私たちは、ヒト便サンプルから高品質なウイルスサイズのメタゲノム(ウイルス)を生成するための柔軟なプロトコルを提案します。もともとは土壌ウイルス学のために開発されたこのプロトコルは、ここで便サンプルに成功裏に適用され、ヒト腸内ウイルス圏の堅牢な特性解析が可能となりました。
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私たちは、ヒト便サンプルから高品質なウイルスサイズのメタゲノム(ウイルス)を生成するための柔軟なプロトコルを提案します。もともとは土壌ウイルス学のために開発されたこのプロトコルは、ここで便サンプルに成功裏に適用され、ヒト腸内ウイルス圏の堅牢な特性解析が可能となりました。
健康なヒトウイルス圏(マイクロバイオームのウイルス構成要素)を理解するには、多様なウイルスタイプにわたるウイルス群集の正確な測定が必要です。土壌ウイルス群集生態学のこれまでの経験を踏まえ、ここではヒト便サンプル中の細胞外DNAウイルスからDNAを濃集・抽出するための一連の実験的アプローチを示します。動作する一次プロトコルが提示され、各段階での逸脱オプションも示されています。一般的なアプローチは、便マトリックスから遊離ウイルス粒子を除去するために液体バッファー(デフォルト:タンパク質強化リン酸緩衝生理食塩水、PPBS)を追加し、ウイルス粒子を含む液体分画を遠心分離し、ほとんどの細胞を除去するためのろ過(デフォルト:0.2μmの孔径)を用い、ウイルス粒子の濃度(デフォルト:超遠心分離)、ウイルス溶解前にヌクレアーゼを用いた遊離核酸の除去、 そしてDNA抽出による配列決定。バッファーの種類、フィルターサイズ、濃縮方法など、代替技術も記載されています。全体として、シーケンス用の高品質なウイルスDNAを生成するための複数の選択肢が提供されています。特定の機器や資源に合わせてアプローチを調整するのではなく、プロトコルの柔軟性により、標準的な分子生物学機器を持つラボ全体で広く適用可能であるべきです。
ウイルス学、すなわち混合群集のウイルスサイズ割合の標的外メタゲノム配列決定は、培養されていないウイルスの多様性、進化、生態学に関する洞察を提供します。20年以上前に腸内ウイルス群集のカタログ化が行われ、特に海水1のような環境サンプル用に開発された手法が用いられて以来、ウイルス学的アプローチはヒトマイクロバイオーム2におけるウイルス生態学の発見を可能にし続けています。しかし、単一の普遍的なウイルス学プロトコルは存在せず、技術のバリエーションはシーケンス結果に影響を与え、最終的にはウイルス群集動態の解釈に影響を与え、研究間比較を妨げます。最適化されたプロトコルと、方法論的選択がウイルスプロファイルをどのように形成するかを徹底的に理解することが、ヒトウイルス圏を強固に特徴づけるために必要です。
汎用的なウイルス学プロトコルはありませんが、ウイルス学法の基本的な基本は、細胞外ウイルス様粒子(ウイルス粒子)をその大きさや密度に基づいて物理的に分離・濃縮し、ウイルス溶解前に細胞残骸や損なわれたウイルスカプシドから得られる遊離核酸を除去し、DNAおよび/またはRNAを抽出してシーケンスを行うことです。一部のウイルス学技術は、研究者の意図的な選択や意図しない方法論的制限として特定のウイルスタイプを選択または選択します。シリンジや真空ろ過は微生物細胞やその他のゴミを除去するために頻繁に用いられ、フィルターのサイズは回収可能なウイルスの品質や組成に本質的に影響します。例えば、ろ過はウイルスの純度を上げることができますが、より大きなウイルス粒子は除外されることがあります。超遠心分離、ポリエチレングリコール(PEG)沈殿、密度勾配超遠心分離、超ろ過などのビリオン濃縮法も、純度、スループット、設備コストのトレードオフを抱えています。複数のバッファー化学がウイルス学に効果的であることが知られています。ウイルスの特性評価に大きな影響を与えないかもしれませんが、保存および再懸濁バッファーはウイルスの回復やバイオインフォマティクス解析から生成されるウイルスプロファイルに影響を与える可能性があります10,11。最後に、自然サンプル中のウイルス核酸濃度が低いことがあるため、多くの研究ではライブラリー構築前にウイルスDNAを増幅すること(例:多重置換増幅(MDA)や配列非依存単一プライマー増幅(SISPA))など)を選びます。しかし、これらの手法のいくつかは重大なバイアスをもたらします12,13。全体として、多くのバイロミクス手法はウイルスを成功裏に生成できますが、バイアスを認め、ある程度標準化された最適化されたプロトコルがあれば、正確かつ再現性の高いウイルス研究が可能になります。
この記事では、ヒト便サンプルからウイルスを生成するための柔軟なワークフローを紹介します。実証済みの土壌ウイルス学技術14、15、16を基にしたこのプロトコルは、研究者が自身の機器や研究ニーズに合わせて調整を容易にする複数のステップを含んでいます。以下に示す標準的な土壌ウイルス法は、土壌サンプルと凍結便サンプルの両方に成功裏に適用され、ライブラリ構築前にウイルスDNA増幅工程を経ずに高品質なウイルスを生成します。プロトコル修正の提案は他の研究で程度の差はあれ検証されていますが、ヒト便ウイルス配列に対する特異的な下流的影響についてはここでは検証されていません。
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便サンプル採取のために募集されたすべての被験者はインフォームド・コンセントを提供しました。サンプル採取プロトコルはカリフォルニア大学デービス校の機関審査委員会によって承認されており、研究内容はヘルシンキ宣言に準拠しています。このプロトコルはEmersonら(2022)17から適用されています。
1. 材料の準備
2. ウイルス粒子の精製と濃縮
3. ウイルスペレット再懸濁およびDNase処理
4. ウイルス核酸の抽出
5. DNA定量
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このプロトコルを単一の凍結便サンプル(バイロム用に技術的三重処理)と2つの土壌サンプルに適用した実験的取り組みでは、異なるサンプルタイプから高品質なウイルスを生成する効果が示されました。このプロトコルで生成された品質フィルタリングシーケンスデータと新たに組み立てられた組織を用いて、オープンソースのウイルス同定ツール20を用いて推定ウイルス配列を特定しました。同定されたウイルス連合にマッピングされたリードを、各サンプルにおけるウイルスの相対的な存在比の推定値として用いました。便のウイルス配列は濃縮されており、ウイルスリードはバイロム内の全配列リードの平均74%を占めるのに対し、同じサンプルから生成された全メタゲノムではわずか4%でした(図1A)。さらに、便サンプルから高信頼度ウイルスゲノムも生成されました(図1B)。土壌ウイルスの結果と同様に、便ウイルスの平均信頼度スコア...
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このプロトコルは、比較的シンプルで適応性の高いウイルス生成方法を提供します。土壌14、15、16、21で実証されており、ここでは人間の便サンプルに成功裏に適用されています。このプロトコルは細胞外の完全なDNAウイルスを最も効果的に回収でき、意図的に細胞内ウイルスやプロファージ(ただし汚染細胞から回収されるものもあります)、非常に大きなDNAウイルス、RNAウイルスを回収する設計ではありません。これらのグループを調べたい場合は、対になった細胞画画や大量メタゲノムを生成することが有用です。その基盤はシンプルで、プロトコルは私たちが成功した標準的なワークフローを示していますが、プロトコルの重要な側面は個々のニーズや研究課題に応じて柔軟に対応できます。フィルターサイズ、バッファー化学、ウイルス濃度法の改良により検出可能なDN...
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著者には利益相反を主張するものはありません。
カリフォルニア大学デービス校医学部のショーン・アダムズ博士、トリナ・ノッツ博士、モハメド・R・アリ博士が、IRBのプロトコルおよび倫理基準に従い便サンプルを収集・提供してくださったことに感謝します。便サンプルの分析に協力してくださったマシュー・R・オルム博士(コロラド大学ボルダー校)に感謝します。この研究はNIHコモンファンド(ヒトウイルスプログラム)のアワード#U01DE034198の支援を受けました。また、LSHは米国エネルギー省(DOE)、科学局、生物学・環境研究局(BER)、ゲノム科学プログラム(授与番号DE-SC0023127(JBEへの助成金、PI シドニー・グラスマン助成)からも部分的に支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 牛血清アルブミン(BSA)DNaseおよびプロテアーゼフリー粉末 | フィッシャー・バイオリエージェント | BP9706100 | PPBSレシピ(ステップ1.1)について |
| DNeasy PowerSoil Pro キット | 奇アゲン | 47016 | DNA抽出キット(ステップ4.1) |
| KAPA DNA HyperPrepライブラリキット | ロッシュ | 該当なし | このキットで生成されたライブラリは、Illumina NovaSeq 6000プラットフォーム(2×150 bp)を用いてシーケンスされました。 |
| 硫酸マグネシウム(MgSO4)、無水、および99.5% | シグマ・オルドリッチ | M7506 | PPBSレシピ(ステップ1.1)について |
| リン酸緩衝生理食塩水(PBS)、10倍、pH 7.4、RNaseフリー | インビトロジェン | AM9624 | PPBSレシピ(ステップ1.1)について |
| ポリエーテルスルフォン(PES)膜シリンジフィルター、無菌、28mm、0.2 & mu;m | コーニング | 431229 | シリンジろ過(ステップ2.9)について |
| ポリプロピレン円錐形遠心分離機管、無菌、50 mL | オリンパス・プラスチックス | 28-108 | |
| クエン酸カリウム一水和物(結晶性/認証済み) | フィッシャー・ケミカル | P222 | PPBSレシピ(ステップ1.1)について |
| Qubit アッセイチューブ | インビトロジェン | Q32856 | DNA定量(ステップ5.1)について |
| 量子ビット4フルオロメーター | インビトロジェン | Q33238 | DNA定量(ステップ5.1)について |
| 量子ビット dsDNA 定量分析キット | インビトロジェン | Q32850 | DNA定量(ステップ5.1)について |
| RQ1 RNaseフリーDNase | プロメガ | PR-M6101 | 反応バッファー、DNase、ストップ溶液を含みます |
| Supor親水性ポリエーテルスルフォン(PES)膜シリンジフィルター、無菌、32mm、5.00およびマイクロ;m | シティバ(旧パルラボ) | 28150-956 | シリンジろ過(ステップ2.9)について |
| 超遠心分離機ローター:タイプ50.2 Ti固定角ローター、50,000 rpm、302,000 x g、12 x 39 m | ベックマン・カウルター | 337901 | また、ベックマン・コールター タイプ70 Ti固定角度チタンローター(カタログ337922)も使用しています。70 Tiを使う場合は遠心分離機で3時間かけます。 |
| 超遠心分離機チューブ:26.3 mLポリカーボネートボトル(キャップアセンブリ付き)、25 x 89mm | ベックマン・カウルター | 355618 | タイプ50.2 Ti(カテゴリー 337901)およびタイプ70 Ti(カテゴリー 337922)ベックマン・カウルターローターと互換性があります |
| 超遠心分離機:ベックマン・インスツルメンツ Optima LE-80K 床型超遠心分離機 | ベックマン・カウルター | 365668 | また、ベックマン・クールターL8-70M冷蔵超遠心分離機(カタログ344196)も使用しています。 |
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