本方法利用宿主范围选择及重组病毒的可视化鉴定,实现“无痕”重组痘苗病毒的构建。
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本方法利用宿主范围选择及重组病毒的可视化鉴定,实现“无痕”重组痘苗病毒的构建。
痘苗病毒(VACV)在根除自然界中的天花病毒(VARV,即天花的致病因子)方面发挥了关键作用。自首次被用作疫苗以来,VACV 已被开发为治疗性疫苗的载体以及溶瘤病毒。这些应用利用了 VACV 基因组易于操作和宿主范围广泛的优势,使其成为构建具有多种治疗用途的重组病毒的优秀平台。目前已开发出多种生成重组 VACV 的方法,包括标记物筛选法和瞬时显性筛选法。本文介绍了一种宿主范围筛选法的优化方案,并结合重组病毒的可视化鉴定。该方法利用宿主抗病毒蛋白激酶 R(PKR)所产生的选择压力,以及表达与 mCherry 融合标签的 E3L 蛋白(VACV 的两种 PKR 拮抗蛋白之一)的荧光融合基因。该表达盒包含目的基因和 mCherry-E3L 融合基因,两侧为来源于 VACV 基因组的序列。在目的基因与 mCherry-E3L 之间设有一个较小区域,其序列与 3’ 臂的前约 150 个核苷酸相同,以促进同源重组并在筛选后丢失 mCherry-E3L 基因。我们证明,该方法可在多种细胞类型中高效、无缝地生成重组 VACV,且无需药物筛选或对突变病毒进行大量筛选。
痘苗病毒(VACV)在成功根除自然界中的人类病原体天花病毒(VARV)的过程中发挥了关键作用。自从天花病毒被消灭以来,包括痘苗病毒在内的痘病毒在人类和动物医学中持续被用作有效的治疗性病毒。例如,基于痘苗病毒的狂犬病病毒疫苗在欧洲1和美国2预防森林型狂犬病传播方面已取得显著成效。最近,表达多种抗肿瘤分子(例如单链抗体或人促红细胞生成素)的重组痘病毒作为溶瘤剂已展现出令人鼓舞的应用前景3,4,5。痘苗病毒作为载体尤其具有吸引力,因为它易于进行遗传操作,具有广泛的宿主范围,并且在多种条件下稳定性良好,便于运输并可在现场维持疫苗活性6,7。尽管已开发出多种技术用于实验室研究和疫苗制备中重组痘苗病毒的构建,但目前的病毒构建策略仍存在明显局限性。
由于VACV具有多种用途,人们已开发出多种生成重组病毒的策略。第一种策略利用同源重组,将包含目的转基因和可筛选标记基因(如抗生素抗性基因)的表达盒导入病毒基因组。该表达盒两侧各带有约500个核苷酸(nt)或更长的同源臂,可引导基因插入病毒基因组的特定位点,并通过双交换事件实现稳定整合8,9,10。该策略快速且高效;然而,其结果会在病毒基因组中残留标记基因等额外遗传物质,可能产生意想不到的影响。此外,由于可用的独特筛选标记数量有限,该方法在可引入的转基因数量上存在实际的上限。瞬时显性筛选(TDS)策略通过促进生成"无痕"重组病毒,解决了这一问题11。在该策略中,含有突变VACV基因和可筛选标记基因的质粒被整合到病毒基因组中,但无需额外的侧翼VACV DNA序列。该方法通过单次交换事件实现整个质粒的瞬时整合,并导致VACV基因发生重复。该中间产物在持续施加筛选压力的条件下保持稳定,从而可富集该结构。当撤去筛选压力后,VACV基因的重复序列可介导第二次交换事件,导致质粒被清除,并以大约50:50的比例生成野生型(wt)或重组病毒。尽管TDS无需稳定插入外源DNA即可产生重组病毒,但仍需通过测序分析对多个病毒克隆进行筛选,以鉴定出具有预期突变的克隆,这一步骤可能耗时且成本较高。
本文介绍一种结合了上述各种方法优点的重组痘病毒构建策略,该策略类似于此前报道的用于复制缺陷型改良安卡拉痘苗病毒(modified vaccinia Ankara)的方法12,13,14。该策略结合了可视化筛选与宿主范围选择,通过双交换事件快速获得重组病毒,随后利用同源重组去除可筛选标记基因。该方法能够在实现同源重组介导的突变体快速构建的同时,兼具TDS方法"无痕"的特点,且无需额外的筛选步骤来区分野生型与突变型病毒。本方法采用宿主范围选择替代抗生素筛选,避免了化学试剂可能引起的细胞系表型改变。在本策略中,我们选用宿主抗病毒蛋白激酶R(PKR)作为筛选因子以构建重组VACV。PKR在多数细胞类型中以无活性的单体形式表达15。当其N端的双链RNA(dsRNA)结合域与双链RNA(dsRNA)结合后,PKR发生二聚化并发生自磷酸化16。活化的PKR可磷酸化真核翻译起始因子2(eIF2)的α亚基,最终抑制起始甲硫氨酰-tRNA向核糖体的递送,从而阻断细胞内蛋白质翻译,并广泛抑制多种病毒科的复制17,18。
针对PKR广泛而强大的抗病毒活性,许多病毒已进化出至少一种策略以阻止PKR的激活。大多数痘病毒表达两种PKR拮抗蛋白,分别由VACV中的E3L和K3L基因编码,这两种蛋白通过两种不同的机制抑制PKR19。E3通过结合双链RNA来阻止PKR的同源二聚化20,21,而K3则作为假底物抑制剂,直接结合活化的PKR,从而阻断其与底物eIF2α的相互作用22。重要的是,这两种PKR拮抗蛋白并不一定能够抑制来自所有物种的PKR。例如,绵羊痘病毒的K3同源蛋白能强烈抑制绵羊的PKR,而绵羊痘病毒的E3同源蛋白则未表现出显著的PKR抑制作用23,24。在本研究中,我们介绍了一种方法,利用PKR介导的选择性压力结合荧光筛选,构建一种E3L和K3L基因缺失的VACV重组病毒(VC-R4),该病毒无法在具有功能性PKR的多种物种来源的细胞中复制。这种重组病毒为快速构建在天然E3L启动子调控下表达外源基因的重组病毒提供了优良的遗传背景。
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1. 构建重组载体
2. 重组病毒的制备
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我们采用 图1 所示的流程,通过在已缺失 K3L 的病毒(vP872)中将 E3L 替换为 EGFP,构建了一种缺失两种 PKR 拮抗剂 E3L 和 K3L 的 VACV。 图2 显示,在 PKR 功能完整的 RK13 细胞中出现红色荧光蚀斑,表明病毒表达了 mCherry-E3L;同时,在 RK13+E3L+K3L 细胞中观察到 EGFP 的表达,证实了 E3L 的缺失以及 mCherry-E3L 筛选标记的丢失。 图3 进一步证实,这种缺失两种 PKR 拮抗剂的重组病毒 VC-R4 无法在 PKR 功能完整的 RK13 细胞中复制,而表达 E3L 的亲本病毒 vP872 则具有复制能力。为了确认该病毒在 RK13 细胞中复制失败的原因仅在于 E3L 的缺失,我们利用相同的筛选流程,将 VC-R4 中的 EGFP 替换回 E3L,从而构建了回复突变病毒。 图3 同时验证了该回复突变病毒在 RK13 ...
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本文介绍了一种瞬时标记选择策略的改进方法32,用于构建不含外源DNA的重组痘苗病毒。该策略利用宿主抗病毒蛋白PKR介导的选择压力,而非抗生素等其他形式的选择压力。使用宿主抗病毒基因可避免药物诱导的细胞表型改变,或因筛选药物导致突变风险增加的问题。此外,与药物筛选不同,本方法不存在滞后阶段,因为PKR在所有细胞中均组成型表达。基于mCherry表达的次级视觉筛选也提高了该方法的特异性,确保在第一轮筛选中仅挑选表达外源基因的噬斑;同时,在筛选已丢失mCherry-E3L基因的成熟重组病毒时,该标记同样可高效发挥阴性选择标记的作用。
该重组策略最关键的步骤是构建合适的重组载体,以及进行适当的噬斑纯化,以确保所选病毒为克隆来源。本文建议采用“Gibson 组装”法来构建重组载体。该方法效率极高,可在一天内完成重组载体所有片段的组装。然而,由于短3’臂与长3’臂具有相同的序列,这些片段在克隆反应过程中可能相互连接,导致部分载体中缺失mCherry-E3L表达盒。根据我们的经验,这种情况较为罕见,但在克隆后确认载体结构仍属必要。我们亦曾使用传统的...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
该项目由美国国立卫生研究院(AI114851)资助给SR。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2X-Q5预混液 | NEB | M0492L | PCR中使用的高保真聚合酶 |
| 氨苄青霉素 | ThermoFisher Scientific | 11593027 | 细菌筛选剂 |
| 一次性细胞刮刀 | ThermoFisher Scientific | 08-100-242 | 用于收集感染细胞的细胞刮刀 |
| EVOS FL Auto 2细胞成像系统 | ThermoFisher Scientific | AMAFD2000 | 荧光显微镜 |
| EVOS光源立方体,GFP | ThermoFisher | AMEP4651 | GFP立方体 |
| EVOS光源立方体,RFP | ThermoFisher | AMEP4652 | RFP立方体 |
| GenJet | SignaGen Laboratories | SL100489 | 转染试剂 |
| LB(Luria Bertani)肉汤 | Gibco | 10855021 | 细菌培养基 |
| Monarch DNA凝胶回收试剂盒 | NEB | T1020L | 用于纯化扩增子和线性化载体的凝胶纯化试剂盒 |
| Monarch质粒小提试剂盒 | NEB | T1010L | 用于质粒纯化的小提试剂盒 |
| NanoDrop One | ThermoFisher Scientific | ND-ONE-W | 用于测定RNA和DNA浓度的分光光度计 |
| NEBuilder预混液 | NEB | E2621L | 用于构建重组载体的等温酶促连接试剂盒 |
| Q500超声破碎仪 | Qsonica | Q500-110 | 用于病毒裂解物的超声处理 |
| RK13细胞 | ATCC | CCL-37 | 兔肾细胞 |
| VWR多孔细胞培养板 | VWR | 10062-892 | 细胞培养板 |
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