本文介绍了用于鉴定以下两类分子的实验方案:1)促进节肢动物传播病毒(arbovirus)复制的病毒编码免疫调节因子;2)限制节肢动物传播病毒复制的真核宿主因子。这些基于荧光和发光的检测方法使研究人员能够在信号-背景比低的简单实验体系中,快速获得节肢动物传播病毒复制的定量结果。
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本文介绍了用于鉴定以下两类分子的实验方案:1)促进节肢动物传播病毒(arbovirus)复制的病毒编码免疫调节因子;2)限制节肢动物传播病毒复制的真核宿主因子。这些基于荧光和发光的检测方法使研究人员能够在信号-背景比低的简单实验体系中,快速获得节肢动物传播病毒复制的定量结果。
基于RNA干扰和基因组编辑的筛选平台已被广泛用于鉴定限制病毒复制的宿主细胞因子。然而,这些筛选通常是在对所研究病毒病原体天然易感的细胞中进行的。因此,在对照条件下病毒的高效复制可能会限制此类筛选的动态范围。此外,如果病毒已很好地适应宿主并具备对抗抗病毒防御的能力,则这些筛选可能难以有效识别限制病毒复制的细胞防御通路。本文中,我们描述了一种探索病毒-宿主相互作用的新范式,即利用以节肢动物传播病毒(如水疱性口炎病毒,VSV)天然流产性感染为核心的筛选方法。尽管VSV能够在多种双翅目昆虫和哺乳动物宿主中复制,但在来源于鳞翅目昆虫(例如舞毒蛾(Lymantria dispar))的多种细胞系中,VSV感染在进入细胞后会表现为流产性感染。然而,当宿主细胞的抗病毒防御功能受损时,这些流产性的VSV感染可以被"拯救"。我们阐述了如何将携带便捷报告基因的VSV毒株与对VSV具有限制性的L. dispar细胞系相结合,建立筛选体系以鉴定参与节肢动物病毒限制的宿主因子。此外,我们还展示了这些筛选工具在鉴定病毒编码因子方面的实用性,这些因子可通过共感染或异位表达来拯救VSV复制,包括哺乳动物病毒所编码的因子。VSV在L. dispar细胞中的天然复制限制在筛选促进VSV拯救的条件时提供了高信噪比,从而使得基于发光和荧光的简单检测方法即可用于监测VSV复制水平的变化。这些方法对于理解宿主抗病毒反应与病毒免疫逃逸因子之间的相互作用具有重要价值。
病毒能否在特定宿主中有效复制,部分取决于宿主细胞中支持病毒进入和复制的宿主因子是否可用1。病毒的宿主范围还可能由病毒对抗细胞抗病毒防御机制的能力所决定,若无法有效对抗,这些防御机制将阻碍病毒复制2,3。正是这些复杂的病毒-宿主相互作用的结果,最终决定了病毒是否能在特定宿主中完成其生命周期。鉴于病毒复制可能对宿主造成致病性后果,建立实验策略以深入理解那些可能决定感染是中止还是成功的关键病毒-宿主相互作用至关重要。阐明病毒与宿主相互作用的分子特征,将有助于开发新型及替代性的抗病毒治疗策略。
随着RNA干扰(RNAi)4,5 和基因组编辑工具(例如,CRISPR-Cas9、锌指核酸酶、TALENs)6,7 的出现,现在在全基因组范围内改变细胞因子的表达并研究这些改变对病毒复制的影响已成为可行的实验手段。事实上,已有大量基于RNAi和基因组编辑的筛选研究在无脊椎动物和脊椎动物的宿主细胞类型中开展,揭示了病毒与宿主相互作用的新层面8,9,10,11,12。这些筛选通常采用编码报告基因的病毒,例如萤火虫荧光素酶(LUC)或荧光蛋白(例如,GFP、DsRed),从而通过定量检测病毒基因表达水平来间接反映病毒复制情况9,12。该策略使研究人员能够识别促进或抑制病毒复制的宿主因子,其依据分别为病毒报告信号的增强或减弱9,12。然而,在绝大多数情况下,这些筛选所使用的病毒均已高度适应其被研究的宿主细胞类型。尽管该策略对于理解病毒病原体与其天然宿主之间的协同进化关系具有重要意义,但在用于发现宿主抗病毒因子方面却存在根本性局限。在此类筛选中,研究者期望观察到的是RNAi敲低后病毒报告信号的增强,即某个细胞因子被抑制后原本对病毒复制的阻碍作用被解除。首先,如果病毒在对照条件下已能在宿主细胞中高效复制,则筛选的动态范围(即,区分背景信号与增强的病毒报告信号的能力)可能受限。其次,当病毒对宿主细胞高度适应,并且能够有效拮抗筛选中所靶向的宿主防御通路时,这一问题将进一步加剧。
鉴于传统病毒-宿主相互作用筛选方法存在上述问题,我们开发了一种新的研究范式,利用鳞翅目昆虫细胞中天然发生的非完整虫媒病毒感染来研究病毒与宿主的相互作用。该策略基于一个观察结果:已被广泛研究的人类虫媒病毒——水泡性口炎病毒(VSV),在舞毒蛾(L. dispar)来源的细胞中会发生非完整感染13。VSV 自然状态下由双翅目昆虫(即,白蛉)传播至哺乳动物宿主,并已被实验证实可在细胞培养和体内条件下感染多种无脊椎动物和脊椎动物宿主14。VSV 拥有约 11 kb 的负链单链 RNA 基因组,编码五种亚基因组 mRNA,每种 mRNA 翻译产生构成包膜病毒颗粒的蛋白质。然而,借助 VSV 的反向遗传系统,已可构建出除表达五种天然 VSV 基因产物外,还能表达荧光素酶(LUC)或荧光蛋白的复制能力完整的病毒株15,16,17。由于这些报告蛋白不会被整合进 VSV 病毒颗粒中,因此可作为病毒进入细胞后基因表达的便捷检测指标。我们先前的研究表明,在 LD652 细胞中,VSV 基因表达在病毒进入后即受到严重抑制,且感染后 72 小时(hpi)病毒滴度未见升高。相比之下,当 LD652 细胞同时感染 VSV 与哺乳动物痘病毒——痘苗病毒(VACV)时,VSV 的基因表达水平和病毒滴度在此时间点均呈对数级增长。VACV 在 LD652 细胞中可完成早期基因表达、DNA 复制及晚期基因表达,但其复制周期最终仍为非完整感染,原因是病毒颗粒形态发生不完全18。VACV 拥有约 192 kb 的大型 DNA 基因组,编码>200 种蛋白质,其中许多蛋白具有免疫调节功能,可通过抑制宿主免疫应答来促进病毒复制19。因此,我们推测 VACV 与 VSV 共感染时对 LD652 细胞中 VSV 复制的"拯救"作用,很可能是由 VACV 的免疫调节因子介导的,这些因子抑制了原本限制 VSV 复制的L. dispar 宿主反应。支持这一假设的是,使用宿主 RNA 聚合酶 II 抑制剂放线菌素 D 处理 LD652 细胞,同样能够恢复 VSV 在该细胞中的复制,表明依赖转录的宿主反应在病毒进入后阻断了 VSV 的复制过程13。
上述观察结果表明,LD652细胞对VSV感染的天然限制性可能在筛选可增强VSV编码报告基因信号的条件时提供相对较低的背景信号即,那些抑制宿主抗病毒防御的因子)。本文提供了利用基于荧光或荧光素酶(LUC)的检测方法来筛选能够解除鳞翅目细胞中水疱性口炎病毒(VSV)限制条件的实验方案。首先,我们展示了如何利用这些检测方法鉴定病毒编码的免疫调节因子,这些因子可在共感染实验中或通过异位表达候选病毒因子的方式打破VSV的限制。作为示例,我们说明了如何利用这些筛选技术鉴定出痘病毒编码的A51R蛋白为一类新的免疫调节因子家族,该家族可在无其他痘病毒因子存在的情况下恢复VSV的复制。13其次,我们展示了在限制性VSV-LD652细胞感染中进行RNAi筛选,可用于直接鉴定参与节肢动物传播病毒限制的真核宿主因子13.
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1. 舞毒蛾(Lymantria dispar,LD652)细胞与病毒培养通则
2. 利用共感染和活细胞成像的基于荧光的VSV拯救实验
3. 基于生物发光的LD652细胞VSV拯救实验通用病毒感染方案
4. 荧光素酶检测
5. 免疫印迹
6. 来自LD652细胞培养物的VSV滴度测定
7. 基于生物发光的VSV拯救实验在LD652细胞中的变异:RNAi与质粒转染实验
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以活细胞成像技术监测VACV共感染条件下VSV恢复情况的应用为例,将LD652细胞接种于8孔板中,随后进行模拟感染或接种VSV-DsRed(MOI = 1),同时设置有或无VACV-FL-GFP(MOI = 25)共感染的实验组。由于VSV-DsRed表达的DsRed为游离蛋白,并未与VSV结构蛋白融合(图1A),因此仅在VSV进入细胞并启动基因表达后方可被检测到。所有细胞均用细胞活力染料进行标记,该染料可自由穿过细胞质膜,并在细胞内转化为不能透过膜的产物,从而促进荧光信号在标记细胞中的保留。使用405 nm、488 nm、568 nm激光及白光滤光片,每隔5小时采集一次图像,分别用于获取细胞活力染料、VACV-FL-GFP、VSV-DsRed以及相差(PC)通道的信号,持续至感染后65小时(hpi)。在单独感染条件下,LD652细胞可限制VSV-DsRed的复制,因此仅有少量细胞呈现DsRed信号。然而,在VSV-DsRed与VACV-FL-GFP共感染的情况下,随时间推移,大多数细胞在实验结束时均表现出DsR...
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本文描述了基于荧光和发光的简单检测方法,用于筛选能够挽救VSV在限制性鳞翅目细胞培养物中复制的条件。VSV在鳞翅目细胞中的中止性感染在检测VSV基因表达时可产生极佳的信噪比。例如,单次VSV-LUC感染裂解物中检测到的发光单位(LU)信号比模拟感染裂解物高出约1000倍,但在72小时的时间过程中,这些信号仅变化约两倍。相比之下,在感染72小时时,VSV-LUC与VACV共感染导致的LU信号比单次VSV-LUC感染增强约300倍。因此,VSV挽救检测具有极佳的动态范围,跨越多个数量级。
建立这些检测方法的关键步骤之一是决定采用基于荧光还是基于发光的方法来检测VSV的拯救效果。我们已展示了如何利用活细胞成像技术及相应的软件工具,对VSV编码的DsRed信号进行定量分析,这些软件可自动量化在存在或不存在拯救性共感染情况下的DsRed阳性细胞。如果研究人员具备活细胞成像条件,这类检测方法建立成本较低,并可采集多个时间点的数据,有助于发现仅在较窄时间窗口内才可观察到的VSV复制动力学差异。相比之下,基于发光的检测本质上属于终点检测,需要在预设的时间点制备细胞裂解液,而裂解液的制备过程可能较为...
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作者无任何利益冲突需要披露。
D.G. 获得了德克萨斯大学西南医学中心冠名学者计划的资金支持。作者感谢迈克尔·惠特(Michael Whitt,田纳西大学健康科学中心)和肖恩·惠兰(Sean Whelan,哈佛医学院)提供VSV-DsRed和VSV-LUC。作者还感谢加里·卢克(Gary Luker,密歇根大学医学院)惠赠VACV-FL-GFP毒株。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6孔组织培养板 | CELLTREAT | 229106 | |
| 24孔组织培养板 | CELLTREAT | 229124 | |
| 10 cm组织培养皿 | Corning | C430167 | |
| Grace’s Insect Medium | Sigma | G8142 | |
| EX-CELL 420 | Sigma | 14420C | |
| 胎牛血清 - Optima | Atlanta Biologicals | S12450 | |
| 生长培养基 | Grace's Insect Medium 与 EX-Cell 420 无血清培养基按1:1混合,并含有1%抗生素-抗真菌素溶液和10%胎牛血清 | ||
| 抗生素-抗真菌素溶液(100×) | Sigma | A5955 | |
| Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液(DPBS) | Sigma | D8662 | |
| 无血清培养基(SFM) | Thermo Fisher | 10902096 | |
| 阿糖胞苷 | Sigma | C1768 | |
| 转染试剂 | Thermo Fisher | 10362100 | |
| Corning cellgro 二甲基亚砜(DMSO) | Corning | 25950CQC | |
| 报告基因裂解缓冲液 5x | Promega | E3971 | |
| 荧光素酶检测试剂 | Promega | E1483 | |
| 96孔微孔板 | Corning | 3915 | |
| 小鼠抗FLAG抗体 | Wako | 014-22383 | |
| 兔抗萤火虫荧光素酶抗体 | Abcam | ab21176 | |
| 小鼠抗肌动蛋白抗体 | Sigma | A2066 | |
| 小鼠抗VSV M抗体 | N/A | N/A | John Connor博士(波士顿大学) |
| 小鼠抗VACV I3L抗体 | N/A | N/A | David Evans博士(阿尔伯塔大学) |
| 8孔腔室培养皿 | Lab-Tek II | 155409 | |
| 细胞活力染料 | Thermo Fisher | C12881 | |
| FLUOstar 微孔板读数仪 | BMG Labtech | FLUOstar | |
| 共聚焦显微镜 | Olympus | FV10i-LIV | |
| 图像分析软件 | Olympus | v1.18 | cellSens软件 |
| Eppendorf 5702 通风型离心机 | Eppendorf | 22628102 | |
| Odyssey Fc 红外成像系统 | Li-COR Biosciences | Odyssey Fc | |
| LD652细胞 | N/A | N/A | Basil Arif博士(加拿大自然资源部) |
| BSC-40细胞 | ATCC | CRL-2761 | |
| BHK细胞 | ATCC | CCL-10 | |
| HeLa细胞 | ATCC | CCL-2 | |
| BSC-1细胞 | ATCC | CCL-26 | |
| 体外转录与纯化试剂盒 | Thermo Fisher | AM1626 | |
| PCR纯化试剂盒 | Qiagen | 28104 |
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