توليد سريع وسلس من فيروسات الجدري المؤتلفة باستخدام نطاق المضيف والاختيار البصري
Summary
هذا هو وسيلة لتوليد “ندبة” فيروسات vaccinia المؤتلفة باستخدام اختيار مجموعة المضيف وتحديد البصرية للفيروسات المؤتلفة.
Abstract
كان لفيروس فاشينيا (VACV) دور ًا أساسيًا في القضاء على فيروس الدوالي (VARV)، وهو العامل المسبب للجدري، من الطبيعة. ومنذ استخدامه لأول مرة كلقاح، تم تطوير فيروس نقص المناعة البشرية المضاد للفيروسات السّافية كناقل للقاحات العلاجية وباعتباره فيروساً أوانيلاتيكياً. تستفيد هذه التطبيقات من الجينوم VACV الذي يتم التلاعب به بسهولة ومجموعة المضيف الواسعة كمنصة متميزة لتوليد فيروسات مؤتلفة مع مجموعة متنوعة من التطبيقات العلاجية. وقد وضعت عدة أساليب لتوليد VACV المؤتلف، بما في ذلك أساليب اختيار علامة واختيار المهيمنة العابرة. هنا ، نقدم تحسين ًا لطريقة اختيار مجموعة المضيف إلى جانب التعرف البصري للفيروسات المؤتلفة. لدينا طريقة يستفيد من الضغط الانتقائي التي تولدها المضيف ة مضادة للفيروسات بروتين كيناس R (PKR) إلى جانب جين الانصهار الفلورسنت التعبير عن MCherry الموسومة E3L، واحدة من اثنين من الخصوم PKR VACV. ويحيط الكاسيت، بما في ذلك الجين من الفائدة والانصهار mCherry-E3L من قبل تسلسل المستمدة من الجينوم VACV. بين الجين من الفائدة وmCherry-E3L هي منطقة أصغر التي هي مطابقة لأول ~ 150 النيوكليوتيدات من الذراع 3’، لتعزيز إعادة التركيب المتجانسة وفقدان الجين mCherry-E3L بعد الاختيار. نحن نثبت أن هذه الطريقة تسمح بكفاءة، وتوليد سلس من rVACV في مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا دون الحاجة إلى اختيار المخدرات أو فحص واسع النطاق للفيروسات المتحولة.
Introduction
كان لفيروس فاشينيا (VACV) دورًا أساسيًا في أول عملية ناجحة للقضاء على أحد مسببات الأمراض البشرية، وهو فيروس الدوالي (VARV)، من الطبيعة. منذ إبادة فيروس الدوالي ، لا تزال فيروسات الجدري بما في ذلك VACV مفيدة للفيروسات العلاجية لكل من الطب البشري والحيواني. على سبيل المثال، كان لقاح فيروس داء الكلب القائم على VACV فعالاً جداً في منع انتقال داء الكلب السيلفاتي في أوروبا1 والولايات المتحدة2. في الآونة الأخيرة، شهدت فيروسات الجدري المؤتلفة التي تعبر عن مجموعة متنوعة من الجزيئات المضادة للورم (على سبيل المثال، الأجسام المضادة ذات السلسلة الواحدة أو الإريثروبويتين البشري) نجاحًا مشجعًا كعوامل oncolytic3,4,5. VACV جذابة بشكل خاص كناقل لأنها قابلة بسهولة للتلاعب الجيني ، وتمتلك مجموعة مضيفة واسعة ، ومستقرة في ظل مجموعة متنوعة من الظروف ، مما يسمح بسهولة النقل وقابلية اللقاح في المجال6،7. وفي حين تم تطوير تقنيات متعددة لتوليد الـ VACV المؤتلف ة للتجارب المختبرية وتوليد اللقاحات، فإن الاستراتيجيات الحالية لتوليد هذه الفيروسات لها قيود ملحوظة.
وبسبب فائدة VACV، تم وضع استراتيجيات متعددة لتوليد فيروسات مؤتلفة. تستخدم الاستراتيجية الأولى إعادة التركيب المتجانسة لإدخال كاسيت بما في ذلك الجين المتحول وجين علامة يمكن اختياره مثل جين مقاومة المضادات الحيوية. ويحيط الكاسيت من قبل اثنين ~ 500 النيوكليوتيدات (NT) أو أكبر الأسلحة توجيه الجين إلى موقع معين في الجينوم الفيروسي، والتي يتم دمجها بعد ذلك بشكل ثابت من قبل أحداث كروس مزدوجة8,9,10. وهذه الاستراتيجية سريعة وفعالة؛ ومع ذلك ، فإنه يؤدي إلى مواد وراثية إضافية في شكل جين علامة التي قد تنتج آثار غير متوقعة. وعلاوة على ذلك، هناك حد أعلى عملي لعدد الجينات التي يمكن إدخالها محدودة بعدد علامات فريدة من نوعها قابلة للاختيار المتاحة. وقد عالجت استراتيجيات الاختيار المهيمنالعابر (TDS) هذه المسألة عن طريق تيسير توليد الفيروسات المؤتلفة “الندبية”11. باستخدام هذه الاستراتيجية، يتم دمج البلازميد الذي يحتوي على جين VACV متحول وجين علامة قابل للاختيار في الجينوم الفيروسي، ولكن دون وجود حمض نووي إضافي VACV. وينتج عن هذا النهج التكامل العابر للبلازميد بأكمله وازدواجية الجين VACV نتيجة للتكامل من خلال حدث كروس واحد. هذا الوسيط مستقر طالما يتم الحفاظ عليه تحت ضغط الاختيار ، مما يسمح بإثراء هذا البناء. عند إزالة التحديد، يتيح تكرار VACV حدث تقاطع ثانٍ يؤدي إلى إزالة البلازميد والتشكيل اللاحق للنوع البري (wt) أو الفيروس المؤتلف بنسبة 50:50 تقريبًا. في حين أن TDS يولد الفيروسات المؤتلفة دون الحاجة إلى إدخال مستقر من الحمض النووي الأجنبي، يجب فحص استنساخ الفيروسات متعددة للطفرة المتوقعة عن طريق تحليل التسلسل، وهي خطوة يحتمل أن تستغرق وقتا طويلا ومكلفة.
هنا، نقدم نهجا لتوليد فيروسات الجدري المؤتلفة الجمع بين أفضل جوانب كل من هذه النهج، على غرار النهج الذي تم وصفه لتكرار vaccinia تعديل غير كفء أنقرة12،13،14. تجمع هذه الاستراتيجية بين اختيار النطاق البصري والمضيف لتوليد الفيروسات المؤتلفة بسرعة عن طريق أحداث كروس مزدوجة ، والقضاء بعد ذلك على جين علامة قابلة للاختيار عن طريق إعادة التركيب المتجانسة. يسمح هذا النهج بتوليد سريع من المتحولات بوساطة إعادة التركيب المتجانسة ، مع الطبيعة “الندبية” لنهج TDS ، في حين لا تتطلب خطوة فحص لاحقة للتمييز بين النوع البري والفيروسات المتحولة. تستخدم طريقتنا أيضًا اختيار نطاق المضيف بدلاً من اختيار المضادات الحيوية ، مما يقضي على خطر التغيرات الفينوتيبيك المستحثة كيميائيًا في خط الخلية. لهذا النهج، اخترنا استخدام البروتين المضاد للفيروسات المضيف كيناز R (PKR) كعامل انتقائي لتوليد VACV المؤتلف. يتم التعبير عن PKR كمومر غير نشط في معظم أنواع الخلايا15. على ربط الحمض النووي الريبي مزدوجة تقطعت بهم السبل (dsRNA) في المجالات N-المحطة الطرفية dsRNA ملزمة، PKR dimerizes وautophosphorylated16. هذا الشكل النشط من الفوسفور PKR القوائم وحدة فرعية ألفا من عامل بدء eukaryotic 2 (eIF2), في نهاية المطاف تثبيط تسليم البادئ ميثيونيل-رنا إلى الريبوسوم, وبالتالي منع الترجمة داخل الخلايا وتمنع على نطاق واسع تكرار العديد من عائلات الفيروسات17,,18.
واستجابة للنشاط المضاد للفيروسات الواسع والقوي لـ PKR، طورت العديد من الفيروسات استراتيجية واحدة على الأقل لمنع تنشيط PKR. معظم الفيروسات الجدري التعبير عن اثنين من الخصوم PKR, مشفرة من قبل الجينات E3L و K3L في VACV, التي العداء PKR من خلال آليتين متميزتين19. E3 يمنع PKR homodimerization عن طريق ربط مزدوجة تقطعت بهم السبل RNA20,21, في حين K3 بمثابة مثبط pseudosubstrate عن طريق ملزمة مباشرة إلى PKR تنشيط وبالتالي تثبيط التفاعل مع الركيزة eIF2α22. والأهم من ذلك، أن هذين الخصمين PKR لا تمنع بالضرورة PKR من جميع الأنواع. على سبيل المثال، المتجانس K3 من فيروس جدري الغنم منعت بقوة PKR من الأغنام، في حين أن الجدري E3 homolog لم تظهر كبيرة PKR تثبيط23،24. في هذه الدراسة، نقدم طريقة لاستخدام الضغط الانتقائي بوساطة PKR جنبا إلى جنب مع اختيار الفلورسينس لتوليد المؤتلف VACV حذف لE3L و K3L (VC-R4)، والتي لا يمكن تكرارها في الخلايا المختصة PKR المستمدة من أنواع متنوعة. هذا الفيروس المؤتلف يوفر خلفية ممتازة للجيل السريع من الفيروسات المؤتلفة التي تعبر عن الجينات تحت سيطرة المروج E3L الأصلي.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا نقدم الاختلاف من استراتيجية اختيار علامة عابرة 32 لتوليد فيروسات vaccinia المؤتلفدون دون الاحتفاظ الحمض النووي الأجنبي في الفيروس المؤتلف النهائي. تستخدم استراتيجيتنا ضغطًا انتقائيًا بوساطة البروتين المضاد للفيروسات النباتية المضيف PKR بدلاً من أشكال أخرى من الضغط الانتقائ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا المشروع من قبل المعاهد الوطنية للصحة (AI114851) إلى ريال سعودي.
Materials
| 2X-Q5 Master Mix | NEB | M0492L | High-fidelity polymerase used in PCR |
| Ampicillin | ThermoFisher Scientific | 11593027 | Bacterial selective agent |
| Disposable Cell Scrapers | ThermoFisher Scientific | 08-100-242 | Cell scraper to harvest infected cells |
| EVOS FL Auto 2 Cell imaging system | ThermoFisher Scientific | AMAFD2000 | Fluorescent microscope |
| EVOS Light Cube, GFP | ThermoFisher | AMEP4651 | GFP Cube |
| EVOS Light Cube, RFP | ThermoFisher | AMEP4652 | RFP Cube |
| GenJet | SignaGen Laboratories | SL100489 | Transfection reagent |
| Luria Bertani (LB) Broth | Gibco | 10855021 | Bacterial growth medium |
| Monarch DNA gel extraction kit | NEB | T1020L | Gel purification kit used to purify amplicons and linearized vectors |
| Monarch Plasmid Miniprep kit | NEB | T1010L | Miniprep kit ussed to purify plasmids |
| NanoDrop One | ThermoFisher Scientific | ND-ONE-W | Spectrophotometer used to measure RNA and DNA concentration |
| NEBuilder Master Mix | NEB | E2621L | Isothermal enzymatic assembly kit used to generate the recombination vector |
| Q500 Sonicator | Qsonica | Q500-110 | Sonicator for virus lysates |
| RK13 cells | ATCC | CCL-37 | Rabbit kidney cells |
| VWR Multiwell Cell Culture plates | VWR | 10062-892 | Cell culture plates |
References
- Brochier, B., et al. Large-scale eradication of rabies using recombinant vaccinia-rabies vaccine. Nature. 354 (6354), 520-522 (1991).
- Pastoret, P. P., Brochier, B. The development and use of a vaccinia-rabies recombinant oral vaccine for the control of wildlife rabies; a link between Jenner and Pasteur. Epidemiology and Infection. 116 (3), 235-240 (1996).
- Chan, W. M., McFadden, G. Oncolytic Poxviruses. Annual review of virology. 1 (1), 119-141 (2014).
- Nguyen, D. H., et al. Vaccinia virus-mediated expression of human erythropoietin in tumors enhances virotherapy and alleviates cancer-related anemia in mice. Molecular Therapy. 21 (11), 2054-2062 (2013).
- Frentzen, A., et al. Anti-VEGF single-chain antibody GLAF-1 encoded by oncolytic vaccinia virus significantly enhances antitumor therapy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (31), 12915-12920 (2009).
- Pastoret, P. P., Vanderplasschen, A. Poxviruses as vaccine vectors. Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases. 26 (5-6), 343-355 (2003).
- COLLIER, L. H. The development of a stable smallpox vaccine. The Journal of Hygiene. 53 (1), 76-101 (1955).
- Weir, J. P., Bajszár, G., Moss, B. Mapping of the vaccinia virus thymidine kinase gene by marker rescue and by cell-free translation of selected mRNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (4), 1210-1214 (1982).
- Mackett, M., Smith, G. L., Moss, B. Vaccinia virus: a selectable eukaryotic cloning and expression vector. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (23), 7415-7419 (1982).
- Nakano, E., Panicali, D., Paoletti, E. Molecular genetics of vaccinia virus: demonstration of marker rescue. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (5), 1593-1596 (1982).
- Falkner, F. G., Moss, B. Transient dominant selection of recombinant vaccinia viruses. Journal of Virology. 64 (6), 3108-3111 (1990).
- Staib, C., Drexler, I., Ohlmann, M., Wintersperger, S., Erfle, V., Sutter, G. Transient Host Range Selection for Genetic Engineering of Modified Vaccinia Virus Ankara. BioTechniques. 28 (6), 1137-1148 (2000).
- Staib, C., Drexler, I., Sutter, G. Construction and Isolation of Recombinant MVA. Vaccinia Virus and Poxvirology. , 77-99 (2004).
- Di Lullo, G., et al. Marker gene swapping facilitates recombinant Modified Vaccinia Virus Ankara production by host-range selection. Journal of Virological Methods. 156 (1-2), 37-43 (2009).
- Pfaller, C. K., Li, Z., George, C. X., Samuel, C. E. Protein kinase PKR and RNA adenosine deaminase ADAR1: New roles for old players as modulators of the interferon response. Current Opinion in Immunology. 23 (5), 573-582 (2011).
- Bevilacqua, P. C., George, C. X., Samuel, C. E., Cech, T. R. Binding of the protein kinase PKR to RNAs with secondary structure defects: Role of the tandem A – G mismatch and noncontigous helixes. Biochemistry. 37 (18), 6303-6316 (1998).
- Krishnamoorthy, T., Pavitt, G. D., Zhang, F., Dever, T. E., Hinnebusch, A. G. Tight Binding of the Phosphorylated Subunit of Initiation Factor 2 (eIF2) to the Regulatory Subunits of Guanine Nucleotide Exchange Factor eIF2B Is Required for Inhibition of Translation Initiation. Molecular and Cellular Biology. 21 (15), 5018-5030 (2001).
- Rothenburg, S., Georgiadis, M. M., Wek, R. C. Evolution of eIF2α kinases: Adapting translational control to diverse stresses. Evolution of the Protein Synthesis Machinery and Its Regulation. , 235-260 (2016).
- Bratke, K. A., McLysaght, A., Rothenburg, S. A survey of host range genes in poxvirus genomes. Infection, Genetics and Evolution. 14, 406-425 (2013).
- Chang, H. W., Watson, J. C., Jacobs, B. L. The E3L gene of vaccinia virus encodes an inhibitor of the interferon-induced, double-stranded RNA-dependent protein kinase. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (11), 4825-4829 (1992).
- Romano, P. R., et al. Inhibition of double-stranded RNA-dependent protein kinase PKR by vaccinia virus E3: role of complex formation and the E3 N-terminal domain. Molecular and Cellular Biology. 18 (12), 7304-7316 (1998).
- Beattie, E., Tartaglia, J., Paoletti, E. Vaccinia virus-encoded eIF-2 alpha homolog abrogates the antiviral effect of interferon. Virology. 183 (1), 419-422 (1991).
- Park, C., Peng, C., Brennan, G., Rothenburg, S. Species-specific inhibition of antiviral protein kinase R by capripoxviruses and vaccinia virus. Annals of the New York Academy of Sciences. 1438 (1), 18-29 (2019).
- Rothenburg, S., Brennan, G. Species-Specific Host-Virus Interactions: Implications for Viral Host Range and Virulence. Trends in Microbiology. , (2019).
- Chakrabarti, S., Sisler, J. R., Moss, B. Compact, synthetic, vaccinia virus early/late promoter for protein expression. BioTechniques. 23 (6), 1094-1097 (1997).
- Chung, C. T., Niemela, S. L., Miller, R. H. One-step preparation of competent Escherichia coli: Transformation and storage of bacterial cells in the same solution (recombinant DNA). Biochemistry. 86, 2172-2175 (1989).
- Chung, C. T., Miller, R. H. Preparation and storage of competent Escherichia coli cells. Methods in Enzymology. 218, 621-627 (1993).
- Rahman, M. M., Liu, J., Chan, W. M., Rothenburg, S., McFadden, G. Myxoma Virus Protein M029 Is a Dual Function Immunomodulator that Inhibits PKR and Also Conscripts RHA/DHX9 to Promote Expanded Host Tropism and Viral Replication. PLOS Pathogens. 9 (7), 1003465 (2013).
- Evans, D. H., Stuart, D., McFadden, G. High levels of genetic recombination among cotransfected plasmid DNAs in poxvirus-infected mammalian cells. Journal of Virology. 62 (2), 367-375 (1988).
- Ball, L. A. High-frequency homologous recombination in vaccinia virus DNA. Journal of Virology. 61 (6), 1788-1795 (1987).
- Spyropoulos, D. D., Roberts, B. E., Panicali, D. L., Cohen, L. K. Delineation of the viral products of recombination in vaccinia virus-infected cells. Journal of Virology. 62 (3), 1046-1054 (1988).
- Liu, L., et al. Transient dominant host-range selection using Chinese hamster ovary cells to generate marker-free recombinant viral vectors from vaccinia virus. BioTechniques. 62 (4), 183-187 (2017).
