本文介绍了一种利用基于荧光素酶的生长检测方法评估化学化合物对体外弓形虫(Toxoplasma gondii)细胞内生长抑制效果的实验方案。该技术通过相应靶基因的遗传敲除来验证抑制作用的特异性。以LHVS对TgCPL蛋白酶的抑制作用为例进行了评估。
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本文介绍了一种利用基于荧光素酶的生长检测方法评估化学化合物对体外弓形虫(Toxoplasma gondii)细胞内生长抑制效果的实验方案。该技术通过相应靶基因的遗传敲除来验证抑制作用的特异性。以LHVS对TgCPL蛋白酶的抑制作用为例进行了评估。
Toxoplasma gondii 是一种广泛影响人类的原虫病原体。目前用于治疗临床弓形虫病的抗生素种类有限,且在某些人群中会产生不良副作用。因此,发现治疗临床弓形虫病的新型药物势在必行。开发新型抗生素的第一步是采用高通量筛选策略,鉴定出对抑制寄生虫生长具有高效活性的化学化合物。由于Toxoplasma是一种专性胞内寄生虫,只能在宿主细胞内复制,因此无法使用光吸收度测量作为快速评估其生长的指标。本文介绍了一种基于荧光素酶的生长检测方法的详细实验方案。作为示例,该方法用于计算野生型Toxoplasma寄生虫的倍增时间,并评估吗啉脲-亮氨酰-高苯丙氨酰-乙烯基砜苯(LHVS,一种靶向半胱氨酸蛋白酶的化合物)对寄生虫胞内生长的抑制效果。此外,还描述了一种基于CRISPR-Cas9技术、利用50 bp同源序列介导同源依赖性重组(HDR)的Toxoplasma基因敲除实验方案。通过定量比较LHVS在野生型和TgCPL(Toxoplasma类组织蛋白酶L样蛋白酶)缺失型寄生虫中的抑制效果,发现LHVS对野生型寄生虫生长的抑制效率高于对Δcpl寄生虫的抑制,表明TgCPL是LHVS在Toxoplasma中作用的靶点。该基于荧光素酶的生长检测方法具有高灵敏度和操作简便的优点,适用于以高通量方式监测Toxoplasma的增殖及评估药物疗效。
Toxoplasma gondii 是一种高度成功的专性胞内寄生虫,感染了约三分之一的人类人口。其高传播率主要归因于多种传播途径,包括食用未煮熟的肉类、接触哺乳动物宿主以及出生时的先天性传播。T. gondii 主要引起机会性感染,可在免疫功能低下个体中导致严重的发病率和死亡率1,2,3,4,5,6。目前用于治疗急性弓形虫病的抗生素在治疗先天性和潜伏性感染方面效率低下,并且在部分个体中会引起严重不良反应3,7,8。因此,迫切需要发现新的治疗方法。了解Toxoplasma及其宿主之间亚细胞过程的差异,将有助于识别潜在的药物靶点。因此,需要高效且便捷的基因组操作技术,以研究单个基因在Toxoplasma中的功能。此外,Toxoplasma属于顶复门(Apicomplexa),该门还包括其他一些重要的人类病原体,如Plasmodium spp.和Cryptosporidium spp.。因此,Toxoplasma可作为模式生物,用于帮助研究其他顶复门寄生虫的基本生物学特性。
为鉴定针对微生物病原体的新型抗生素,首先需对化学化合物库进行高通量筛选,以评估其抑制微生物生长的效力。迄今为止,已有多种基于微孔板的生长检测方法被开发用于测定胞内微生物的生长情况。 T. gondii (即,放射性 3基于H-尿嘧啶掺入的定量分析9基于ELISA的定量寄生虫检测 T. gondii特异性抗体10,11,基于报告蛋白的检测,使用表达β-半乳糖苷酶或YFP的报告系统 弓形虫 菌株12,13,以及最近开发的高内涵成像检测方法14).
这些单独的策略各自具有独特的优点,但也存在一定的局限性,限制了其应用。例如,由于弓形虫(Toxoplasma)只能在有核动物细胞内复制,因此宿主细胞的自发荧光以及抗弓形虫(T. gondii)抗体与宿主细胞的非特异性结合会干扰基于荧光的检测结果。此外,放射性同位素的使用需要特殊的安全规范,并可能带来潜在的安全问题。其中一些检测方法更适合在单一时间点评估生长情况,而不适用于对生长过程进行连续监测。
本文介绍了一种基于荧光素酶的细胞内Toxoplasma生长定量方法。在先前的研究中,NanoLuc荧光素酶基因被克隆至Toxoplasma微管蛋白启动子下游,并将该荧光素酶表达载体转染至野生型(RHΔku80Δhxg株)寄生虫中,构建出RHΔku80Δhxg::NLuc株(下文简称为RHΔku80::NLuc)15。本研究中,该菌株作为测定细胞内生长和基因敲除的亲本株。利用RHΔku80::NLuc株感染人包皮成纤维细胞(HFFs)后,在96小时内连续监测寄生虫的生长情况,以计算寄生虫的倍增时间。
此外,可通过绘制LHVS对寄生虫生长的抑制效果曲线来确定其抑制效力 弓形虫 针对系列LHVS浓度的生长速率以确定IC50 值。既往文献报道,TgCPL 是 LHVS 在寄生虫中的主要靶点,且 LHVS 处理可减少急性期和慢性期的疾病发展 弓形虫 感染16,17,18,19此外,RHΔku80::NLuc 是 用作基因组改造的亲本菌株,以构建 TgCPL缺陷型菌株(RHΔku80Δcpl::NLuc),并针对该突变体检测了LHVS的抑制作用。通过观察IC50 LHVS 的数值在 TgCPL与野生型菌株相比,TgCPL 在缺陷型寄生虫中被 LHVS 在体内靶向的事实得到了验证。
本方案中使用 RHΔku80::NLuc 作为亲本菌株,该菌株缺乏高效的非同源末端连接途径(NHEJ),从而促进依赖同源性的双交换重组(HDR)20,21。此外,通过 PCR 在药物抗性盒的两端分别添加 50 bp 的同源区域。PCR 产物作为修复模板,利用基于 CRISPR-Cas9 的基因组编辑工具,通过 HDR 实现整个基因位点的删除。这些短同源区域可轻松引入引物中,为修复模板的制备提供了一种便捷的策略。本方案可经修改用于实现通用基因删除和内源基因标记。
例如,在我们最近发表的研究中,利用该方法在TgCRT(Toxoplasma氯喹抗性转运蛋白)缺陷型寄生虫中对三种蛋白酶基因TgCPL、TgCPB(Toxoplasma组织蛋白酶B样蛋白酶)和TgSUB1(Toxoplasma类枯草杆菌蛋白酶1)进行了基因敲除15。此外,还对TgAMN(一种推测的氨肽酶N [TgAMN, TGGT1_221310])进行了内源性标记15。Lourido实验室也报道使用长度为40–43 bp的短同源序列,通过类似方法在Toxoplasma基因组中实现了定点基因突变和内源基因标记22。这些成功的基因组修饰表明,在TgKU80缺陷型菌株中,40–50 bp的同源序列足以实现高效的DNA重组,这极大地简化了Toxoplasma gondii的基因组操作。
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弓形虫(Toxoplasma gondii)被归类为生物安全二级风险组(Risk Group 2),必须在生物安全二级(BSL-2)条件下操作。本方案已通过克莱姆森大学机构生物安全委员会的审查和批准。
1. 基于荧光素酶的Toxoplasma生长检测
2. 化合物对Toxoplasma生长抑制效果的评估
注意:此处以 LHVS 对Toxoplasma生长抑制作用的评估为例。针对 RHΔku80::NLuc 和 RHΔku80Δcpl::NLuc 两个菌株,分别测试八种不同浓度的 LHVS,并对三个生物学重复中的每一个进行三个技术重复。
3. 基于CRISPR-Cas9的基因敲除 弓形虫 寄生虫


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图1展示了RHΔku80::NLuc株生长曲线的一个示例及其倍增时间的相应计算方法。通常,该实验对三个生物学重复中的每一个均进行三个技术重复,以消除荧光素酶活性读数的变异。为了计算寄生虫生长的归一化倍数变化,将感染后24–96 h的每次读数除以感染后4 h的初始读数,后者反映了实验中活寄生虫的起始数量(图1A,B)。在确定寄生虫倍增时间时,将寄生虫生长归一化倍数变化的log₂值对各个时间点作图。随后,对该图进行线性回归分析以获得斜率,该斜率即代表倍增时间(图1C)。
LHVS 在野生型和 Δcpl 菌株中的抑制效果通过在
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++本方案描述了一种基于荧光素酶的方法,用于评估细胞内Toxoplasma的生长情况,并检测化学化合物对寄生虫生长的抑制效果。与现有的用于测量细胞内Toxoplasma生长的策略相比,该方法具有高灵敏度和高特异性。在监测寄生虫生长的同时,建议在透明的96孔微孔板中进行模拟实验,以确认所测试的菌株不会在评估期结束前过早裂解宿主细胞。否则,由于Toxoplasma仅在宿主细胞内复制,发光读数将无法准确反映寄生虫的生长情况。
已观察到酚红染料会迅速淬灭荧光素酶活性,由于酶标仪对各个孔的检测存在时间延迟,这可能导致技术重复样本之间的荧光素酶读数出现显著差异。因此,在将人包皮成纤维细胞(HFFs)接种至96孔微孔板之前,最好将其培养在不含酚红的培养基中。此外,在荧光素酶活性较高的情况下,相邻孔之间可能发生信号干扰,导致表现出强荧光素酶活性的邻近孔之间出现显著变异。因此,建议在每种菌株之间留出一个空列。
对于 RHΔku80::NLuc 菌株,生长实...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Sibley 博士和 Carruthers 博士分享 pSAG1-Cas9-sgRNA-TgUPRT 质粒以及抗 TgCPL 和 TgActin 抗体。本研究由克莱姆森大学启动资金(资助 Z.D.)、圣殿骑士眼科基金会儿科眼科学职业启动研究基金(资助 Z.D.)、美国国立卫生研究院 COBRE 项目 P20GM109094 的试点资助(资助 Z.D.)以及美国国立卫生研究院 R01AI143707 项目(资助 Z.D.)支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖凝胶回收试剂盒 | New England BioLabs | T1020L | |
| BamHI | New England BioLabs | R0316S | |
| Biotek Synergy H1 多功能微孔板读板仪 | BioTek Instruments | ||
| BTX Gemini 双波形电穿孔系统 | Harvard Apparatus | ||
| 化学感受态 E. coli 细胞 | New England BioLabs | C29871 | |
| CloneAmp HiFi PCR 预混液 | Takara Bio | 639298 | |
| 腔肠素 h | Prolume | 301-10 hCTZ | |
| EcoRV | New England BioLabs | R3195S | |
| Phire 组织直接 PCR 预混液 | Thermo Scientific | F170L | |
| 质粒小提试剂盒 | Zymo Research | D4054 | |
| Q5 定点突变试剂盒 | New England BioLabs | E0554S | |
| 软件 | |||
| 用于 sgRNA 设计的 Geneious 软件(版本:R11) | |||
| GraphPad Prism 软件(第 8th 版) | |||
| 用于分子克隆的 SnapGene 软件(版本:4.2.11) |
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