我们在此描述 体外 通过乙型肝炎病毒感染系统生成乙型肝炎病毒DNA,并利用反向巢式PCR对其(1–2拷贝)整合进行高灵敏度检测。
我们在此描述 体外 通过乙型肝炎病毒感染系统生成乙型肝炎病毒DNA,并利用反向巢式PCR对其(1–2拷贝)整合进行高灵敏度检测。
乙型肝炎病毒(HBV)是一种常见的经血液传播的病原体,可因慢性感染导致肝癌和肝硬化。该病毒通常通过一种游离的DNA中间体进行复制;然而,尽管这种整合形式并非病毒复制所必需,已观察到HBV DNA片段整合入宿主基因组的现象。目前,HBV DNA整合发生的具体目的、时机及机制尚不明确,但近期数据显示,这种整合在感染后极早期即可发生。本文中 体外 详细描述了HBV DNA整合的生成与检测方法。本方案可特异性扩增病毒-细胞DNA整合的单拷贝,实现对连接序列的绝对定量和单碱基对分辨率分析。该技术已应用于多种HBV易感细胞类型(包括原代人肝细胞)、多种HBV突变体,并可联合不同药物处理条件使用。我们预计该技术将成为解析这一临床相关现象背后分子机制的关键检测手段。
乙型肝炎病毒(HBV)是一种双链DNA病毒,可导致终身慢性感染,进而引发肝硬化和肝细胞癌(HCC)。1,2,3. 尽管存在多种驱动HBV持续存在的分子机制4 (例如, 表观遗传病毒转录模板的高稳定性、免疫监视逃逸以及肝细胞在肝脏中的低更新率,及其相关的肝细胞癌(HCC)发生风险5,6 (例如, 慢性炎症和细胞应激通路的激活)与乙型肝炎病毒(HBV)DNA整合至宿主细胞基因组之间存在关联(上述两种现象已有报道的机制之一),但该领域的研究仍十分有限。主要原因在于缺乏合适的 体外 用于HBV的感染系统,可可靠检测整合事件。本文描述了一种近期开发的方案,适用于两者 体外 HBV DNA 整合的产生与检测,可用于阐明其潜在的分子机制及后果。
HBV的复制以及HBV DNA整合的形成此前已有详细综述7。简而言之,HBV利用钠-牛磺胆酸共转运多肽(NTCP)作为主要的细胞受体进入肝细胞8,9。含有HBV松弛环状DNA(rcDNA)基因组的HBV核衣壳进入细胞核,在核内rcDNA被转化为游离型的共价闭合环状DNA(cccDNA)。核内的cccDNA作为病毒mRNA和前基因组RNA(pgRNA)的转录模板10。随后,HBV聚合酶和pgRNA被包装至新形成的核衣壳中(由HBV核心蛋白二聚体组成)。在核衣壳内,HBV pgRNA发生逆转录,生成松弛环状DNA(rcDNA)基因组或双链线性DNA(dslDNA)基因组11,12。最终,这些含有HBV DNA基因组的成熟核衣壳被包膜并以病毒颗粒形式释放出去。
包膜颗粒感染肝细胞并携带双链线性DNA分子可能导致病毒整合至宿主细胞基因组13,导致HBV DNA的复制缺陷型形式7,14,15乙型肝炎病毒DNA整合发生在染色体双链DNA断裂位点15越来越多的证据表明,每次整合事件均基本随机地发生在宿主细胞基因组的不同位置16,17此外,HBV DNA 整合的发生率相对较低,约为每 10 个中 1 次4 细胞13,18,19,20关于HBV DNA整合,仍有一些重要问题尚未解答,特别是涉及其确切的分子通路、对病毒和宿主因素的依赖性、整合形式所表达的病毒抗原,以及这些抗原对病毒持续存在的可能贡献。7我们已建立了一个 体外 模型以阐明其中一些问题。
HBV DNA 整合事件的罕见性(无论是在每细胞的整合率还是每个独特整合事件的拷贝数方面) 体外 乙型肝炎病毒(HBV)感染模型使其难以被检测。在我们的实验中,细胞有丝分裂受到限制。 体外 系统,因为分裂中的细胞不支持高效感染。因此,与患者肝组织中肝细胞发生显著克隆扩增的情况不同18,19,20,每个感染细胞池中每种整合序列仅有极少拷贝(1到2个) 体外我们还发现,整合主要发生在肝细胞的初始感染期间(而非慢性感染的肝细胞中持续发生)13因此,仅仅通过延长细胞培养时间并不能增加HBV DNA的整合。
通常,以往用于检测整合型HBV DNA的方法,包括Southern印迹杂交21,22,23,24,25、Alu-PCR26,27、介导连接PCR28以及全基因组测序29,30,31,32,33,均缺乏检测单拷贝整合事件的灵敏度。我们及其他研究人员已采用反向巢式PCR(invPCR)来检测感染肝脏中鸭、土拨鼠和人类的嗜肝DNA病毒DNA整合13,14,18,19,34,35,36。其他研究者对invPCR技术引入了程序性改进,这些改进可能影响假阳性信号的产生,并限制定量能力37。若按照本实验方案所述操作,invPCR是一种特异且灵敏的检测方法,可识别并以绝对拷贝数对多个HBV DNA整合事件进行定量。该方法可实现HBV-细胞DNA连接区域的单碱基对分辨率测序,从而支持对整合位点处病毒与宿主DNA序列进行生物信息学分析13。
我们此前已描述过38 来自多种来源的HBV感染组织DNA的invPCR结果,包括速冻肝组织、石蜡包埋肝切片以及通过激光显微切割分离的极小组织样本19. 本方案概述了一种改进的反向PCR(invPCR)检测方法,该方法使用从细胞培养来源的组织中提取的DNA进行检测 体外 感染,其中整合的拷贝数较低(每次整合1–2个拷贝)。所形成的HBV DNA整合片段 体外 在细胞基因组中的分布以及整合的病毒序列内部的连接位置方面,与患者组织中发现的情况相似13,16,提示在感染的肝脏中存在类似的通路。
1. 细胞感染与DNA提取
2. DNA 片段的倒位
3. 巢式 PCR
4. PCR 产物纯化与凝胶回收
5. 序列分析
反向PCR技术的示意图如下所示 图1成功的反向PCR的琼脂糖凝胶电泳示例结果如图所示 图2 PCR产物分离前后 图3 显示步骤5.1中BLAST分析结果,分别对应以下两种情况:(i) 病毒-细胞DNA连接区的扩增;(ii) 乙型肝炎病毒(HBV)DNA复制中间体的扩增。
阳性对照的预期结果:按照上述方法(图1)使用肝素纯化的HBV病毒液感染Huh7-NTCP细胞,可作为阳性对照。在此情况下,每个样本在第二次或第三次1:3稀释后应获得单一的PCR产物(相当于每次稀释约含104个细胞当量,图2)。在这些稀释度下,约50%的产物代表真实的病毒-细胞DNA连接结构,其余一半则代表HBV DNA中间体的扩增产物(图3)。
在以往的研究中13我们发现病毒-细胞连接位点重复出现的情况极少,表明HBV DNA整合并无细胞基因组上的偏好性位点。我们还发现 >80%的病毒-细胞连接位点位于核苷酸1732至1832之间(依据HBV基因型D的核苷酸编号,GenBank登录号#U95551.1),其中后者代表HBV dslDNA形式的右端末端。通过本方法检测到的真实病毒-细胞连接位点序列如下 体外 实验数据已在 GenBank 公开提供(登录号 MH057851 至 MH058006)。
阴性对照的预期结果:未感染的 Huh7-NTCP 细胞或经 Myrcludex B 预处理的接种 Huh7-NTCP 细胞均可作为阴性对照。对这些细胞中提取的 DNA 进行 InvPCR 分析时,不应产生任何 PCR 产物。将这些阴性对照样本与阳性样本在同一块 PCR 板上运行,可用于检测巢式 PCR 过程中的交叉污染。检测交叉污染最严格的方法是在 96 孔板上将阴性对照样本置于 A-D 行,阳性样本置于 E-H 行。在此情况下,阳性样本最高浓度的稀释液应与阴性样本最低浓度的稀释液相邻排布。若在阴性对照样本中观察到扩增产物,应采取讨论部分建议的措施以最大限度减少交叉污染事件。

图1:检测HBV DNA整合的反向PCR(invPCR)流程示意图。 HBV感染后,仅有少数Huh7-NTCP细胞中含有HBV双链线性DNA(红色)整合至宿主细胞基因组(红色),如上部所示。随后从细胞中提取总DNA(步骤1),进行反向连接(步骤2),并通过巢式PCR扩增(步骤3)。图中显示了在切除的病毒-细胞DNA连接区域中限制性内切酶位点(NcoI 和 BsiHKAI)的相对位置。本图改编自先前发表的研究13。请点击此处查看该图的高清版本。

图2:成功进行反向PCR(invPCR)后的琼脂糖凝胶电泳及后续凝胶回收。 “M”代表DNA分子量标记物。每行12个孔表示PCR板上单一稀释度的技术重复。每块PCR板/琼脂糖凝胶可同时运行两个反向DNA样本。各稀释度的PCR产物应以约1:3的比例逐级稀释。通常只需从两个最低浓度稀释度中提取产物,其中单一条带易于分离,因为乙型肝炎病毒(HBV)DNA整合率由终点稀释法确定。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:invPCR 产物序列的 BLAST 分析。 由于 Sanger 测序可产生较长的序列片段,因此 DNA 序列的来源通常明确无误。在上图面板中,由 Sanger 测序生成的 FASTA 序列文件在不同区域均显示出与 HBV 及宿主细胞基因组的强比对信号,提示存在真实的病毒-细胞 DNA 连接区。在下图面板中,序列仅与 HBV 基因组的片段比对,提示该产物来源于重排的 HBV DNA 基因组的扩增。 请点击此处查看此图的放大版本。
在进行本实验方案之前,需要注意的是,该反向PCR(invPCR)检测是一种高度敏感的技术,能够扩增单拷贝的DNA模板。因此,防止PCR产物污染至关重要。为减少PCR产物污染,可采取以下通用策略:(i)为实验的不同步骤设立物理上相互隔离的操作区域。每个区域应配备专用的实验服,且在不同区域间移动时必须更换手套。以下区域按污染风险从高到低排序列出:PCR产物提取及测序反应体系构建区域(PCR后操作区);PCR模板添加及灼烧接种针转移区域(我们使用带有去污染紫外灯的PCR操作台,效果良好);DNA提取及反向转化操作区域(PCR前操作区);以及 "无需DNA模板" 仅用于配制母液和PCR溶液的区域。(ii)注意实验室内的气流可能引起的交叉污染。特别是在火焰灭菌针头转移步骤中,PCR反应最容易发生交叉污染,从而导致整合频率的定量结果不准确。可使用PCR专用通风罩以减少此类气流干扰。阴性对照孔(例如, Myrcludex B 处理的样本或无模板对照)也可用于检测 PCR 中的交叉污染。(iii)定期使用 DNA 降解溶液擦拭移液器和工作台面,以减少潜在的 PCR 污染物。
本方案旨在检测源自 HepAD38 细胞系的已知感染性 HBV 克隆的整合情况42。如果所使用的接种物为不同 HBV DNA 序列(例如,来自患者血清),则应首先对 HBV 基因组进行测序,以确认 PCR 引物和反向设计的兼容性。在先前发表的研究中19,我们使用了三组引物,它们结合于预期 HBV DNA 整合位点两侧的保守 HBV DNA 序列。已有其他引物序列和方案被用于确定 HBV 的基因组序列44,45,46,47,48 ,也可能成功应用。
此外,可使用不同的乙型肝炎病毒(HBV)易感细胞(例如,原代人肝细胞、分化的HepaRG细胞、HepG2-NTCP细胞);然而,我们发现,在考虑扩增的病毒-细胞DNA连接数量与扩增的病毒中间体DNA数量之比时,Huh7-NTCP细胞具有最高的信噪比13。特别是,像原代人肝细胞或分化的HepaRG细胞这类终末分化的细胞不能有效进行有丝分裂,导致细胞内残留高水平的可扩增HBV DNA复制中间体。我们发现,在终末分化细胞中,约90%的扩增序列代表HBV DNA重排(而非整合事件),而在肝癌细胞系中该比例为70–50%13。这些产物通常是HBV DNA基因组,其表面抗原和核心开放读码框存在大片段缺失,或代表在SphI位点之前含有额外NcoI位点的HBV准种。这些HBV物种的扩增方法(包括示意图)此前已有详细描述13。
该方法存在若干缺点。由于该实验方案耗时较长且需要多天完成,反向PCR不适用于对大量样本进行高通量分析。此外,由于本方法依赖于有限稀释滴定法,因此在定量方面精确度不高;尽管如此,它应能轻松检测到整合频率的对数水平变化。
此外,我们的反转录检测方案仅适用于检测发生在HBV基因组DR2与DR1区域之间的整合事件,因为大多数HBV整合事件均发生于该区域49NGS对HBV患者组织的分析表明,有相当一部分(高达约50%)可能也出现在该区域之外49新的invPCR设计理论上能够检测这些其他整合位点,尽管据我们所知,目前尚未有相关实验实施。此外,由于反转反应需要在病毒-细胞连接序列的下游存在特定的限制性内切酶位点,invPCR无法检测发生在HBV基因组DR2和DR1区域内的全部整合事件。即, 我们估计,使用该方法可检测到约10%的所有整合事件。 计算机模拟 模拟13然而,当应用于处理种类较少的集中样本批次时,反向PCR(invPCR)是目前唯一可用于在单碱基对分辨率下检测整合型HBV DNA的实用方法。
因此,我们设想该方法将在发现诱导乙型肝炎病毒(HBV)DNA整合的因素方面发挥关键作用,这些因素包括病毒因素(通过HBV接种物的突变)、细胞因素(通过特异性细胞基因的敲除或过表达,或通过应用各种药物)以及环境因素(例如,暴露于氧化应激)。借助本方法及新开发的HBV感染系统,我们能够以前所未有的方式控制这些因素,从而将其有效分离并进行更深入的表征。我们还预期,这将有助于深入理解HBV DNA整合对细胞造成的后果,包括整合形式在多大程度上表达病毒抗原(例如,HBx或HBsAg50)、这种表达受到何种调控,以及HBV整合是否显著改变细胞表型,使其向更具促癌状态转变。这些未来研究的结果将对慢性乙型肝炎的治疗策略以及对病毒本身的基础认知产生深远影响。
S.U. 是保护 Myrcludex B 作为 HBV/HDV 入侵抑制剂的专利的共同申请人和共同发明人。T.T. 宣布不存在利益冲突。
本工作获得了德国感染病研究中心(DZIF)、肝炎研究项目5.807和5.704、德国研究基金会(DFG)TRR179(课题组15)以及澳大利亚艾滋病和肝炎病毒学研究中⼼的资助。
我们感谢William Mason教授在开发原始invPCR方法以及向我们演示该技术过程中所做出的贡献。我们感谢Yi Ni博士和Florian A. Lempp博士提供试剂(细胞系和乙型肝炎病毒接种物)。我们感谢Anja Rippert、Franziska Schlund、Sarah Engelhardt以及Katrin Schöneweis博士在技术方面提供的协助。我们感谢Miriam Kleinig对文稿的校对,同时感谢Nicholas Shackel教授和Ralf Bartenschlager教授持续的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Dulbecco’s PBS | PAA | H15-002 | |
| DMEM 培养基 | Thermo Fisher Scientific | 41965 | |
| 胎牛血清 | PAA | A15-151 | 使用前需热灭活 |
| 青霉素,10,000 U/mL;链霉素,10 mg/mL,100× | PAA | P11-010 | |
| L-谷氨酰胺,200 mM | PAA | M11-004 | |
| 胰蛋白酶,0.5 mg/mL;EDTA,0.22 mg/mL,1× | PAA | L11-004 | |
| 聚乙二醇(PEG),分子量 8000 | Sigma-Aldrich | 89510 | 以 1×PBS 配制成 40% w/v 储存液,使用前高压灭菌 |
| 用于光谱分析的二甲基亚砜(DMSO) | Merck | 102950 | |
| 替诺福韦酯 | Sigma-Aldrich | CDS021622 | 溶于 DMSO |
| 拉米夫定 | Sigma-Aldrich | L1295 | 溶于 DMSO |
| NucleoSpin 组织提取试剂盒 | Macherey Nagel | 740952.250 | |
| NanoDrop 2000/2000c 分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
| NcoI-HF | NEB | R3193L | |
| T4 DNA 连接酶 | NEB | M0202T | |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma-Aldrich | L3771 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | 433209 | |
| 葡聚糖(35–45 kDa) | Sigma-Aldrich | D1662-10G | |
| 无水乙醇 | Sigma-Aldrich | 32205-1L-D | |
| BsiHKAI | NEB | R0570L | |
| SphI-HF | NEB | R3182L | |
| Amplitaq Gold Taq 试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | 4331816 | 用于第一轮巢式 PCR |
| 96 孔 PCR 板用硅胶密封垫 | Biorad | 2239442 | |
| DNAZap PCR DNA 降解溶液 | Thermo Fisher Scientific | AM9890 | |
| 96 孔 PCR 板 | Sigma Aldrich | CLS6509 SIGMA | |
| 96 针复制器 | Thermo Fisher Scientific | 250520 | |
| GoTaq Flexi PCR 试剂盒 | Promega | M8295 | 用于第二轮巢式 PCR,使用绿色缓冲液以便琼脂糖凝胶上样 |
| Biozym LE 琼脂糖 | Biozym | 840004 | |
| QIAEX II 凝胶回收试剂盒 | QIAGEN | 20051 |