACCCACAGACCCCAGCCCACAAG3' |
| env 2. PCR | E125- | 5'CAATTTCTGGGTCCCCTCCTGAGG 3' |
| P6-RT 测序 | 2030+ | 5'TGTTGGAAATGTGGAAAGGAAGGAC 3' |
| P6-RT 测序 | 2600+ | 5'ATGGCCCAAAAGTTAAACAATGGC3' |
| P6-RT 测序 | 2610- | 5'TTCTTCTGTCAATGGCCATTGTTTAAC3' |
| P6-RT 测序 | 3330- | 5'TTGCCCAATTCAATTTTCCCACTAA 3' |
| env 测序 | E30+ | 5'GTGTACCCACAGACCCCAGCCCACAAG3' |
| env 测序 | E125- | 5'CAATTTCTGGGTCCCCTCCTGAGG 3' |
表5. 单基因组测序实验的引物。

图1. 单基因组测序检测(SGS)流程概览。

图 2. 单拷贝检测(SCA)流程概览。

图 3. 单拷贝检测的板式设置。

图 4. 来自 ABI 7700 的截图。A. 显示 HIV-1 RNA 标准曲线及患者样本,B. 显示加入患者样本的 RCAS 标准曲线。
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接受联合抗逆转录病毒治疗(cART)或自然控制感染的 HIV-1 感染者病毒载量极低,通常约为每毫升血浆 1 个拷贝4, 11, 12, 17, 18。自然控制感染的患者其病毒载量通常在个体特定的设定点附近波动1, 2, 17。本文所述检测方法的灵敏度高度依赖于血浆的输入体积。通常我们使用 7 ml 血浆,但根据实际血浆病毒载量的不同,使用更少量的血浆也可获得阳性结果。本文描述的 RNA 提取方法是一种“自配”方法,较为耗时。我们发现该提取方法非常可靠,且比现有的商业化 RNA 提取试剂盒更有效。血浆质量对获得产物至关重要。血浆先前的冻融过程或在高于 -80 摄氏度的温度下储存会损伤 RNA,降低获得产物的可能性。在超速离心前,强烈建议对血浆进行“预离心”,以去除可能干扰检测的脂质、细胞及其他颗粒物。
该方案中的多个步骤已实现自动化。
SCA检测法相较于其他超敏检测方法具有更高的灵敏度优势。例如,Dornadula等人描述的实时检测法的最低检测限为每毫升血浆5.0拷贝5
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作者谨此感谢参与众多 HIV-1 研究的患者们。
J.M.C. 曾在美国癌症协会的支持下担任研究员教授,该职位由 F.M. 基尔比基金会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 随机六聚体(500 µg/mL) | Promega Corp. | C118A | |
| Taqman 缓冲液 A | Applied Biosystems | 4304441 | |
| 核糖核酸酶抑制剂 RNAsin(40 U/µL) | Promega Corp. | N211B | |
| 逆转录酶 RT enzyme(200 U/µL) | Stratagene, Agilent Technologies | 600107-51 | |
| Amplitaq Gold DNA 聚合酶 | Applied Biosystems | 4311814 | 6 瓶装 |
| Amplitaq 10X Gold PCR 缓冲液 II | Applied Biosystems | 4311814 | 随酶提供 |
| 氯化镁 25 mM | Applied Biosystems | 4311814 | 随酶提供 |
| 1M Tris-HCl 缓冲液,pH 8.0,5 mM | Invitrogen | AM9855G | |
| Superscript III 逆转录酶,200 U/µL | Invitrogen | 18080-044 | |
| Superscript III 10X 缓冲液 | Invitrogen | 随酶提供 | |
| DTT 100 mM | Invitrogen | 随酶提供 | |
| Platinum Taq DNA 聚合酶高保真酶,5 U/µL | Invitrogen | 11304-102 | |
| 10X 高保真 PCR 缓冲液 | Invitrogen | 11304-102 | 随酶提供 |
| 蛋白酶 K 20 mg/mL | Ambion | 2546 | |
| 硫氰酸胍溶液 6M | Fluka | 50983 | |
| 糖原 20 mg/mL | Roche Group | 10901393001 | |
| 异丙醇 | Sigma-Aldrich | 19516 | |
| 70% 乙醇 | Sigma-Aldrich | E702-3 | |
| 分子生物学级水 | GIBCO, by Life Technologies | 10977-015 | |
| dNTPs(各 25 mmol) | Bioline | BIO-39025 | |
| Easy Seal 离心管(16×73 mm) | Seaton Scientific | 6041 | |
| 白色 Delrin 管盖 | Seaton Scientific | 4020 | Easy Seal 管的盖子 |
| Optiseal 钟形管用试管架,8.9 mL | Beckman Coulter Inc. | 361642 | |
| 六角扳手 ½ 英寸开口 | Seaton Scientific | 4013 | |
| 管盖移除工具 | Seaton Scientific | 4014 | |
| 5 mL 刻度移液管 | Costar | 4051 | |
| Pipetboy 移液控制器 | 任意供应商 | ||
| 15 mL 转移移液管 | ISC Bioexpress | P-5005-7 | |
| 5.8 mL 一次性转移移液管,细尖头 | VWR international | 14670-329 | |
| 15 mL 离心管 | Falcon BD | ||
| 1 mL 离心管 | 任意供应商 | ||
| Tris 缓冲盐溶液片剂 | Sigma-Aldrich | T5030-100TAB | |
| 超速离心机及转子 | Sorvall, Thermo Scientific | 90SE 和 T-1270 | |
| 96 孔 PCR 板 | Bio-Rad | HSS-9601 | |
| 50 mL 试剂储液槽 | Costar | 4870 | |
| Microamp 光学 96 孔反应板 | Applied Biosystems | N801-0560 | |
| 光学板盖 | Applied Biosystems | 4333183 | |
| MicroAmp 光学压缩垫 | Applied Biosystems | 4312639 | |
| Microseal A 膜 | Bio-Rad | MSA-5001 | |
| 2 mL 离心管 | 任意供应商 | ||
| 1% 琼脂糖凝胶(E-gel,Invitrogen) | Invitrogen | G-7008-01 | |
| E-base(Invitrogen) | Invitrogen | EB-M03 | |
| EDTA 采血管,任意品牌 |
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