为深入分析呼吸道合胞病毒(RSV)RNA合成的分子机制,我们报告了一种利用分子伴侣磷酸化蛋白(P)共表达无RNA的核蛋白(N)的实验方案0用于后续 体外 病毒特异性核衣壳(NCs)的组装
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为深入分析呼吸道合胞病毒(RSV)RNA合成的分子机制,我们报告了一种利用分子伴侣磷酸化蛋白(P)共表达无RNA的核蛋白(N)的实验方案0用于后续 体外 病毒特异性核衣壳(NCs)的组装
使用真实的RNA模板对于推进病毒RNA合成的基础知识至关重要,这可以指导病毒学领域的机制发现和检测方法开发。非分段负链(NNS)RNA病毒(如呼吸道合胞病毒(RSV))的RNA模板并非单独的RNA分子,而是一种由核蛋白(N)包裹形成的核糖核蛋白复合物。尽管真实RNA模板具有重要意义,但此类核糖核蛋白复合物的生成与组装过程仍十分复杂,需要深入阐明。主要挑战在于,过表达的RSV核蛋白(N)会非特异性地结合细胞内的RNA,形成随机的类核衣壳颗粒(NCLPs)。本文中,我们建立了一种实验方案:首先通过将核蛋白(N)与分子伴侣磷酸化蛋白(P)共表达,获得无RNA的N蛋白(N0);随后将N0与含有RSV特异性RNA序列的RNA寡核苷酸组装,从而获得病毒特异性的核衣壳(NCs)。该方案展示了如何克服传统上制备此类病毒核糖核蛋白复合物所面临的技术难题。
非分段的负链RNA病毒包括许多重要的人类病原体,例如狂犬病病毒、埃博拉病毒和呼吸道合胞病毒(RSV)1,2。RSV是全球婴幼儿和老年人支气管炎及肺炎等呼吸道疾病的主要病因3。目前尚无有效的疫苗或抗病毒疗法可用于预防或治疗RSV感染4。在RSV生命周期中,其基因组作为模板,由RSV依赖RNA的RNA聚合酶进行复制,生成抗原组,而抗原组又作为模板产生子代基因组。基因组和抗原组RNA均被核蛋白(N)完全包裹,形成核衣壳(NCs)3。由于核衣壳(NCs)是RSV聚合酶进行复制和转录的模板,因此核衣壳的正确组装对于聚合酶接触模板以进行RNA合成至关重要5。有趣的是,基于对非分段负链RNA病毒聚合酶的结构分析,研究推测多个N蛋白会从核衣壳上瞬时解离,以便聚合酶接触RNA模板,并在RNA合成完成后重新结合到RNA上6,7,8,9,10,11,12。
目前,RSV RNA 聚合酶活性检测已通过使用纯化的 RSV 聚合酶和短的裸露 RNA 模板建立起来13,14。然而,RSV 聚合酶的活性尚未达到最佳状态,表现为使用裸露 RNA 模板时产生非持续性和中止性产物。缺乏与病毒特异性 RNA 结合的核衣壳蛋白(NC)是进一步深入理解 RSV RNA 合成机制的主要障碍。因此,使用真实的 RNA 模板成为推进 RSV RNA 合成基础研究的关键需求。已知的 RSV 及其他非节段负链 RNA 病毒(NNS RNA 病毒)核衣壳样颗粒(NCLPs)的结构显示,这些 NCLPs 中的 RNA 要么是随机的细胞 RNA,要么是平均化的病毒基因组 RNA15,16,17,18,19。综上所述,主要障碍在于当核衣壳蛋白(N)在宿主细胞中过表达时,会非特异性地结合细胞 RNA,从而形成 NCLPs。
为了克服这一障碍,我们建立了一种先获得无RNA的N蛋白(N0),再将N0与真实的病毒基因组RNA组装成核衣壳样颗粒(NCLPs)的方案20。该方案的原理是通过共表达N蛋白与其分子伴侣——呼吸道合胞病毒(RSV)磷蛋白的N端结构域(PNTD),从而大量获取重组的无RNA N蛋白(N0)。纯化的N0P复合物在加入RSV特异性RNA寡核苷酸后可被激活并组装成NCLPs,在组装过程中,分子伴侣PNTD会被RNA寡核苷酸置换而释放。
在此,我们详细介绍一种用于制备和组装呼吸道合胞病毒(RSV)RNA特异性纳米颗粒(NCs)的实验方案。本方案中,我们描述了分子克隆、蛋白质制备, 体外 组装及复合物组装的验证。我们重点介绍了用于分子克隆的双顺反子表达载体构建策略,以实现蛋白质的共表达。在蛋白质制备方面,我们描述了细胞培养、蛋白质提取以及蛋白复合物纯化的实验步骤。随后,我们讨论了相关方法 体外 RSV RNA特异性核衣壳的组装。最后,我们采用尺寸排阻色谱法(SEC)和负染电子显微镜(EM)对组装好的NCLPs进行表征和可视化观察。
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1. 分子克隆
注意:采用连接酶无关克隆(Ligase Independent Cloning, LIC)方法构建呼吸道合胞病毒(RSV)双顺反子共表达质粒。LIC 是 20 世纪 90 年代初开发的一种技术,利用 T4 DNA 聚合酶的 3’-5’ 外切酶活性,在载体与 DNA 插入片段之间产生互补的单链突出末端21,22。构建所用的 2BT-10 载体 DNA 在开放阅读框(ORF)的 N 端包含一个 10x His 标签(图 1)。
2. 蛋白质表达与纯化
注意:使用 E. coli 构建共表达 N 和 P 的双顺反子载体。在 37 °C 下培养细胞,但在降低的温度(16 °C)下过夜诱导表达。通过钴柱、离子交换和尺寸排阻色谱联用纯化蛋白复合物(图 2)。
3. 体外组装病毒特异性核衣壳(NC)
注意: 体外 RSV特异性核衣壳(N:RNA)的组装是通过将制备好的N蛋白与RNA寡核苷酸共同孵育完成的0P复合物与RNA寡核苷酸。随后,采用SEC色谱法将组装复合物与N分离0P 和过量 RNA(图2).
4. 制备负染网格
注意:负染电子显微镜(EM)是一种将分子吸附到碳膜上,随后嵌入一层重金属原子中的方法。负染EM可产生高对比度图像,便于观察颗粒并进行计算机对齐。另一优点是颗粒吸附到碳膜上时,通常会以较少的优势取向附着于载网。当分子处于相似取向时,易于将其分离为结构上不同的类别。因此,负染EM是指导样品制备的合适技术25,26(图3)。
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无RNA的N0P蛋白纯化
通过本方案可获得大量可溶性的RSV异源二聚体N0P复合物。在大肠杆菌(E. coli)中共同表达带有10X His标签的全长N蛋白和P蛋白的N端部分。利用钴柱、离子交换层析和尺寸排阻层析对N0P进行纯化。根据紫外吸收A260/A280比值判断,N0P包含全长N蛋白和N端P蛋白,但不含细胞RNA20(图4)。
N-RNA 的组装及负染检测
随后,我们证明了纯化的N0P 可通过与特定 RNA 寡核苷酸孵育而被激活并组装成类核质粒(NCLPs)。NCLPs 通过将 N 与特定 RNA 寡核苷酸孵育而组装0P 与 RNA 寡核苷酸以 1:1.5 的比例在室温下孵育 1 小时,然后通过凝胶过滤柱。当 N:RNA ...
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已知的非分段负链(NNS)RNA病毒的核衣壳样颗粒(NCLP)结构显示,当在细菌或真核表达系统中过表达时,组装形成的NCLP是由N蛋白与宿主细胞RNA结合形成的复合物15,16,17,18,19。以往的研究曾尝试通过多种方法获得无RNA的N蛋白,例如使用RNase A消化、高盐洗涤或调节不同pH的缓冲液以去除非特异性结合的细胞RNA28,29。然而,上述方法均未能成功用于病毒特异性核衣壳(NC)的组装。为了获得无RNA的呼吸道合胞病毒(RSV)N蛋白,我们也尝试了多种方法的组合,包括RNase A消化、高盐(1.5 M NaCl)洗涤、调节缓冲液pH值(从pH 5.0至pH 9.0)、蛋白质变性与复...
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作者无任何利益冲突需要披露。
梁实验室在埃默里大学的研究项目由美国国立普通医学科学研究所(NIGMS)、美国国立卫生研究院(NIH)资助,资助编号为 R01GM130950,以及埃默里大学医学院研究启动基金支持。作者感谢梁实验室成员提供的有益支持和富有建设性的讨论。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖 | SIgma | A9539-500G | 使用LIC方法构建质粒 |
| Amicon Ultra-15 离心过滤装置 | Millipore | UFC901024 | 浓缩蛋白样品 |
| 氨苄青霉素钠 | GOLD BIOTECHNOLOGY | 5118.111317A | 细胞培养用抗生素 |
| AseI | NEB | R0526S | 使用LIC方法构建质粒 |
| 钴(高密度)琼脂糖珠 | Gold Bio | H-310-500 | 用于纯化带His标签的蛋白 |
| Corning LSE 数字干浴加热器 | CORNING | 6885-DB | 加热样品 |
| dCTP | Invitrogen | 10217016 | 使用LIC方法构建质粒 |
| dGTP | Invitrogen | 10218014 | 使用LIC方法构建质粒 |
| 甘油 | Sigma | G5516-4L | 配制溶液 |
| HEPES | Sigma | H3375-100G | 配制溶液 |
| HiTrap Q HP | Sigma | GE29-0513-25 | 蛋白纯化 |
| 咪唑 | Sigma | I5513-100G | 配制溶液 |
| IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷) | GOLD BIOTECHNOLOGY | 1116.071717A | 诱导蛋白表达 |
| 微量离心管 | VWR | 47730-598 | 用于PCR |
| Misonix Sonicator XL2020 超声波液体处理器 | SpectraLab | MSX-XL-2020 | 用于细胞裂解的超声仪 |
| 负染网格 | Electron Microscopy Sciences | CF400-Cu-TH | 用于制备负染网格 |
| New Brunswick Innova 44/44R | eppendorf | M1282-0000 | 用于细胞培养的摇床 |
| Nonidet P-40 替代物 | Sigma | 74385-1L | 配制溶液 |
| OneTaq DNA 聚合酶 | NEB | M0480L | PCR |
| QIAquick 凝胶回收试剂盒 | QIAGEN | 28706 | 纯化DNA |
| SSPI-HF | NEB | R3132S | 使用LIC方法构建质粒 |
| Superose 6 Increase 10/300 GL | Sigma | GE29-0915-96 | 蛋白纯化 |
| T4 DNA 聚合酶 | Sigma | 70099-3 | 使用LIC方法构建质粒 |
| Thermo Scientific Sorvall RC 6 Plus 离心机 | Fisher Scientific | 36-101-0816 | 离心机,最高转速20,000 rpm |
| Trizma 盐酸盐 | Sigma | T3253-250G | 配制溶液 |
| 甲酸铀酰 | Electron Microscopy Sciences | 22451 | 配制负染溶液 |
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