本实验方案的目的是特异性标记并选择性分离感染细胞中的病毒DNA,以用于表征与病毒基因组相关的蛋白质。
本实验方案的目的是特异性标记并选择性分离感染细胞中的病毒DNA,以用于表征与病毒基因组相关的蛋白质。
本实验方案的目的是从感染细胞中分离单纯疱疹病毒1型(HSV-1)DNA,以通过质谱技术鉴定与之相关的病毒和宿主细胞蛋白。尽管与病毒基因组相互作用的蛋白在决定感染结局中发挥关键作用,但此前尚无法对与病毒基因组结合的蛋白进行全面分析。本文展示了一种可直接从感染细胞中纯化HSV-1基因组的方法。通过在复制中的病毒DNA中选择性地掺入含有炔基官能团的修饰核苷酸对其进行标记。随后,利用铜(I)催化的叠氮-炔基环加成反应(即“点击”反应),将生物素叠氮物共价连接至标记的DNA上,实现特异性且不可逆的标记。生物素标记的DNA通过链霉亲和素包被的磁珠进行纯化,与其结合的蛋白被洗脱后通过质谱进行鉴定。该方法可实现从复杂的生物环境中选择性靶向并分离HSV-1复制叉或完整基因组。此外,该策略的进一步优化将有助于研究疱疹病毒感染的多个方面,也可用于其他DNA病毒基因组的相关研究。
病毒自身执行基本功能的能力有限,因此依赖宿主因子来促进感染过程中的关键环节,包括病毒基因表达、复制、修复、重组和转运。这些宿主因子的功能通常被病毒编码的蛋白质所增强。此外,病毒必须逃避细胞对病毒感染的识别和干扰。因此,病毒与宿主的相互作用决定了感染的结局。尤为重要的是理解病毒如何改变细胞环境,以改造细胞机制来促进病毒自身的生命活动。特别值得关注的是,在整个感染周期中,有哪些因子和过程作用于病毒基因组。
单纯疱疹病毒1型(HSV-1)是一种双链DNA病毒,可感染大部分人类群体。在感染后的第一个小时内,病毒基因组进入细胞核,在核内,病毒基因表达按一定顺序级联发生,并与病毒DNA(vDNA)复制相协调1。在细胞核内,病毒基因组会受到表观遗传调控,经历修复和重组过程,并被包装进衣壳中,使得首批子代病毒粒子在不到六小时内即可产生。在整个感染过程中对与病毒基因组相关蛋白进行全面评估,将为研究作用于病毒基因组的各类分子机制奠定基础,并有助于揭示在感染不同阶段中所涉及的病毒和宿主细胞因子。
以往研究病毒感染过程中宿主因子的方法包括利用病毒蛋白的亲和纯化来分析与其结合的细胞蛋白2,3,4,5,6,7,8,9。这些检测方法在鉴定参与宿主抗病毒反应、病毒染色质修饰、基因表达以及DNA修复的细胞因子方面发挥了重要作用。然而,难以确定这些相互作用是否依赖于与病毒DNA(vDNA)的结合,且蛋白质组学仅能揭示由特定病毒因子介导的相互作用。染色质免疫沉淀(ChIP)已被用于确定特定病毒和细胞蛋白在病毒基因组上的结合位点10,11,12,13,14,15,而荧光原位杂交(FISH)与免疫细胞化学相结合则实现了对与vDNA共定位的细胞因子的可视化检测16,17,18,19,20。这些实验方法支持对相互作用进行时空动态分析。但其局限性包括需要高度特异性的抗体、灵敏度有限,以及依赖于对病毒-宿主相互作用的先验认知。因此,我们开发了一种基于iPOND(新生DNA上蛋白的分离,isolation of proteins on nascent DNA)21和aniPOND(加速型天然iPOND,accelerated native iPOND)22的方法,可选择性地标记并从感染细胞中纯化vDNA,进而通过质谱技术无偏倚地鉴定与病毒基因组相关联的蛋白质。iPOND技术在细胞复制叉动态的研究中已发挥关键作用。
为了从感染细胞中选择性纯化病毒基因组,可利用乙炔基修饰的核苷类似物5-乙炔基-2′-脱氧尿苷(EdU)或5-乙炔基-2′-脱氧胞苷(EdC)对正在复制的病毒DNA(vDNA)进行标记(图1),随后通过点击化学反应将其共价连接至生物素叠氮化物,从而实现病毒基因组及其相关蛋白在链霉亲和素包被的磁珠上的单步纯化(图2B)。重要的是,感染实验在静止期细胞中进行,这些细胞不进行细胞DNA复制,从而确保vDNA的特异性标记。此外,HSV-1感染可导致细胞周期阻滞并抑制细胞DNA复制23,24。病毒可在感染前预先标记,用于分析与进入细胞的病毒基因组相关的蛋白质(图1A);也可在DNA复制过程中进行标记,用于分析与新合成vDNA相关的蛋白质(图1B)25。此外,脉冲追踪分析可用于研究与病毒复制叉相关蛋白的性质(图1C)26。另外,乙炔基修饰的vDNA还可共价连接荧光染料,用于研究蛋白质动态的空间分布(图2A和图3)。成像技术可直接可视化vDNA,是验证vDNA-蛋白质相互作用的补充方法,并可被改造用于追踪整个感染过程中病毒基因组的动态变化。我们预计,这些方法可进一步改进,用于研究疱疹病毒感染的各个方面,包括潜伏感染与再激活过程,也可拓展至其他DNA病毒的研究。此外,使用5-乙炔基尿苷(EU)进行标记,还可用于RNA病毒基因组的分析。
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1. 细胞培养、病毒感染与EdC标记(图1)
以下方案涉及病毒操作。请参阅您所在机构关于病毒及其他生物制剂安全操作的生物安全规程。本方案已获匹兹堡大学机构审查委员会批准。
2. EdC标记DNA的成像(图2A)
注意:在实验中,将成像与病毒基因组纯化方法结合使用,有助于验证细胞DNA是否被标记。成像还可用于观察标记病毒DNA的特征,并验证蛋白质组学数据。细胞和病毒DNA染色模式的示例如图3所示。
3. vDNA 及其相关蛋白的纯化
注意:本方案的多个方面已根据 Leung et al.22 的方法进行了调整。
注意:所有缓冲液和试剂在使用前应置于冰上预冷,除非另有说明,所有操作步骤均应在冰上进行。
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利用点击化学方法从细胞中纯化DNA最早由iPOND技术实现21。iPOND的目的是纯化细胞中的复制叉,以鉴定与其相关的蛋白质。我们已对该技术进行改进,专门用于研究病毒感染过程中病毒DNA(vDNA)与蛋白质的相互作用。通过改造该方法,使用EdC标记病毒基因组(图1),并结合同步化感染,可实现对不同vDNA群体的选择性分离与分析。HSV-1 DNA通过EdC标记(图1),便于共价连接荧光染料用于成像或连接生物素用于纯化(图2)。病毒可在感染前预先标记,以分析与进入细胞的基因组相关联的蛋白质(图1A);也可在DNA复制过程中进行标记,以分析与新合成的vDNA相关联的蛋白质(图1B)25。...
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本方案包含多个步骤,若未仔细操作,可能导致蛋白质得率显著降低或样品被细胞DNA污染。所有实验必须使用处于静止期的细胞,以确保细胞DNA不会被标记并纯化。这一点可通过检测蛋白质样品中是否存在细胞DNA聚合酶来验证,因为HSV-1在基因组合成过程中不利用细胞DNA聚合酶。在EdC标记和细胞核收集步骤中,应错开处理各样品,以确保每个样品的处理条件一致。在纯化过程中,应避免通过过度移液操作细胞核。过度移液可能导致细胞核提前裂解,并因样品黏附于移液枪头内壁而造成损失。此外,超声处理步骤应根据不同的超声仪进行优化,且用于结合生物素的链霉亲和素包被磁珠的用量应进行滴定,以获得最佳的蛋白质得率。
本实验方案可进行多种修改,包括使用不同的病毒或细胞类型,或增加蛋白质与DNA交联的步骤。在选择用于蛋白质组学研究的细胞类型时,重要的是要确认该物种是否存在可用的蛋白质序列数据库。缺乏蛋白质组学资源将显著限制后续的蛋白质数据分析。另一个局限性是需要大量细胞,因此可能难以为此实验准备足够的原代细胞(如神经元)。只要病毒感染不依赖于细胞DNA复制,该方法应适用于其他DNA或RNA病毒。此外,研究HSV-1突变体...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Hannah Fox 在准备本手稿过程中提供的帮助。本工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)资助 R01AI030612 的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MRC-5 细胞 | ATCC | CCL-171 | |
| 胎牛血清(FBS) | 吉布科(Gibco) | 26140-179 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | 吉布科(Gibco) | 12800-082 | 添加 10% FBS、2 mM L-谷氨酰胺、12 mM (用于瓶中培养)或 30 mM(用于皿中培养)碳酸氢钠 |
| 600 cm2 组织培养皿 | 赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific) | 166508 | |
| Tris 缓冲盐水(TBS),pH 7.4 | 137 mM NaCl、5 mM KCl、491 mM MgCl、680 mM CaCl、25.1 mM Tricine | ||
| HSV-1 储备液 | 滴度高于 1×109 PFU/mL 的储备液效果最佳 | ||
| Sephadex G-25 柱(PD-10 脱盐柱) | GE 医疗集团(GE Healthcare) | 17085101 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 费希尔科技(Fisher Scientific) | D128-1 | |
| 5´-乙炔基-2´-脱氧胞苷(EdC) | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | T511307 | 溶于 DMSO 配制成 40 mM 储备液,分装后于 -20 °C 保存 |
| 2´-脱氧胞苷(deoxyC) | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | D3897 | 溶于水配制成 40 mM 储备液,分装后于 -20 °C 保存 |
| 核提取缓冲液(NEB) | 现配现用(20 mM Hepes pH 7.2、50 mM NaCl、3 mM MgCl2、300 mM 蔗糖、0.5% Igepal) | ||
| 细胞刮刀 | 贝尔科玻璃(Bellco glass) | 7731-22000 | 使用前高压灭菌 |
| 台盼蓝溶液 | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | T8154 | |
| PBS,pH 7.2(10x) | 1.37 M NaCl、27 mM KCl、100 mM Na2HPO4、18 mM KH2PO4(使用前用无菌水稀释至 1x) | ||
| 五水合硫酸铜(CuSO4-5H2O) | 费希尔科技(Fisher Scientific) | C489 | 配制 100 mM 储备液,4 °C 保存不超过 1 个月 |
| (+) L-抗坏血酸钠 | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | A4034 | 新鲜配制 100 mM 储备液,使用前置于冰上保存 |
| 生物素叠氮化物 | 英维特罗根(Invitrogen) | B10184 | 用 DMSO 配制成 10 mM 储备液,分装后于 -20 °C 保存,最长可保存 1 年 |
| 点击反应混合液 | 使用前立即按指定顺序加入试剂配制(10 mL:8.8 mL 1x PBS、200 mL 100 mM CuSO4、25 mL 10 mM 生物素叠氮化物、1 mL 100 mM 抗坏血酸钠) | ||
| 完全蛋白酶抑制剂混合液 | 罗氏(Roche) | 11697498001 | 溶于 1 mL 水中配制成 50x 储备液,4 °C 保存不超过 1 周,或直接将 1 片加入 50 mL 缓冲液中 |
| 冻存缓冲液 | 现配现用(7 mL 100% 甘油、3 mL NEB、200 μL 50x 蛋白酶抑制剂) | ||
| 缓冲液 B1 | 现配现用(25 mM NaCl、2 mM EDTA、50 mM Tris-HCl pH 8、1% Igepal、1x 蛋白酶抑制剂) | ||
| 缓冲液 B2 | 现配现用(150 mM NaCl、2 mM EDTA、50 mM Tris-HCl pH 8、0.5% Igepal、1x 蛋白酶抑制剂) | ||
| 缓冲液 B3 | 现配现用(150 mM NaCl、2 mM EDTA、50 mM Tris-HCl pH 8、1x 蛋白酶抑制剂) | ||
| 配备 3 mm 微型探头的 Vibra Cell 超声波处理器 | Sonics | VCX 130 | |
| 细胞筛 | 法尔肯(Falcon) | 352360 | |
| Dynabeads MyOne 链霉亲和素 T1 磁珠 | 生命技术公司(Life Technologies) | 65601 | |
| DynaMag-2 磁力架 | 生命技术公司(Life Technologies) | 12321D | |
| 微型管旋转仪 | 费希尔科技(Fisher Scientific) | 260750F | |
| 2x Laemmli 上样缓冲液 | 将 400 mg SDS、2 mL 100% 甘油、1.25 mL 1 M Tris(pH 6.8)和 10 mg 溴酚蓝溶于 8 mL 水中。4 °C 保存不超过 6 个月。使用前加入 1 M DTT 至终浓度 200 mM。 | ||
| 1.5 mL 管帽锁 | 费希尔科技(Fisher Scientific) | NC9679153 | |
| 常规 Western 印迹试剂 | |||
| NOVEX 胶体蓝染色试剂盒 | 英维特罗根(Invitrogen) | LC6025 | |
| 12 孔组织培养皿 | 康宁(Corning) | 3513 | |
| 盖玻片 | 费希尔科技(Fisher Scientific) | 12-545-100 | 使用前高压灭菌 |
| 显微镜载玻片 | 费希尔科技(Fisher Scientific) | 12-552-5 | |
| 16% 戊二醛 | 电子显微镜科学公司(Electron Microscopy Sciences) | 15710 | 使用前用 1x PBS 稀释至 3.7% |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 费希尔科技(Fisher Scientific) | BP1605 | 用 1x PBS 配制成 3% |
| 通透缓冲液(0.5% Triton-X 100) | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | T8787 | 用 1x PBS 配制成 0.5% Triton-X 100 |
| 点击反应混合液 — Click-iT EdU Alexa Fluor 488 成像试剂盒 | 分子探针(Molecular Probes) | C10337 | 按照制造商说明书配制 |
| Hoechst 33342 | 生命技术公司(Life Technologies) | H1399 | 用纯水配制成 10 mg/mL,4 °C 保存不超过 1 年 |
| 小鼠抗 ICP8 一抗 | Abcam | ab20194 | 用 1x PBS 按 1:200 稀释 |
| 小鼠抗 UL42 一抗(2H4) | Abcam | ab19311 | 用 1x PBS 按 1:200 稀释 |
| 山羊抗小鼠 594 标记二抗 | 生命技术公司(Life Technologies) | a11005 | 用 1x PBS 按 1:500 稀释 |
| Immu-mount 封片剂 | 赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific) | 9990402 | |
| 2x SDS-碳酸氢盐溶液 | 2% SDS、200 mM NaHCO3 | ||
| 苯酚:氯仿:异戊醇 | 按 25:24:1 混合,至少在使用前 1 天配制,4 °C 避光保存 | ||
| 氯仿:异戊醇 | 按 24:1 混合,至少在使用前 1 天配制,室温避光保存 | ||
| 10x Tris EDTA(TE),pH 8.0 | 100 mM Tris、10 mM EDTA(使用前稀释至 1x) | ||
| Qiaquick PCR 纯化试剂盒 | 凯杰(Qiagen) | 28104 | |
| 3 M 乙酸钠,pH 5.2 | |||
| Qubit 2.0 荧光计 | 英维特罗根(Invitrogen) | Q32866 | |
| Qubit dsDNA HS 检测试剂盒 | 英维特罗根(Invitrogen) | Q32851 | |
| Qubit 检测管 | 英维特罗根(Invitrogen) | Q32856 | |
| 配备成像软件的荧光显微镜 | |||
| 适用于 1.5 mL 管的微量离心机 | |||
| 适用于 15 和 50 mL 管的台式离心机 | |||
| 细胞培养箱 | |||
| 生物安全柜 | |||
| 加热块 | 65 °C 和 95 °C |
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