Opisujemy tutaj generowanie in vitro DNA HBV za pomocą systemu infekcji wirusem zapalenia wątroby typu B i bardzo czułe wykrywanie jego (1-2 kopii) integracji za pomocą odwrotnego zagnieżdżonego PCR.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy tutaj generowanie in vitro DNA HBV za pomocą systemu infekcji wirusem zapalenia wątroby typu B i bardzo czułe wykrywanie jego (1-2 kopii) integracji za pomocą odwrotnego zagnieżdżonego PCR.
Wirus zapalenia wątroby typu B (HBV) jest powszechnym patogenem przenoszonym przez krew, powodującym raka wątroby i marskość wątroby wynikającą z przewlekłej infekcji. Wirus na ogół replikuje się przez pośredni episomalny DNA; zaobserwowano jednak integrację fragmentów DNA HBV z genomem gospodarza, mimo że ta forma nie jest konieczna do replikacji wirusa. Dokładny cel, czas i mechanizm(y), za pomocą których zachodzi integracja DNA HBV, nie jest jeszcze jasna, ale ostatnie dane pokazują, że następuje ona bardzo wcześnie po zakażeniu. W tym miejscu szczegółowo opisano wytwarzanie in vitro i wykrywanie integracji DNA HBV. Nasz protokół specyficznie amplifikuje pojedyncze kopie integracji DNA wirusa i komórki i umożliwia zarówno bezwzględną kwantyfikację, jak i rozdzielczość pojedynczej pary zasad sekwencji połączeniowej. Technika ta została zastosowana do różnych typów komórek podatnych na HBV (w tym pierwotnych ludzkich hepatocytów), do różnych mutantów HBV oraz w połączeniu z różnymi ekspozycjami na leki. Przewidujemy, że ta technika stanie się kluczowym testem do określenia mechanizmów molekularnych leżących u podstaw tego klinicznie istotnego zjawiska.
HBV to dwuniciowy wirus DNA, który może powodować przewlekłą infekcję przez całe życie, prowadzącą do marskości wątroby i raka wątrobowokomórkowego (HCC)1,2,3. Chociaż istnieje wiele mechanizmów molekularnych napędzających trwałość HBV4 (np. wysoka stabilność epigenetycznej matrycy transkrypcyjnej wirusa, unikanie nadzoru immunologicznego i niski obrót hepatocytów w wątrobie) i związane z tym ryzyko inicjacji HCC5,6 (np. przewlekłe zapalenie i aktywacja komórkowych szlaków stresu), integracja DNA HBV z genomem komórki gospodarza (opisany mechanizm dla obu tych zjawisk) została słabo zbadana. Głównym powodem jest brak odpowiednich systemów zakażenia in vitro HBV, które umożliwiają niezawodne wykrywanie zdarzeń integracyjnych. W tym miejscu opisujemy niedawno opracowany protokół zarówno do generowania in vitro, jak i wykrywania integracji DNA HBV, który można wykorzystać do wyjaśnienia podstawowych mechanizmów molekularnych i ich konsekwencji.
Replikacja HBV i tworzenie integracji DNA HBV zostały wcześniej szczegółowo przeanalizowane7. Krótko mówiąc, HBV wnika do hepatocytów za pomocą peptydu kotransportującego taurocholan sodu (NTCP) jako głównego receptora komórkowego infekcji8,9. Nukleokapsydy HBV zawierające genom kolistego DNA rozluźnionego przez HBV (rcDNA) wchodzą do jądra, gdzie rcDNA jest przekształcane w episomalny kowalencyjnie zamknięty kolisty DNA (cccDNA). Jądrowe cccDNA działa jako matryca transkrypcyjna dla wirusowych mRNA i pregenomicznego RNA (pgRNA)10. Polimeraza HBV i pgRNA są następnie pakowane w nowo utworzone nukleokapsydy (złożone z dimerów białka rdzeniowego HBV). pgRNA HBV jest transkrybowane wstecznie w nukleokapsydzie, w wyniku czego powstaje genom rcDNA lub genom dwuniciowego liniowego DNA (dslDNA)11,12. Te dojrzałe nukleokapsydy zawierające genomy DNA HBV są ostatecznie otoczone i eksportowane jako wiriony.
Zakażenie hepatocytów przez otoczkowe cząstki zawierające cząsteczki dslDNA może spowodować integrację wirusa z genomem komórki gospodarza13, prowadząc do niekompetentnych form replikacji DNA HBV7,14,15. Integracja DNA HBV zachodzi w miejscu pęknięcia chromosomalnego dwuniciowego DNA15. Coraz więcej dowodów sugeruje, że każde zdarzenie integracji zachodzi w zasadniczo losowej pozycji w genomie komórki gospodarza16,17. Ponadto integracja DNA HBV zachodzi dość rzadko, w tempie 1 na 104 komórek13,18,19,20. Ważne pytania dotyczące integracji DNA HBV pozostają bez odpowiedzi, szczególnie w odniesieniu do dokładnych szlaków molekularnych, zależności od czynników wirusowych i gospodarza, antygenów wirusowych wyrażanych z form zintegrowanych i ich możliwego udziału w trwałości wirusa7. Stworzyliśmy model in vitro, aby rzucić światło na niektóre z tych pytań.
Rzadkość zdarzeń integracji DNA HBV (zarówno w odniesieniu do szybkości integracji na komórkę, jak i liczby kopii każdej unikalnej integracji) w modelach infekcji HBV in vitro sprawia, że są one trudne do wykrycia. Mitoza komórkowa jest ograniczona w naszym systemie in vitro, ponieważ dzielące się komórki nie wspierają skutecznej infekcji. Tak więc, w przeciwieństwie do tkanek wątroby pacjenta, w których występuje znaczna klonalna ekspansja hepatocytów18,19,20, bardzo niewiele (1 do 2) kopii każdej integracji jest obecnych w danej puli komórek zakażonych in vitro. Odkryliśmy również, że integracja zachodzi głównie podczas początkowej infekcji hepatocytów (a nie w sposób ciągły w hepatocytach przewlekle zakażonych)13. W związku z tym integracji DNA HBV nie można zwiększyć poprzez zwykłą hodowlę komórek przez dłuższy czas.
Ogólnie, metody wcześniej używane do wykrywania zintegrowanego DNA HBV, w tym hybrydyzacja Southern blot21,22,23,24,25, Alu-PCR26,27, ligacja za pośrednictwem kasety PCR28 i sekwencjonowanie całego genomu29,30,31,32,33, nie mają wystarczającej czułości do wykrywania pojedynczych kopii integracji. Wraz z innymi badaczami użyliśmy odwróconego zagnieżdżonego PCR (invPCR) do wykrycia integracji DNA hepadnawirusa w wątrobach zakażonych kaczek, świstaków i ludzi13,14,18,19,34,35,36. Inni wprowadzili modyfikacje proceduralne do techniki invPCR, które mogą zmienić generowanie sygnałów fałszywie dodatnich i ograniczyć zdolność do kwantyfikacji37. Jeśli test jest przeprowadzany zgodnie z opisem w niniejszym protokole, invPCR stanowi specyficzny i czuły test, który identyfikuje i określa ilościowo (w bezwzględnej liczbie kopii) wielokrotne integracje DNA HBV. Połączenie DNA komórki HBV jest sekwencjonowane z rozdzielczością pojedynczej pary zasad, co pozwala na bioinformatyczne badania sekwencji DNA wirusa i gospodarza w miejscach integracji13.
Wcześniej opisaliśmy38 wyniki z invPCR na DNA zakażonej HBV tkanki ekstrahowanej z wielu różnych źródeł, w tym tkanek wątroby zamrożonych w zatrzasku, skrawków wątroby zatopionych w parafinie oraz bardzo małych próbek tkanek wyizolowanych za pomocą laserowej mikrodysekcji19. Protokół ten przedstawia zaktualizowaną wersję testu invPCR z wykorzystaniem DNA wyekstrahowanego z tkanek pochodzących z hodowli komórkowych po zakażeniu in vitro, w którym generowana jest niska liczba kopii integracji (1–2 kopie na integrację). Integracje DNA HBV powstałe in vitro przypominają te znajdujące się w tkankach pacjenta pod względem ich rozmieszczenia w genomie komórkowym i połączenia w sekwencji wirusa, która jest zintegrowana13,16, co sugeruje porównywalną ścieżkę do zakażonej wątroby.
1. Zakażenie komórkowe i ekstrakcja DNA
2. Odwrócenie DNA
3. Zagnieżdżony PCR
4. Izolacja produktu PCR i ekstrakcja żelu
5. Analiza sekwencji
Schematyczna reprezentacja techniki invPCR przedstawiona jest na Ryc. 1. Przykład elektroforezy w żelu agarozowym dla udanej reakcji invPCR przed i po izolacji produktu PCR pokazano na Ryc. 2. Ryc. 3 przedstawia wyniki analizy BLAST z kroku 5.1 w przypadku (i) amplifikacji miejsca złączenia DNA wirusa z komórką oraz (ii) amplifikacji pośrednika replikacyjnego DNA HBV.
Oczekiwane wyniki dla kontroli pozytywnych: komórki Huh7-NTCP zainfekowane zapasami HBV oczyszczonymi za pomocą heparyny, zgodnie z powyższym opisem (Rycina 1), mogą służyć jako kontrola pozytywna. W tym przypadku pojedyncze produkty PCR powinny zostać uzyskane przy drugim lub trzecim rozcieńczeniu 1:3 każdej próbki (co odpowiada ~104 ekwiwalentom komórek na rozcieńczenie, Rycina 2). Przy tych rozcieńczeniach około 50% produktów będzie reprezentować rzeczywiste połączenia DNA wirus-komórka, natomiast druga połowa będzie reprezentować amplifikację produktów pośrednich DNA HBV (Rycina 3).
W poprzednich badaniach13 stwierdziliśmy niewielką liczbę przypadków powtarzających się złączy wirus-komórka, co sugeruje brak preferencyjnych miejsc w genomie komórkowym dla integracji HBV DNA. Odnotowaliśmy również, że >80% złączy wirus-komórka występuje pomiędzy nukleotydami 1732 a 1832 (zgodnie z numeracją nukleotydową HBV genotypu D, GenBank Accession #U95551.1), gdzie ten ostatni stanowi prawy koniec formy HBV dslDNA. Sekwencje rzeczywistych złączy wirus-komórka, zidentyfikowane za pomocą naszej metody w eksperymentach in vitro, są publicznie dostępne w bazie GenBank (numery akcesyjne od MH057851 do MH058006).
Oczekiwane wyniki dla kontroli negatywnych: Jako kontrole negatywne mogą służyć niezinfekowane komórki Huh7-NTCP lub zinokulowane komórki Huh7-NTCP poddane wstępnej inkubacji z Myrcludex B. Analiza InvPCR DNA wyekstrahowanego z tych komórek nie powinna przynieść żadnych produktów PCR. Przetwarzanie próbek kontroli negatywnej na tej samej płytce PCR co próbki pozytywne pozwala na sprawdzenie obecności zanieczyszczeń krzyżowych podczas procesu nested-PCR. Najbardziej rygorystycznym testem na zanieczyszczenia krzyżowe jest umieszczenie próbki kontroli negatywnej w studzienkach A-D oraz próbki pozytywnej w studzienkach E-H na płytce 96-dołkowej. W takim przypadku najbardziej skoncentrowane rozcieńczenie próbki pozytywnej znajduje się w rzędzie bezpośrednio sąsiadującym z najmniej skoncentrowanym rozcieńczeniem próbki negatywnej. Jeśli w próbkach kontroli negatywnej zostaną zaobserwowane produkty amplifikacji, należy zastosować środki sugerowane w dyskusji w celu zminimalizowania zdarzeń związanych z zanieczyszczeniem krzyżowym.

Rycina 1: Schemat procesu invPCR służącego do wykrywania integracji HBV DNA. Po infekcji HBV tylko mniejszość komórek Huh7-NTCP zawiera HBV dslDNA (czerwony) zintegrowany z genomem komórki gospodarza (czerwony), co przedstawiono w górnej sekcji. Następnie z komórek ekstrahuje się całkowite DNA (krok 1), odwraca jego orientację (krok 2) i przeprowadza amplifikację za pomocą nested PCR (krok 3). Przedstawiono względne położenia miejsc cięcia enzymów restrykcyjnych (NcoI i BsiHKAI) w wyciętym fragmencie złącza DNA wirusa i komórki. Rycina została zaadaptowana z poprzedniej publikacji13. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Elektroforeza w żelu agarozowym i następująca po niej ekstrakcja z żelu udanej reakcji invPCR. „M” oznacza marker wielkości DNA. Każdy rząd 12 studni reprezentuje powtórzenia techniczne dla pojedynczego rozcieńczenia na płytce PCR. Na jednej płytce PCR/żelu agarozowym można przeprowadzić analizę dwóch inwertowanych próbek DNA. Produkty PCR dla każdego rozcieńczenia powinny miareczkować się w stosunku ok. 1:3. Wyekstrahowanie produktów z dwóch najmniej stężonych rozcieńczeń, w których można łatwo wyizolować pojedyncze prążki, jest zazwyczaj wystarczające, ponieważ stopień integracji DNA HBV jest określany przez miareczkowanie punktu końcowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Analiza BLAST sekwencji produktów invPCR. Dzięki uzyskaniu długich fragmentów sekwencji w metodzie sekwencjonowania Sangera, źródło sekwencji DNA jest zazwyczaj jednoznaczne. Na górnym panelu, w różnych obszarach pliku sekwencji FASTA wygenerowanego z sekwencjonowania Sangera, obserwuje się silne dopasowanie do genomów HBV i komórkowych, co sugeruje obecność rzeczywistego złącza DNA wirus-komórka. Na dolnym panelu sekwencja dopasowuje się jedynie do fragmentów genomu HBV, co sugeruje produkt powstały w wyniku amplifikacji przeorganizowanego genomu HBV DNA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Przed wykonaniem protokołu należy zauważyć, że ten test invPCR jest bardzo czułą techniką, zdolną do amplifikacji pojedynczych kopii matrycy DNA. Dlatego ograniczenie zanieczyszczenia produktami PCR ma ogromne znaczenie. Ogólne strategie ograniczania zanieczyszczenia produktem PCR obejmują następujące elementy. (i) Ustanowić fizycznie oddzielone obszary dla różnych etapów metody. Każdy obszar powinien mieć osobne fartuchy laboratoryjne, a rękawiczki należy zmieniać podczas przemieszczania się między tymi obszarami. Poniżej wymieniliśmy te obszary w kolejności od najbardziej do najmniej prawdopodobnego zanieczyszczenia: obszar przygotowania reakcji ekstrakcji i sekwencjonowania produktu PCR (po PCR); Dodawanie szablonu PCR i obszar przenoszenia palonych szpilek (z dobrymi wynikami użyliśmy kapturów PCR z odkażającą lampą UV); Obszar ekstrakcji i inwersji DNA (pre-PCR); oraz obszar "wolny od matryc DNA" używany wyłącznie do przygotowywania roztworów podstawowych i PCR. (ii) Należy pamiętać o przepływie powietrza w laboratorium jako potencjalnym czynniku powodującym zanieczyszczenie krzyżowe. W szczególności najbardziej prawdopodobne jest zanieczyszczenie krzyżowe reakcji PCR podczas etapu przenoszenia palonego szpilki, co doprowadzi do niedokładnego określenia ilościowego częstotliwości integracji. Kaptury PCR mogą być używane do ograniczania tych prądów krzyżowych. Studzienki kontroli ujemnej (np. próbki poddane działaniu Myrcludex B lub bez kontroli matrycowych) w PCR mogą być również wykorzystywane do badania pod kątem zanieczyszczenia krzyżowego. (iii) Ogranicz potencjalne zanieczyszczenia PCR na pipetach i powierzchniach roboczych poprzez regularne przecieranie ich roztworem degradującym DNA.
Określony tutaj protokół ma na celu wykrycie integracji znanego zakaźnego klonu HBV wygenerowanego z linii komórkowej42 HepAD38. Jeśli użyte inokulum ma inną sekwencję DNA HBV (np. z surowicy pacjenta), wówczas genom HBV powinien zostać najpierw zsekwencjonowany w celu potwierdzenia zgodności starterów PCR i projektu inwersji. We wcześniej opublikowanych badaniach19 użyliśmy 3 zestawów starterów, które wiążą konserwatywne sekwencje DNA HBV flankujące oczekiwane miejsce połączeń integracyjnych DNA HBV. Inne sekwencje starterów i protokoły zostały opisane w celu określenia sekwencji genomowej HBV 44,45,46,47,48 i mogą działać z powodzeniem.
Ponadto można stosować różne komórki wrażliwe na HBV (np. pierwotne ludzkie hepatocyty, zróżnicowane komórki HepaRG, HepG2-NTCP); jednak odkryliśmy, że komórki Huh7-NTCP zapewniają największy stosunek sygnału do szumu, biorąc pod uwagę liczbę połączeń DNA wirus-komórka, które są amplifikowane, w porównaniu z pośrednim DNA wirusa, które jest amplifikowane13. W szczególności końcowo zróżnicowane komórki, takie jak pierwotne ludzkie hepatocyty lub zróżnicowany HepaRG, nie przechodzą skutecznie mitozy, co skutkuje wysokim poziomem amplifikowalnych replikacyjnych produktów pośrednich DNA HBV pozostających w komórkach. Odkryliśmy, że ~ 90% amplifikowanych sekwencji reprezentuje rearanżacje DNA HBV (a nie zdarzenia integracji) w komórkach ostatecznie zróżnicowanych, w porównaniu do 70-50% w liniach komórkowych wątrobiaka13. Produkty te są na ogół genomami DNA HBV zawierającymi duże delecje na powierzchni i otwartych ramkach odczytu rdzenia lub mogą reprezentować quasi-gatunki HBV z dodatkowym miejscem NcoI przed miejscem SphI. Amplifikacja tych gatunków HBV (wraz ze schematem ideowym) została szczegółowo opisana wcześniej13.
Ta metoda ma kilka wad. Ze względu na pracochłonny i wielodniowy charakter tego protokołu, invPCR nie nadaje się do wysokoprzepustowych analiz dużej liczby próbek. Ponadto, ponieważ nasza metoda opiera się na ograniczeniu miareczkowania rozcieńczalnego, nie jest wysoce precyzyjna pod względem ilościowym; Chociaż powinien łatwo mierzyć zmiany częstotliwości integracji na poziomie dziennika.
Co więcej, nasz protokół inwersji nadaje się tylko do wykrywania integracji zachodzących między regionami DR2 i DR1 genomu HBV, ponieważ większość integracji HBV zachodzi w tym regionie49. Analiza NGS tkanek pacjentów z HBV wykazała, że duża mniejszość (do ~50%) może występować również poza tym regionem49. Nowe projekty invPCR są teoretycznie w stanie wykryć te inne miejsca integracji, chociaż (według naszej wiedzy) nie zostały one jeszcze przeprowadzone. W związku z tym, ze względu na niezbędne miejsca enzymów restrykcyjnych wymagane za sekwencją połączenia wirus-komórka do reakcji inwersji, invPCR nie wykrywa wszystkich integracji zachodzących w regionach DR2 i DR1 genomu HBV (tj. Oszacowaliśmy, że ~ 10% wszystkich integracji można wykryć za pomocą symulacji in silico 13). Jednak w przypadku zastosowania do zogniskowanej partii próbek z niewielką liczbą różnych zabiegów, invPCR jest jedną z niewielu praktycznych metod wykrywania zintegrowanego DNA HBV w rozdzielczości pojedynczej pary zasad.
W związku z tym przewidujemy, że zastosowania tej metody będą odgrywać kluczową rolę w poszukiwaniu czynników wirusowych (poprzez mutacje inokulum HBV), komórkowych (poprzez nokaut lub nadekspresję określonych genów komórkowych lub poprzez stosowanie różnych leków) i środowiskowych (np . narażenie na stres oksydacyjny), które indukują integrację DNA HBV. Dzięki tej metodzie i nowo opracowanym systemom zakażeń HBV umożliwiamy bezprecedensową kontrolę tych czynników, dzięki czemu można je dobrze wyizolować i lepiej scharakteryzować. Spodziewamy się również, że doprowadzi to do kluczowego zrozumienia komórkowych konsekwencji integracji DNA HBV, w tym tego, w jakim stopniu antygeny wirusowe (np. HBx lub HBsAg50) są wyrażane z formy zintegrowanej, co kontroluje tę ekspresję i czy integracja HBV znacząco zmienia fenotyp komórkowy w kierunku bardziej proonkogennego. Wyniki tych przyszłych badań będą miały głęboki wpływ na strategie terapeutyczne stosowane w leczeniu przewlekłego wirusowego zapalenia wątroby typu B oraz na podstawową wiedzę na temat samego wirusa.
S.U. jest współwnioskodawcą i współtwórcą patentów chroniących Myrcludex B jako inhibitor przedostawania się wirusa HBV/HDV. T.T. deklaruje, że nie występuje w konflikcie interesów.
Ta praca otrzymała finansowanie od Niemieckiego Centrum Badań nad Infekcjami (DZIF), TTU Hepatitis Projects 5.807 i 5.704, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) TRR179 (TP 15) oraz Australijskiego Centrum Badań nad HIV i Wirusowym Zapaleniem Wątroby.
Jesteśmy wdzięczni profesorowi Williamowi Masonowi za jego wkład w opracowanie oryginalnej metody invPCR i jej zademonstrowanie nam. Chcielibyśmy podziękować doktorom Yi Ni i Florianowi A. Lemppowi za odczynniki (linie komórkowe i inokulum HBV). Dziękujemy Anji Rippert, Franzisce Schlund, Sarah Engelhardt i dr Katrin Schöneweis za pomoc techniczną. Jesteśmy wdzięczni Miriam Kleinig za korektę oraz profesorom Nicholasowi Shackelowi i Ralfowi Bartenschlagerowi za nieustanne wsparcie.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Dulbecco' s PBS | PAA | H15-002 | |
| DMEM medium | Thermo Fisher Scientific | 41965 | |
| Płodowa surowica bydlęca | PAA | A15-151 | Inaktywacja termiczna przed użyciem |
| Penicylina, 10 000 U/ml; Streptomycyna 10 mg / ml, 100 i razy; | PAA | P11-010 | |
| L-glutamina, 200 mM | PAA | M11-004 | |
| Trypsyna, 0,5 mg/ml; EDTA, 0,22 mg / ml, 1 i razy; | PAA | L11-004 | |
| PEG, MW 8000 | Sigma-Aldrich | 89510 | Zapas przy 40% w/v w 1xPBS, autoklaw przed użyciem |
| DMSO do spektroskopii | Merck | 102950 | |
| Tenofovir disoproxil | Sigma-Aldrich CDS021622 | Rozpuścić w DMSO | |
| Lamiwudyna | Sigma-Aldrich | L1295 | Rozpuścić w |
| DMSO Zestaw tkanek NucleoSpin | Macherey Nagel | 740952.250 | |
| NanoDrop 2000/2000c Spektrofotometr | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
| NcoI-HF | NEB | R3193L | |
| Ligaza DNA T4 | NEB | M0202T | |
| Dodecylosiarczan sodu | Sigma-Aldrich | L3771 | |
| Chlorek sodu | Sigma-Aldrich | ||
| Dekstran (35-45 kDa) | Sigma-Aldrich | D1662-10G | |
| Absolutny etanol | Sigma-Aldrich | 32205-1L-D | |
| BsiHKAI | NEB | R0570L | |
| SphI-HF | NEB | R3182L | |
| Zestaw Amplitaq Gold Taq | Thermo Fisher Scientific | 4331816 | Użyj po raz pierwszy nest PCR |
| Silikonowe maty uszczelniające do 96-dołkowych płytek PCR | Biorad | 2239442 | |
| DNAZap PCR Roztwór do degradacji DNA | Thermo Fisher Scientific | AM9890 | |
| 96-dołkowe płytki do PCR | Sigma Aldrich | CLS6509 SIGMA | |
| 96-pinowy replikator | Thermo Fisher Scientific | 250520 | |
| GoTaq Flexi PCR | Promega | M8295 | Stosować do drugiego gniazda PCR, użyć zielonego bufora do łatwego ładowania żelu agarozowego |
| Biozym LE Agarose | Biozym | 840004 | |
| QIAEX II Zestaw do ekstrakcji żelu | QIAGEN | 20051 |