Als een essentiële techniek om op DNA gebaseerde experimentele instrumenten te construeren voor expressie in prokaryote en eukaryote cellen, is moleculair klonen een zeer belangrijk onderdeel van de experimentele biologie. Moleculair klonen omvat vier processen: het verkrijgen van insert-DNA, ligatie van de insert in de juiste vector, transformatie van de recombinante vector in Escherichia coli (E. coli) en identificatie van de positieve klonen1. Tot nu toe zijn er meerdere methoden toegepast om DNA-moleculen samen te voegen met behulp van restrictie-enzymen 2,3 en PCR-gemedieerde recombinatie 4,5,6. Homologe recombinatie, bekend als naadloze kloontechnologie, is de groep kloonmethoden die sequentie-onafhankelijke en littekenloze invoeging van een of meer DNA-fragmenten in een vector mogelijk maakt. Deze technologie omvat sequentie- en ligatie-onafhankelijk klonen (SLIC), Seamless Ligation Cloning Extract (SLiCE), In-Fusion en Gibson Assembly. Het maakt gebruik van een exonuclease om een streng van het inzetstuk af te breken en een vector om samenhangende uiteinden te genereren, en ofwel in vivo reparatie of in vitro recombinatie om het inzetstuk covalent aan de vector te verbinden door fosfodiësterbindingen te vormen. De mogelijkheid om een enkele wisselplaat in elke volgorde aan een vector te koppelen zonder littekens is zeer aantrekkelijk. Bovendien heeft de technologie de mogelijkheid om 5-10 fragmenten in een vooraf bepaalde volgorde samen te voegen zonder sequentiebeperkingen.
Als een van de vele recombinant-DNA-technieken is de Gibson Assembly-techniek, momenteel de meest effectieve kloonmethode 7,8, een robuuste en elegante op exonuclease gebaseerde methode om een of meerdere gelineariseerde DNA-fragmenten naadloos samen te stellen. De Gibson Assembly-reactie wordt uitgevoerd onder isotherme omstandigheden met behulp van een mengsel van drie enzymen, namelijk 5'-exonuclease, high-fidelity polymerase en een thermostabiel DNA-ligase. Enkelstrengs 3'-uitsteeksels gecreëerd door het 5'-3'-exonuclease dragen bij aan het gloeien van fragmenten die aan één uiteinde complementariteit delen. Het high-fidelity polymerase vult effectief de hiaten in de gegloeide enkelstrengs gebieden door dNTP's toe te voegen, en het thermostabiele DNA-ligase sluit de inkepingen af om gezamenlijke DNA-moleculen te vormen8. Daarom is deze technische methode veel gebruikt voor de constructie van genexpressievectoren.
Porcine reproductive and respiratory syndrome (PRRS) is een virale ziekte die leidt tot reproductieve stoornissen en respiratoire insufficiëntie bij varkens veroorzaakt door PRRSV op elke leeftijdvan 9 jaar. Het syndroom manifesteert zich als koorts, anorexia, longontsteking, lethargie, depressie en ademnood. Bovendien zijn bij sommige epidemieën klinische verschijnselen waargenomen, waaronder rood/blauwe verkleuring van de oren. Als lid van het arterivirus van de familie wordt PRRSV op grote schaal overgedragen naar varkensvleesproducerende landen door direct contact en uitwisseling van vloeistoffen, waaronder urine, colostrum en speeksel. Als gevolg van de verspreiding van PRRSV in de Verenigde Staten worden de totale economische verliezen van de varkensvleesindustrie geschat op ongeveer $ 664 miljoen per jaar, op basis van de fokschaal van 5.8 miljoen zeugen en 110 miljoen varkens10,11. Uit het rapport van de Inspectiedienst voor de Dier- en Plantgezondheid blijkt dat 49,8% van de niet-gevaccineerde varkens de aanwezigheid van PRRSV in serum12 vertoont en dat lage niveaus van PRRSV bij geïnfecteerde varkens worden uitgescheiden via speeksel, neusafscheidingen, urine en ontlasting13. Er zijn meerdere strategieën geïmplementeerd om de voortplanting van PRRSV te beheersen 14,15,16. Naast eliminatieprocedures om volledig virusnegatieve populaties te creëren of het verbeteren van de bioveiligheid en het beheer, is het toedienen van vaccins een effectief middel om PRRS te beheersen.
PRRSV is een omhuld, enkelstrengs, positief-sense RNA-virus met een lengte van ongeveer 15 kilobasen (kb). Het PRRSV-genoom bestaat uit ten minste 10 open leesframes (ORF's), een kort 5' niet-vertaald gebied (5' UTR) en een poly(A)-staart aan het eindpunt van 3' (Figuur 1A)17. Het genoom van een negatiefstrengs RNA-virus is niet-infectieus, terwijl het genoom van positiefstrengs RNA-virussen besmettelijk is. Er zijn twee hoofdstrategieën voor RNA- en DNA-transfectie voor het genereren van virusnageslacht18. Het klonen van het volledige fragment dat overeenkomt met het RNA-genoom is echter cruciaal voor de constructie van infectieuze klonen. Vanwege de lange en complexe aard van het PRRSV-genoom kan het volledige genoom niet gemakkelijk in één keer via PCR worden verkregen. Bovendien, hoewel de kunstmatige synthese van PRRSV-genen een effectieve oplossing is, is de synthese van lange fragmenten vaak duur. Om de PRRSV-expressievector van volledige lengte te verkrijgen, hebben we daarom geprobeerd deze te creëren met behulp van de homologe recombinatiemethode met meerdere inserts19,20. Helaas waren we niet in staat om de volledige genexpressievector te verkrijgen. Daarom hebben we in deze studie de juiste restrictieplaatsen toegevoegd aan de omgekeerde primer en met succes de pVAX1-PRRSV-expressievector verkregen door verschillende rondes van homologe recombinatiereacties. Bovendien kan deze methode ook deletie of mutatie van doelgenen bereiken en een groot aantal DNA-fragmenten efficiënt aan de expressievector koppelen.