本方案描述了一种通过结合使用易错PCR合成全长突变RNA和反向遗传学技术,在丙型肝炎病毒基因组中引入可控遗传多样性的方法。该方法提供了一个表型筛选模型,可用于长达10 kb的正义链RNA病毒基因组研究。
本方案描述了一种通过结合使用易错PCR合成全长突变RNA和反向遗传学技术,在丙型肝炎病毒基因组中引入可控遗传多样性的方法。该方法提供了一个表型筛选模型,可用于长达10 kb的正义链RNA病毒基因组研究。
缺乏一种便捷的方法来迭代生成多样化的全长病毒变异体,阻碍了RNA病毒定向进化研究的进展。通过整合全长RNA基因组的易错PCR与反向遗传学技术,可诱导全基因组范围的随机替换突变。我们已开发出一种利用该技术合成多样化文库的方法,以鉴定具有特定表型的病毒突变体。该方法称为全长突变RNA合成法(FL-MRS),具有以下优势:(i)可通过高效的一次性易错PCR构建大规模文库;(ii)通过调节DNA聚合酶的保真度,可构建具有不同遗传多样性水平的文库组;(iii)生成的全长PCR产物可直接作为突变RNA合成的模板;(iv)可生成RNA,将其作为未筛选的输入池递送至宿主细胞,用于筛选具有目标表型的病毒突变体。我们通过反向遗传学方法发现,FL-MRS是一种可靠工具,可用于研究丙型肝炎病毒JFH1分离株生命周期各阶段的病毒定向进化。该技术似乎是一种不可替代的工具,可用于实施定向进化,以深入理解正链RNA病毒的适应性、复制机制、病毒基因在致病性及抗病毒耐药性中的作用。
正向遗传筛选从感兴趣的病毒表型开始,随后通过测序其基因组并与原始毒株进行比较,尝试鉴定导致该表型的突变位点。相比之下,反向遗传筛选则是先在目标基因中引入随机突变,再观察所产生的表型1。在反向遗传学方法中,体外诱变(in vitro mutagenesis)是最常用的技术,用于构建变异体文库,进而筛选感兴趣的表型。目前已报道多种可用于RNA病毒全基因组随机诱变的遗传工具,包括易错PCR(ep-PCR)2,3、环状聚合酶延伸4以及Mu转座子插入诱变5,6,7。后两种方法产生的文库序列多样性有限,且容易引入较大的插入或缺失,这对病毒而言具有高度致死性,严重限制了感染性病毒变异体的获得。
易错PCR(ep-PCR)是一种广为人知且功能强大的诱变技术,广泛应用于蛋白质工程中,用于产生突变酶,以筛选具有理想特性的表型,例如增强的热稳定性、底物特异性和催化活性8,9,10。该技术操作简便,仅需常规设备,无需繁琐的操作步骤,使用市售试剂,且耗时短;此外,还能生成高质量的突变文库。
本文中,我们开发了一种全长突变RNA合成(FL-MRS)的新方法,通过整合表型错误倾向PCR(ep-PCR)与反向遗传学技术,实现丙型肝炎病毒(HCV)完整基因组的构建。ep-PCR可诱导全基因组范围的随机碱基替换突变。对于正义单链RNA病毒([+]ssRNA),单个核苷酸的插入或缺失通常具有高度致死性;因此,基于PCR的碱基替换突变技术是构建具有较高存活率的大容量、多样性全长(+)ssRNA病毒基因组文库的首选方法。
全长突变逆转录病毒筛选(FL-MRS)是一种简单直接的方法,可通过精心设计的一组引物应用于任何基因组长度约为10 kb的正义链RNA病毒,该引物可结合病毒cDNA克隆。pJFH1是一种具有感染性的cDNA克隆,编码丙型肝炎病毒(HCV)2a基因型,能够重现病毒生命周期的全部步骤。通过采用FL-MRS方法,我们展示了可合成随机诱变的全长基因组文库(突变文库[MLs]),从而获得具有复制能力的JFH1变异体,且无需预先了解与这些突变相关的特性。在抗病毒药物作用下,部分病毒变异体迅速克服了药物压力,并表现出预期的表型改变。利用本文所述的实验方案,可生成大量病毒变异体,为研究(+)ssRNA病毒的进化提供了新的机会。
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注意:本实验所用的 JFH1 野生型(WT)毒株由日本国立感染症研究所的 Takaji Wakita 惠赠。人肝癌细胞系 Huh7.5 由洛克菲勒大学的 Charles Rice 惠赠。图 1 展示了本方法的示意图。
1. 利用易错PCR对JFH1进行全基因组替代突变
2. 病毒RNA合成
3. 估计错误引发PCR产物(突变文库)中突变的比例
注意:在此步骤中,通过亚克隆第2步获得的产物,估算核苷酸发生突变的比例,以证明采用错误倾向PCR(ep-PCR)构建遗传异质性的优势,所用材料包括两个全基因组突变文库(ML50和ML25)以及克隆来源的pJFH1病毒RNA。本研究中突变比例的估算针对HCV NS5A基因进行,该基因同时也是本研究的表型读出基因(药物抗性)。
4. Huh7.5 细胞系的病毒RNA转染
注意:使用无 RNase/DNase 的组织培养材料,并在 II 级生物安全柜中进行无菌操作。根据机构的生物安全指南,在推荐的生物安全防护设施中进行操作。
5. 病毒制备
6. 病毒滴度的定量
7. 耐药性病毒变异株的筛选
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可依据所述方案生成并筛选大量全长HCV变异体,以获得特定的耐药表型 图1全基因组突变文库使用克隆型pJFH1以递减的量(100–10 ng)合成,如图所示 图2. ep-PCR 产物(突变文库)的平均得率范围为 3.8–12.5 ng/µL. 图3 显示从克隆型 pJFH1 和代表性突变文库(ML50,使用 50 ng 克隆型 pJFH1 制备)合成的病毒转录本。克隆型 pJFH1 通过线性化处理 XbaI 消化,而ML50则直接用于 体外 转录反应。如图所示,在ep-PCR反应中,随着输入的pJFH1减少,突变文库(突变病毒RNA)中的突变比例增加。 图 4使用50 ng模板(克隆型pJFH1)合成的ML50每复制10,000个碱基对含有4个突变,而使用25 ng模板合成的ML25则含有9个突变。在克隆型pJFH1测序的核苷酸范围内未发现突变。与克隆型JFH1病毒...
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在本研究中,我们详细介绍了一种简单且快速的荧光微卫星重复序列分析(FL-MRS)流程,该流程整合了错误倾向性PCR(ep-PCR)18 以及用于合成HCV全基因组文库的反向遗传学方法,这些文库可在细胞培养系统中用于产生具有复制能力的变异体,以筛选耐药表型。使用低保真度的Taq DNA聚合酶是ep-PCR的前提条件,可在全长病毒基因组的PCR扩增过程中引入碱基替换。我们测试了多种低保真度Taq DNA聚合酶,并发现Platinum Taq DNA聚合酶可产生约10 kb大小的ep-PCR产物,且产量较高(数据未显示)。我们建议使用固定的热循环次数,并通过调整模板输入量来控制全基因组文库中的突变比例。由于FL-MRS以错误的全基因组作为全长病毒RNA的模板,因此引物组的精心设计至关重要,以确保RNA合成反应生成特定长度的病毒转录本:(i)正向引物必须位于cDNA克隆T7启动子上游约50个核苷酸处,以促进T7聚合酶与ep-PCR产物的结合;(ii)反向引物序列必须终止于病毒基因组3'端,以利于转录过程中的终止脱离 体外 RNA合成
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了印度政府生物技术部的资金支持(资助编号 BT/PR10906/MED/29/860/2014)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 kb plus DNA 标准品 | Thermo Fisher | 10787018 | |
| 1.5 ml 离心管 | Tarsons | 500010 | |
| 15 ml 离心管 | Tarsons | 546021 | |
| 35 mm 细胞培养皿 | Tarsons | 960010 | |
| 50 ml 离心管 | Tarsons | 546041 | |
| 乙酸 | Merck | A6283 | |
| 琼脂糖 | HiMedia | MB080 | |
| 琼脂糖凝胶电泳装置 | BioRad | 1704406 | |
| II 级生物安全柜 | ESCO | AC2 4S | |
| 牛血清白蛋白 | HiMedia | MB083 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5424-R | |
| CFX Connect 实时荧光定量 PCR 检测系统 | BioRad | 1855201 | |
| 90 mm 克隆平板 | Tarson | 460091 | |
| CO2 培养箱 | New Brunswick | Galaxy 170R | |
| Colibri 微体积分光光度计 | Titertek-Berthold | 11050140 | |
| DAB 底物 试剂盒 | Abcam | ab94665 | |
| dATP 溶液 | NEB | N0440S | |
| 脱氧核苷三磷酸(dNTP)溶液套装 | NEB | N0446 | |
| 焦碳酸二乙酯(DEPC) | SRL chemical | 46791 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | HiMedia | MB058 | |
| DMEM 高糖培养基 | Lonza | BE12-604F | |
| EcoR1-HF | NEB | R3101 | |
| EDTA 四钠盐二水合物 | HiMedia | GRM4918 | |
| 溴化乙锭 | Amresco | X328 | |
| 胎牛血清 | Gibco | 26140079 | |
| 甲醛 | Fishser Scientific | 12755 | |
| 凝胶成像系统 | ALPHA IMAGER | ||
| 山羊抗小鼠 IgG(H+L)二抗,HRP 标记 | Thermo Fisher | A16066 | |
| 30% 过氧化氢 | Merck | 107209 | |
| 倒置显微镜 | Nickon | ECLIPSE Ts2 | |
| LB 肉汤 | HiMedia | M1245 | |
| Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher | 116680270 | 转染试剂 |
| 机械移液器套装 | Eppendorf | 3120000909 | |
| 甲醇 | Merck | 106009 | |
| 0.2–10 µl 微量吸头 | Tarsons | 521000 | |
| 10–100 µl 微量吸头 | Tarsons | 521010 | |
| 200–1000 µl 微量吸头 | Tarsons | 521020 | |
| MOPS 缓冲液 | GeNei | 3601805001730 | |
| 非必需氨基酸(NEAA) | Gibco | 11140050 | |
| One Shot TOP10 化学感受态 E. coli | Invitrogen | C404010 | E.coli DH5α |
| Opti-MEM | Gibco | 1105-021 | 最低必需培养基 |
| 0.2 ml PCR 管 | Tarsons | 510051 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15070063 | |
| pGEM-T Easy 载体系统 | Promega | A1360 | T 载体 DNA |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | HiMedia | TI1099 | |
| Phusion 高保真 DNA 聚合酶 | NEB | M0530S | |
| Pibrentasvir | Cayman Chemical | 27546 | |
| 移液器控制器 | Gilson | F110120 | |
| Platinum Taq DNA 聚合酶 | Thermo | 10966034 | |
| Prism | GraphPad | 统计分析软件 | |
| QIAamp 病毒 RNA 小量提取试剂盒 | Qiagen | 52904 | 病毒提取试剂盒 |
| QIAprep Spin 小量提取试剂盒 | Qiagen | 27106 | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | QIAGEN | 28104 | cokum 纯化试剂盒 |
| RNeasy 小量提取试剂盒 | QIAGEN | 74104 | RNA 纯化试剂盒 |
| 25 ml 血清移液管 | Thermo Fisher | 170357N | |
| 5 ml 血清移液管 | Thermo Fisher | 170355N | |
| 10 ml 血清移液管 | Thermo Fisher | 170356N | |
| 单链 RNA 标准品 0.2–10 kb | Merck | R7020 | |
| 脱脂奶粉 | HiMedia | M530 | |
| 0.1 M 叠氮化钠溶液 | Merck | 8591 | |
| SuperScript III 逆转录酶 | Invitrogen | 18080044 | 逆转录酶 |
| T100 梯度 PCR 仪 | BioRad | 1861096 | |
| T175 细胞培养瓶 | Tarsons | 159910 | |
| T25 细胞培养瓶 | Tarsons | 950040 | |
| T7 RiboMax Express 大规模 RNA 生产系统 | Promega | P1320 | 大规模 RNA 生产系统 |
| T75 细胞培养瓶 | Tarsons | 950050 | |
| Taq DNA 聚合酶 | Genetix Biotech (Puregene) | PGM040 | |
| TaqMan RNA-to-CT 一步法试剂盒 | Applied Biosystems | 4392653 | |
| TaqMan RNA-to-CT 一步法 试剂盒 | Thermo Fisher | 4392653 | 商用 qRT-PCR 试剂盒 |
| TOPO-XL--2 完整 PCR 克隆试剂盒 | Thermo Fisher | K8050-10 | 长片段 PCR 产物克隆试剂盒 |
| Tris 碱 | HiMedia | TC072 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | HiMedia | TCL007 | |
| 吐温 20 | HiMedia | MB067 | |
| 真空浓缩仪 | Eppendorf, Concentrator Plus | 100248 | |
| 水浴锅 | GRANT | JBN-18 | |
| Xba1 | NEB | R0145S |
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