ほぼ同質遺伝子のウイルス間の成長競争は、相対的な複製適応度を決定するための高感度な測定を提供します。ここで説明するプロトコルには、組換えHIV-1クローンの構築、ウイルスの増殖と増殖の競合、および高感度で一貫性のある結果を得るために最適化された分析方法が含まれます。
ほぼ同質遺伝子のウイルス間の成長競争は、相対的な複製適応度を決定するための高感度な測定を提供します。ここで説明するプロトコルには、組換えHIV-1クローンの構築、ウイルスの増殖と増殖の競合、および高感度で一貫性のある結果を得るために最適化された分析方法が含まれます。
In vitroフィットネスアッセイは、HIV-1などのウイルスに対するウイルス複製の適合性を決定するための不可欠なツールです。ウイルス複製の適応度を推定するために、感染ユニットあたりのウイルス粒子の数、細胞培養の増殖速度、マルチサイクル成長競争アッセイから得られる相対適応度など、さまざまな測定値が使用されています。成長競争アッセイは、ウイルスが同じ増殖条件下で細胞標的をめぐって競合しているため、特に感度の高い適応度の測定を提供します。成長競争アッセイを実施する際には、感染の多様性(MOI)、サンプリング時間、ウイルス検出および適応度の計算方法など、考慮すべきいくつかの実験要因があります。各因子は最終結果に影響を与える可能性があるため、実験計画では慎重に検討する必要があります。ここで紹介するプロトコルには、新しい組換えHIV-1クローンの構築から、成長競争アッセイの実施、実験結果の分析までのステップが含まれています。このプロトコルは、以前に示された実験パラメータ値を利用して、一貫性のある堅牢な結果をもたらします。いくつかのパラメータは、研究対象の細胞タイプとウイルスに応じて調整する必要があるため、代替案について説明します。このプロトコールには、2つの代替ウイルス検出法が含まれており、機器、試薬、専門知識の入手可能性がラボによって異なるため、柔軟性を提供します。
ウイルス複製適性は、与えられた環境で1感染性の子孫を生成するウイルスの能力として定義され、2時間かけて集団レベルでのウイルス変異の有病率を決定する重要な要因です。 in vivoでのように、トレーニングの研究では、in vitroでの様々なそのようなHIV-1などの病原性ヒトウイルス、と現実的ではないですし、ex vivoでの複製フィットネスアッセイは、薬剤耐性および免疫回避突然変異から生じるフィットネス、上位性と進化への影響を研究するために開発されてきましたウイルス集団3-6の。異なるフィットネスアッセイの中で、成長競合アッセイは、in vivo 1,7,8 で起こるように、2つ以上のウイルス変異体は、正確に同じ環境条件下で同じ細胞集団のために競うように、フィットネス差のより感度の高い、有効な対策をもたらすと認識されています。成長競合実験を開始する前に、いくつかのvariabレ感染の異なる多重度(MOI)を用い、ウイルスの入力比、および分析のためのサンプリングのタイミングを含む、決定する必要があります。我々は、ウイルスの増殖速度のと競合実験の結果に、これらのパラメータの影響を研究している、および細胞培養9中のHIV-1のフィットネスの強固な測定のために必要な重要な要素を同定しました。
変数をアッセイに加えて、成長の競合実験においてウイルス変異体を定量するための様々な方法があります。バルク10,11またはクローンの配列決定12,13は、目的の部位(複数可)でのヌクレオチドの頻度に基づいて、競合するウイルスの割合を決定するために使用されてきました。相対的なフィットネスは、時間をかけて、この比率の変化に由来します。 DNAシークエンシングサービスが広く利用可能であるように、この方法が便利です。並列対立遺伝子特異的配列決定(PASS)メソッドは、複数の部位で配列決定および組換え体14の検出を可能にが、それはまた、特別に開発試薬および検出システムを必要とします。本質的に、これらの方法は、関心領域内のヌクレオチドの差異の数が少ないウイルス株を研究するために開発されました。他の方法は、4,7,17,19ヘテロトラッキングアッセイ(HTA)、配列決定によって競合ウイルスを区別するためにタグとして4,16-18小さなレポーター遺伝子15または同義突然変異を使用するか、または転写定量的リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応を逆転します関係なく、配列類似性の競合株を研究するために適用することができるこれらの全て(RT-qPCRの)15,16,18,20、。追加のステップは、ウイルスゲノムにタグを導入するために必要であり、RT-のqPCRアッセイはまた、特異的な試薬や機器を必要とします。我々は、バルクサンガー配列決定の利回り同等の結果9。
成長競争に続いて、ウイルス複製のフィットネスは、相対フィットネス、またはTとフィットネス比として提示されていますウイルスの変異体をめざし。ウイルスの相対的な適応は、接種物中または2つの競合するウイルス間の正味の成長率の差としての最初の割合によって正規化ウイルス変異体の最終的な割合として定義することができます。我々は、後者の方法は、唯一の指数増殖期内の縦のデータポイントを使用して、最も強力な結果9,20を生じたことを発見しました。
in vitroでのフィットネスアッセイは、生物学的クローン6-8とHIV-1の感染性分子クローンを研究するために主に使用されています。後者は、遺伝子操作に適している、多くの場合、特定の突然変異または関心3-5,21,22の特定の配列から、トレーニングの効果を研究するために使用されます。次のプロトコルは、ウイルスの増殖速度を、配列タグを含むHIV-1ベクターを使用して、新しいフルレングスの感染性HIV-1分子クローンを構築する目的の変異を導入、ウイルスストックを作製し、確立した時点からワークフローを記述します、相対的なフィットネスを成長競合アッセイを実施して計算する( 図1)。
当社の最適化された手順を使用して、我々は3組換えHIV-1変異体を作成し、それらの複製のフィットネスを決定しました。組換え分子クローンは、第1の合成COTB(センターオブと、pNL4-3のHIV-1 のgag-P24遺伝子領域、HIV-1実験室株NL4-3の全長感染性ゲノムを含むプラスミドを置換することによって構築されましたプロトタイプ株を作成するために、ツリー、サブタイプB) のgag-P24配列 23。単一アミノ酸変化(T186M、T242N、およびI256V)は、次の3つの変異体のクローンを作成するために導入されました。各変異体は、特定の遺伝的背景の各突然変異の適応度への影響を観察するために、プロトタイプのウイルスに対して競合させました。原型ウイルスよりもわずかに有意に低いから複製fsitnessのレベルを変化させることを実証し3の変異体。 T242N突然変異は、以前適度なfitneを有することが報告されましたSSは、本研究で示した結果と同様の24-26、コスト。他の2つの変異の適応コストは以前に報告されていませんでした。
注:このプロトコルは、以下に説明するように、任意の患者を特定できる情報は含まれていないため、ワシントン大学の治験審査委員会によるヒトテーマ研究やヒト対象の部門とはみなされません。
キメラHIV-1 NL4-3分子クローンの1建設
1.1)を増幅挿入DNA断片
1.2))(完全長感染性HIV-1サブタイプB VectorにpNL4-3を挿入断片を導入
1.3)小規模変異経由部位特異的突然変異誘発を導入
トランスフェクションを使用してウイルスストックの2世代
3.末梢血単核細胞(PBMC)のウイルスストックの感染力価を決定します
ウイルス感染力価を決定するためのHIV-1のp24 4. ELISA(酵素結合免疫吸着アッセイ)検出
注:以下のプロトコルは、我々の研究室30で製造したp24抗原捕捉プレートを使用して開発されました。市販のHIV-1のp24 ELISAプレート/キットはまた、製造業者のプロトコールに従って使用することができます。
5.ウイルス増殖速度論を確立
5.1)単一菌感染
5.2)cDNA合成(逆転写)
5.3)のcDNA定量は定量PCRシステムを使用しました
5.4)ウイルス指数増殖期を決定します
6.成長競合アッセイ
HIV-1のGag-P24における単一アミノ酸変化の適応度への影響を研究するために、我々はHIV-1 COTB-P24遺伝子23,32,33を含むpNL4-3プラスミドに変異を導入するために、オリゴヌクレオチド特異的変異誘発を使用していました。ウイルスストックは、293T細胞のトランスフェクションによって生成され、48時間後に回収しました。我々は、リード-ミュンヒ法31により各ウイルスストックの50%組織培養感染量(TCID 50)を推定しました。プロトタイプと変異体ウイルスのTCID 50は 10 4から10 5 IU / mlで( 図3A)の範囲でした。
組換えウイルスの増殖動態は、0.005のMOIで、単一のドナーからのPBMCに設立されました。 RT-qPCRを、6日間毎日ウイルスcDNAコピー数を測定しました。ウイルスRNAのコピー数の増加の減少勾配によって示されるように、すべての変異体およびプロトタイプウイルスは<(、、2日目と4日目の間に指数関数的にウイルスの増殖を遅く次のように成長しました強い>図3B)。 0日目(接種物に相当)と2日目の間のcDNAコピー数の減少は、細胞へのウイルスの吸収と1日目の洗浄(ステップ5.1.6)によって結合していないビリオンの除去によるものです。指数増殖期では、すべての3つの変異体は、原型ウイルス( 図3C)よりも遅い成長速度(g)を有していました。
すべての3つの変異体は、0.005の合計MOIで成長競合アッセイで原型ウイルス競いました。二重感染した培養物中のウイルスの増殖速度は、単一菌感染の場合と同様でした。ウイルスの指数増殖期は、2日目と4の間で、ウイルス増殖は、5日目( 図4A)の周りにプラトーに達しました。
ウイルスの増殖速度の差は経時ウイルス比率の変化に由来しました。ウイルス比はcDNAコピーの参照の数とRT-qPCRのを使用して、変異体ウイルスであり、比較ピーク高さにより計算しましたシーケンス内の2つのウイルス( 図4B)を区別するヌクレオチド部位でクロマトグラム。ピーク高さおよびウイルスRNAのコピー数の方法を用いて決定成長速度の違いは、同様の結果( 図4C)を得ました。すべての3つの変異体は、最も低いフィットネス( 図4C)を有する変異I256Vとプロトタイプのウイルスよりも低い複製のフィットネスを持っていました。

図1:本論文でのプロトコルのフロー図ウイルスストックのウイルス調製プロトコルの懸念のHIV-1組換えクローンの構築および生成。フィットネスアッセイプロトコルは、ウイルスの増殖速度を確立し、相対的なウイルスの適応度を決定するためのものです。破線は、プロトコルのための代替フローを表します。例えば、突然変異は、HIV-1 NL4-3に直接導入することができ組み換えクローンを作成することなく、分子クローン。

図2:オーバーラップ伸長PCR(A)を使用して、HIV-1 NL4-3 COTBギャグ-P24組換え分子クローンの構築キメラプライマーを設計します。 5 'プライマーの半分はNL4-3ベクター配列を含み、3'半分は、挿入配列の末端を含みます。 (B)キメラプライマーは、挿入断片、COTBのGag-P24を増幅するために使用されます。 (C)挿入断片は、新しい組換えプラスミドを生成するために第2のPCRのためのプライマーとして使用されます。

図3:PBMCにおけるウイルス増殖特性(A)ログ10 TCID 50 ウイルスストックの。 (B)MOI = 0.005で開始monoinfectionsにおけるウイルス増殖動態。パネル(B)に由来する指数増殖期(日2-4)を含む6日間の(C)は、ウイルスの増殖速度、。表示される値は、一つの実験からの3つの複製の平均を表します。エラーバーは95%信頼区間を表します。

図4:ウイルスの増殖および相対フィットネスの決定(A)二重感染したPBMC培養におけるウイルスの増殖。 T242Nプロトタイプウイルスの(B)比は、RT-qPCRをシークエンシングまたはピーク高さ法を用いて決定しました。 (C)二重感染した培養物中の変異体およびプロトタイプウイルス間ネットウイルス増殖率の差(D)、(A)に示すようにd値は、fを計算しました(B)に示したウイルスの割合データをROM。表示される値は、一つの実験からの3つの複製の平均を表します。エラーバーは95%信頼区間を表します。
組換えHIV-1分子クローンと成長競合アッセイの構築:提示プロトコルは、2つの主要な部分から構成されました。二重感染した細胞培養物中で2つのウイルスを区別するためには、競合分子クローンをRT-qPCRのプライマー - プローブアッセイにより、またはサンガー配列決定によって検出することができる配列タグを含むことが重要です。このプロトコルは、HIV-1 NL4-3 VIFの同じ領域を占有し、同じアミノ酸配列をコードするが、6同義突然変異によって異なるVifAとVIFBタグを利用します。これらの変異は影響を与えないことが示されました ウイルス複製のフィットネス20。このプロトコルで使用されるPCRベースのクローニング法は、制限部位に基づくクローニングに比べ、クローニング部位を選択する際に、より柔軟性を提供します。しかし、PCRクローニングの効率は挿入サイズが増加するにつれて減少します。インサートサイズの電流制限は〜5キロバイト34です。 PCRベースのクローニングおよび部位特異mutagenesi用S、高忠実度DNAポリメラーゼの使用は、追加の変異の可能性を低減するために重要です。生成物の十分な量を得るために必要なPCRサイクルの最小数を使用することも推奨されます。我々の経験では、我々はここで説明するPCRベースのクローニングおよび部位特異的突然変異誘発の工程の後、余分な突然変異を検出しませんでした。それにもかかわらず、PCR産物は、任意の望ましくない変異を確認するために配列決定されるべきです。理想的には、全体のHIVコード領域を再配列決定されるべきです。
少なくとも三つのサンプリング時点は指数増殖期9内で検討されるべきです。ウイルスの増殖速度は、第1の成長競争のための適切な培養期間とサンプリング時間点を決定するために、毎日のサンプリングを使用して確立されなければなりません。ウイルスの増殖速度に影響を与える要因の一つは、感染(MOI)の多重度です。それはより多くのROを得るために示されたように、このプロトコルは、単一菌感染と成長の競争の両方のために0.005の合計MOIを使用しています下のMOI 9よりバスト結果。それにもかかわらず、下側のMOIは、必要に応じてより長い指数増殖期を得るために使用されるが、結果の一貫性を犠牲にすることができます。このプロトコルは、ウイルスの適応度の差が予め概して未知であると仮定すると、50:50の初期感染率を示唆しています。ウイルス複製の動態に有意差を示唆する予備的なデータがある場合しかし、等しくない入力比の使用が適切です。これらのケースでは、70:30の感染率が少なくフィットウイルスが過剰9に配置されている大規模なフィットネス差の検出を可能にすることをお勧めします。
、ウイルスの増殖動態、及びHIV-1サブタイプBを用いた競合アッセイを最適化した成長を行うためのTCID 50を測定するためのプロトコルは、PBMCを単一のドナーからNL4-3 COTB-P24、及びPBMCをHIV-する一貫性の感受性を示しましたin vitroで 1感染。培養期間このプロトコルで提示サンプリング時点は、ヒトPBMCにおいてHIV-1 M群ウイルスを研究するために適切であると思われます。単一のソースからのPBMCを使用することは非常にウイルスの複製は、異なるドナー細胞35に変化させることができるように一貫性のある結果を得ることをお勧めします。あまり望ましくないが、置換が同じプールをすべての実験全体で使用されていることを条件として、複数のドナーからプールされたPBMCを使用することができます。別の方法としては、細胞株の使用です。ここで紹介するプロトコルは、T細胞株CEMx174 23,36で正常に使用しました。しかし、播種した細胞の数は、一貫した細胞増殖を達成するために再最適化することが重要です。それは成長の競争段階で適切なサンプリング時点を決定するために、異なる細胞株において変化する可能性があるようにウイルスの増殖速度はまた、再確立されなければなりません。
適応度を計算するためのウイルスの比を決定するために、2つの異なる方法がprotocに含まれていますOL。最初は、各サンプリング時点でのウイルスcDNAのコピー数を測定するためにRT-定量PCRを使用しています。ウイルス複製適性は、その後のcDNAコピー数に基づいて、ウイルスの比から計算しました。あるいは、ウイルスの割合はVifABタグ部位でのクロマトグラムのピーク高さの比に基づいて決定することができます。二つの方法は、比較結果( 図4)を得ました。クロマトグラムのピーク高方法が設計された配列タグなしで他のHIV-1株に適用することができます。 RT-qPCRを、ウイルスの変異体を区別するためのプライマーまたはプローブを使用することは最初に慎重に評価されなければならないために(20を参照)。しかしながら、RT-qPCRのは、指数増殖期中に最初の時点からのものなどのウイルスRNAの少量のサンプルについて良好な感度を提供します。ウイルスcDNAの直接測定は、また、RNA抽出およびcDNA合成から生じ得る技術的問題を検出することができます。配列タグとの分子クローンを使用すると、費用対効果の高いソリューションを提供するTRT-qPCRの方法Oのようなプライマーおよびプローブの2つだけのペアが複数のウイルスを研究するために必要とされます。この戦略はまた、シーケンスで、ピークの高さのばらつきの問題を回避するシーケンシングが研究中のすべてのウイルスで同じサイトで行われているように、起因隣接塩基37にクロマトグラム。 RT-qPCRのおよびサンガー配列決定のために生成されたPCR産物は、他の方法での使用は、個々のクローン12,13のバルク配列決定、HTA 4,7,17,19、またはオリゴヌクレオチドライゲーションアッセイ(OLA)38のようなウイルスの比率を決定することができ。
著者は、彼らが競合する金融利害関係がないことを宣言します。本明細書に示された意見は執筆者のものであり、公式または米国国防総省や軍の部門の見解を表すものとして解釈されるべきではありません。
これらの研究は、米国公衆衛生局の助成金P01AI057005、R01AI047734、R01AI111806、およびワシントン大学のエイズ研究センターの機能プロファイリングおよび計算生物学コア(P30 AI027757によって資金提供されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 組換えクローン | |||
| キメラプライマー/変異原性/シーケンシングプライマー | IDT | カスタムDNAオリゴ | |
| pNL4-3VifAおよびpNL4-3VifBプラスミド | ジェームズ・I・マリンズ博士(jmullins@uw.edu) | ||
| ハイフィデリティDNAポリメラーゼ | サーモサイエンティフィック | F-549S | |
| ハイフィデリティバッファー | Thermo Scientific | F-549S | |
| dNTP | Bioline | Bio-39026 | |
| サーマルサイクラー | Life Technologies | Applied Biosystems®ジェネアンプ®PCR System 9700 | |
| DNA loading dye | Thermo Scientific | R0631 | |
| 1 kb Plus DNA ladder | Invitrogen | 10787-018 | |
| QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | |
| QIAquick gel extraction kit | Qiagen | 28704 | |
| DpnI enzyme | New England Biolabs | R0176S | |
| TOP10 ケミカルコンピテンシー Escherichia coli | Invitrogen | C4040-10 | |
| ルリアブロス ベースパウダー | Invitrogen | 12795-084 | |
| カルベニシリン | 研究製品 インターナショナル | C46000-25.0 | |
| QIAprep スピン ミニプレップ キット | Qiagen | 27104 | |
| EndoFree プラスミド Maxi Kit | Qiagen | 12362 | |
| トランスフェクション | |||
| X-tremeGENE 9 DNA トランスフェクション試薬 | Roche | 6365787001 | |
| HEK 293T-17 | ATCC | CRL-11268 | |
| http://www.atcc.org/ 0.22 μmフィルタートップチューブ | VWRインターナショナル | 89220-716 | |
| 細胞培養 | |||
| DulbeccoのModified Eagle Medium(DMEM) | Life Technologies | 10566016 | |
| Iscove′s修正ダルベッコ&素数;S Medium (IMDM) | Life Technologies | 31980-030 | |
| RPMI-1640 media | Life Technologies | 61870-036 | |
| Phytohemagglutinin (PHA) | Thermo Scientific | R30852801 | |
| Human Interleukin-2 | Roche | 11147528001 | |
| Fetal bovine serum | JR Scientific | 43640 | |
| Penicillin and Streptomycin | Corning Cellgro | 30-001-CI | |
| 6ウェルプレート | VWR Scientific | 73520-906 | |
| 48ウェルプレート | VWR Scientific | 62407-338 | |
| 96ウェル平底プレート | ISC Bioexpress | T-3015-4 | |
| 96ウェル丸底プレート | BD Falcon | 353077 | |
| 1.5 ml 微量遠心チューブ | Mt. Baker Bio | MBD-1500 | |
| 1.5 ml チューブ (O リング付き | VWR Scientific | 89004-290 | |
| 50 ml コニカルチューブ | ISC Bioexpress | C-3317-6 | |
| ELISA | |||
| Triton-X 100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Invitrogen | 14190-250 | |
| ウシ胎児血清 (FBS) | Sigma-Aldrich | F0392 | |
| グリセロール | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
| ウシ血清アルブミン (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
| ウサギ抗HIV-1 SF2 p24 抗血清 | NIH エイズ試薬プログラム | 4250 | |
| ヤギ抗ウサギ HRP | KPL | 474-1516 | |
| TMBマイクロウェルペルオキシダーゼ基質 | KPL | 52-00-01 | |
| H2SO4 | Fisher Scientific | A300-500 | すべての曝露経路で重度の火傷を引き起こします。個人用保護具を使用してください。化学薬品ドラフトの下でのみ使用してください。すぐに大量の水で少なくとも15分間洗い流してください。 |
| HIV p24 標準 | AIDS and Cancer Virus program (NCI-Frederick) | ご注文の詳細については、Julian Bess, Jr. (bessjw@mail.nih.gov) までお問い合わせください。 http://ncifrederick.cancer.gov/Programs/Science/Acvp/bio/Bess.aspx | |
| マイクロプレートリーダー | Molecular Devices | VMax Kinetic ELISA Microplate Reader | |
| RNA isolation cDNA synthesis | |||
| QIAxtractor | Qiagen | http://www.qiagen.com/products/catalog/automated-solutions/sample-prep/qiaxtractor | |
| QIAamp ウイルス RNA ミニキット | Qiagen | 52906 | |
| dNTP | Bioline | Bio-39026 | |
| SuperscriptIII | Invitrogen | 18080-085 | |
| First-strand buffer | Invitrogen | 18080-085 | |
| Dithiothreitol (DTT) | Invitrogen | 18080-085 | |
| Rnase inhibitor | Roche | 3335402001 | |
| RnaseH | Invitrogen | 18021-071 | |
| qPCR | |||
| Real-time qPCR machine | Life Technologies | Applied Biosystems 7300 Real-Time PCR | |
| タクマン®遺伝子発現マスターミックス | ライフサイエンステクノロジー | ズ 4369016 | |
| フォワード、リバースプライマー | IDT | カスタムオーダー | |
| プローブ | ライフサイエンステクノロジー | ズ カスタムオーダー | |
| 光学96ウェル反応プレート | ライフサイエンス | I19N3Q216 | |
| PCR+シーケンシング | |||
| Taq DNAポリメラーゼ(バイオラーゼ) | バイオライン | Bio-21043 | |
| NH4バッファー | Bioline | Bio-21043 | |
| MgCl2 | Bioline | Bio-21043 | |
| シーケンシングプライマー | IDT | カスタムオーダー | |
| QIAxcel | Qiagen | http://www.qiagen.com/products/catalog/automated-solutions/detection-and-analysis/qiaxcel-advanced-system | |
| DNA シーケンシングサービスプロバイダー | http://www.htseq.org/ | ||
| GRCウェブツール | http://indra.mullins.microbiol.washington.edu/grc/ | ||
| ChromatQuan ウェブツール | http://indra.mullins.microbiol.washington.edu/cgi-bin/chromatquant.cgi |