当前方案结合了单细胞配对的人类 T 细胞受体 α 和 β 链测序与简化流程的逆转录病毒载体构建,该载体具有兼容性 体外 和 体内 TCR 表达
方法文章
当前方案结合了单细胞配对的人类 T 细胞受体 α 和 β 链测序与简化流程的逆转录病毒载体构建,该载体具有兼容性 体外 和 体内 TCR 表达
尽管目前已开发出多种用于从单个T细胞中测序配对的T细胞受体(TCR)α链和β链的方法,但迄今为止尚无一种方法能够有效支持TCR异源二聚体的下游体内功能分析。我们建立了一种基于两步多重嵌套PCR的改进方案,可扩增出覆盖人TCR α链和β链完整可变区的PCR产物。通过识别特异的限制性酶切位点并将这些位点引入PCR引物中,我们使PCR产物能够直接亚克隆至慢病毒载体模板中。所获得的慢病毒载体编码一种带有小鼠胞内区的嵌合型人/小鼠TCR,可在小鼠细胞或体内小鼠模型中发挥功能。总体而言,本文所述方案将人源单细胞配对TCR α链和β链的鉴定与高效构建慢病毒表达载体相结合,所获载体可便捷地用于体外和体内TCR表达研究。本视频及配套材料旨在对单细胞PCR过程提供极为详尽的说明,以便准确执行关键步骤并避免潜在问题。此外,我们还详细描述了构建表达载体所需的克隆步骤。一旦掌握,整个流程从单细胞分选到TCR表达可在短短两周内完成。
T细胞受体(TCR)决定了T细胞在发育过程、稳态/稳态维持以及外周抗原刺激期间的命运决定1,2,3。近年来深度测序技术的快速发展揭示了抗原特异性T细胞应答中先前被低估的TCR多样性。TCR多样性提示T细胞应答在功能上具有广泛的潜力。为了将TCR序列库分析与TCR功能检测相结合,测序策略应设计为与后续用于特定TCR功能分析的实验系统和体内模型相兼容。我们开发了一种高效的人源TCR序列分离方法,并可高效地亚克隆至一种嵌合人/鼠TCR载体模板中,该载体适用于在HLA人源化小鼠中表达TCR4。分离异源二聚体TCR对应的α链和β链需要从单个细胞中同时扩增两条链。尽管已有多种单细胞TCR克隆方案被开发并应用,但迄今为止尚无一种方法能简便地与高通量、高效、直接将未知Vα/Vβ TCR克隆至逆转录病毒载体的流程兼容,而此类载体是实现TCR在体内重新表达所必需的4,5,6,7。以往研究主要采用两种策略:其一是选择性扩增TCR的有限区域,足以推断其完整序列;其二是扩增完整的TCR序列4,5,6,7。通过第一种方法获得TCR序列后,其下游功能分析需要昂贵的计算机辅助组装和从头合成TCR。而第二种方法虽可提供完整的TCR序列,但人源恒定区与在小鼠模型中进行克隆TCR的体内表达不兼容。我们的方法专门设计用于与小鼠模型中TCR的体内功能分析相兼容。我们开发了一种高效且流程化的单细胞PCR方案,可将PCR产物直接亚克隆至表达载体模板中。
我们的方法采用了一种高灵敏度的两步多重嵌套PCR反应。在第一步多重反应中,使用一组包含40种特异性针对所有V-β链的引物和另一组包含44种特异性针对所有V-α链的引物,在无需预先知道序列的情况下扩增TCR-α或TCR-β(表1)。正向引物包含一个接头序列,该序列会被整合到PCR产物的5'端。反向引物则基于TCR的恒定区设计。我们已鉴定出在人类可变区或连接区TCR中均不存在的独特限制性酶切位点,并将这些位点整合到新设计的TCRα和TCRβ引物中(图1)。在第二步嵌套反应中,使用针对接头序列的特异性引物以及位于恒定区内的嵌套反向引物,进一步扩增TCR链,从而提高特异性(表1,图1)。在完成单细胞分离后,经过两轮PCR反应(第一轮使用Vα和Vβ引物混合物,第二轮使用接头引物),可获得可直接亚克隆至逆转录病毒载体模板中的PCR产物。最终的TCR构建体将在一个开放阅读框(ORF)内编码人可变区与鼠恒定区的组合,并通过“自剪切”蛋白序列P2A连接(hVα-mCα-P2A-hVβ-mCβ)8。P2A序列已在多个系统中被广泛应用,并已针对TCR表达进行了广泛验证8,9,10,11。尽管翻译后大部分P2A序列仍通过柔性连接子附着于α链的C末端,而β链信号序列额外含有一个脯氨酸,但该修饰对TCR功能无不利影响。构建体中使用鼠源恒定区而非人源,是为了避免在小鼠细胞中重新表达时与下游信号组分发生潜在的异常相互作用。该单一ORF可实现α链和β链的化学计量比独立表达9,11。本方案基于广泛可获取的试剂和方法,设计为高效、简化的操作流程。尽管我们已专门将该技术用于检测与自身免疫性糖尿病相关的自身反应性T细胞中的TCR,但我们预期该方案也可广泛适用于识别和功能评估针对自身免疫表位、肿瘤表位或病原体及疫苗应答的特异性人类TCR。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 鉴定目标T细胞群体。
注意:可将抗原特异性增殖与细胞分裂染料(如羧基荧光素琥珀酰亚胺酯,CFSE)结合使用,以根据T细胞对抗原刺激的增殖反应进行分离。若起始材料为外周血单个核细胞(PBMCs),建议培养7天 体外 扩增应足以鉴定出抗原特异性的CFSE低表达群体12.
2. 设置单细胞分选。
3. 进行多重巢式 PCR
注意:所有预混液均应在无模板的洁净区域配制,以避免污染。
4. α和β PCR链的亚克隆。
注意:第一轮反应中使用的正向引物池,以及第二轮 PCR 反应中的反向引物池,用于引入限制性酶切位点。因此,所获得的α链和β链 PCR 产物已可依次亚克隆至模板逆转录病毒载体中(图 1)。
5. 验证 TCR 细胞表面表达及特异性。
注意:使用 HEK293T 细胞检测 TCR 链的正确配对及细胞表面表达(图 3A)8。转染后的 HEK293T 细胞也可进行肽-MHC 四聚体染色,以检测 TCR 基因分离后抗原特异性的保留情况(图 3B)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在步骤 3.2.7 中通过将第二次反应的 5µL 产物在琼脂糖凝胶上电泳来检测多重巢式 PCR 反应的效率(图 2)。通常,TCR-beta 扩增的效率预计约为 80%,而 TCR-alpha 反应的效率通常较低,约为 50%4。只有成对的 TCR-alpha 和 TCR-beta 链可用于 TCR 表达;然而,所有 PCR 产物均可进行测序,以获得 TCR 序列及免疫组库信息。
基因沉默将使得单个T细胞仅表达一条TCR-β链。然而,T细胞仍可能重排第二条TCR-α链,约25%的T细胞会表达第二条同相框的TCR-α链14。因此,预期分离获得的部分TCR-α链可能是次级α链,而非“正确”的α链。次级α链通常与TCR-β链并非最佳结合伙伴;因此,并非所有克隆获得的TCR都能形成稳定的复合物并在细胞表面表...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在本实验方案中,我们描述了一种高效的单细胞TCR扩增方法,并随后将成对的TCR α链和β链亚克隆至一种模板逆转录病毒表达载体中。尽管目前已开发出多种单细胞PCR方案,但迄今为止尚无一种方法可直接与表达载体的亚克隆兼容。在大多数情况下,仅扩增包含高度可变CDR3区的部分序列,其长度足以推断出可变区序列。这种较小的PCR产物有助于提高PCR效率,但后续功能研究需要进行de novo TCR基因合成。本方案在保持先前发表的以CDR3为重点的单细胞TCR测序方法高效性的同时,能够获得更长的扩增子,其中包含完整的可变区序列,适用于直接克隆。因此,该系统在提供定量序列信息的同时,也具备更高的灵活性和功能性输出能力。
根据所研究的科学问题,分析的T细胞来源和特异性可能有所不同。然而,如果项目最终目标是分析体内 TCR功能,则必须明确分离所得T细胞的HLA限制性。本实验方案专门设计为适用于HLA人源化小鼠中体内 TCR表达。目前已成功构建多种此类小鼠,且已有商业化产品,包括HLA-A2.1、HLA-DQ8(HLA-DQA1*301, HLA-D...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由 JDRF 1-FAC-2014-243-A-N、ADA 7-14-JF-07、NIH 5 P30 DK079638-05 PILOT PJ 以及罗伯特和简·麦克奈尔基金会资助。
感谢Sandra Pena和Andrene McDonald在患者招募方面的帮助,Samuel Blum提供的技术协助,以及George Makedonas博士提供的用于PCR优化的抗体和对照DNA。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CFSE | eBioscience | 65-0850-84 | 5 mM |
| 抗人 CD4(OKT4)BV421 | Biolegend | 317433 | 2 mg/mL |
| 抗人 CD3(OKT3)PerCP/Cy5.5 | Biolegend | 317336 | 2 mg/mL |
| 抗小鼠 CD3 AF647 | Biolegend | 100322 | 2.5 mg/mL |
| 重组RNA酶抑制剂 生物技术级 2.5KU | VWR | 97068-158 | 0.7 U |
| Applied Biosystems 高容量 cDNA 反转录试剂盒 | Invirtogen | 4368814 | 9 U(RT酶) |
| NF-H2O:无核酸酶水 1000 mL | Invirtogen | AM9932 | |
| Gotaq DNA聚合酶 2500U | VWR | PAM3008 | 1 U |
| 96孔半裙边PCR板 | Phenix | MPX-96M2 | |
| MicroAmp 透明粘性封膜 | ThermoFisher | 4306311 | |
| UltraPure 琼脂糖 | Invirtogen | 15510-027 | |
| SnaBI | New England Biolabs | R0130 | 15 U(插入片段)30 U(载体) |
| SacII | New England Biolabs | R0157 | 40 U(插入片段)80 U(载体) |
| MfeI | New England Biolabs | R3589S | 40 U(插入片段)80 U(载体) |
| BstBI | New England Biolabs | R0519 | 40 U(插入片段)80 U(载体) |
| 小牛肠碱性磷酸酶(CIP) | New England Biolabs | M0290S | 10 U |
| 快速连接酶 | New England Biolabs | M2200S | |
| Wizard Plus 质粒小提 DNA 纯化系统 | Promega | A1460 | |
| Wizard Plus 中量质粒DNA纯化系统 | Promega | A7640 | |
| DNA 纯化 & 浓缩仪-25 试剂盒 | Genesee Scientific | 11-304C | |
| ZR-96 DNA 纯化 & 浓缩仪-5 试剂盒 | Genesee Scientific | 11-306A | |
| QIAquick 凝胶回收试剂盒 | Qiagen | 28704 | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | Qiagen | 28104 | |
| DH5α 感受态细胞的亚克隆效率 | 赛默飞世尔科技 | 18265017 | |
| Transit LT-1 转染试剂 1 mL(转染试剂) | Mirus | MIR2300 | |
| BD FACS Aria II(分选仪) | BD | ||
| BD Fortessa(流式细胞仪) | BD |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可