Summary

Évaluation de conformation du VIH-1 trimère glycoprotéines d'enveloppe l'aide d'un base de cellules test ELISA

Published: September 14, 2014
doi:

Summary

Understanding viral surface antigens conformations is required to evaluate antibody neutralization and guide the design of effective vaccine immunogens. Here we describe a cell-based ELISA assay that allows the study of the recognition of trimeric HIV-1 Env expressed at the surface of transfected cells by specific anti-Env antibodies.

Abstract

HIV-1 envelope glycoproteins (Env) mediate viral entry into target cells and are essential to the infectious cycle. Understanding how those glycoproteins are able to fuel the fusion process through their conformational changes could lead to the design of better, more effective immunogens for vaccine strategies. Here we describe a cell-based ELISA assay that allows studying the recognition of trimeric HIV-1 Env by monoclonal antibodies. Following expression of HIV-1 trimeric Env at the surface of transfected cells, conformation specific anti-Env antibodies are incubated with the cells. A horseradish peroxidase-conjugated secondary antibody and a simple chemiluminescence reaction are then used to detect bound antibodies. This system is highly flexible and can detect Env conformational changes induced by soluble CD4 or cellular proteins. It requires minimal amount of material and no highly-specialized equipment or know-how. Thus, this technique can be established for medium to high throughput screening of antigens and antibodies, such as newly-isolated antibodies.

Introduction

Humaine de type 1 du virus de l'immunodéficience (HIV-1) d'entrée, à médiation par les glycoprotéines de l'enveloppe virale (Env) trimères est la première étape du cycle infectieux. Étant le seul antigène viral exposé présenté à la surface des virions, le trimère Env suscite des anticorps neutralisants et nonneutralizing. En tant que tel, il représente un candidat intéressant pour la conception d'un vaccin immunogène. Cependant, les essais de vaccination avec Env dans des formes solubles ou recombinantes suscité des réponses avec seulement l'efficacité minimale contre la plupart des isolats primaires du VIH-1 1-3. Néanmoins, l'efficacité partielle observée dans l'essai de vaccin RV144 4 regain d'intérêt pour le VIH-1 Env comme candidat immunogène. Cela a été corroboré par une étude récente décrivent que les anticorps anti-Env vaccination suscité étaient suffisantes pour générer un certain degré de protection contre les SIV et les défis du VIH 5.

Après avoir été synthétisée dans le réticulum endoplasmique, la glycoprote Enven précurseur, gp160, subit diverses modifications post-traductionnelles qui sont critiques pour sa capacité à alimenter le processus de fusion virale. Le précurseur Env doit se replier correctement et associé dans trimères avant d'être coupé dans ses gp120 et gp41 transmembranaire extra-cytoplasmiques des sous-unités 6-10, avec des interactions non covalentes le maintien de la liaison gp120-gp41. La machinerie de la cellule infectée est également responsable de glycosylation fortement Env, comprenant environ 50% de sa masse totale 11,12. La structure complexe qui en résulte permet Env être conformation souple 13,14, tout en offrant une métastabilité qui est pensé pour permettre Env de s'adapter et de cacher certains épitopes hautement immunogènes qui autrement seraient exposés 15-19, soulignant l'importance de mieux comprendre les différentes conformations échantillonné par le Env trimère natif.

A ce jour, plusieurs techniques ont été développées avec succès et utilisé pour étudier la conformation Env changes. Toutefois, ils varient dans leurs limites, étant souvent limitée à des contextes spécifiques Env. Par exemple, la résonance plasmonique de surface ou des analyses d'immunoprécipitation en utilisant des anticorps monoclonaux spécifiques de conformation (Acm), reposent soit sur ​​des molécules Env monomères solubles ou solubilisés qui sont connus pour être différents de leurs immunogénétiquement formes trimères 20,21. Des études récentes suggèrent également que le clivage affecte conformations Env résultant de l'exposition des épitopes essentiellement reconnus par des anticorps nonneutralizing 14,22,23.

Nous décrivons ici en détail une méthode qui permet de déterminer rapidement et facilement la conformation de cellulairement exprimé Env trimères 18,24-26. Après la transfection transitoire de Env dans une lignée humaine de cellules adhérentes de la liaison d'anticorps spécifiques à Env est détecté en utilisant une réaction de chimioluminescence simple. Cette technique peut également être utilisée pour caractériser la conformation de préférence de conformation dépend de l-anticorps dent. Par conséquent, ce dosage fournit un procédé de détection très robuste et souple.

Protocol

1 Jour 1 – Culture Cellulaire Planche 2 x 10 4 ostéosarcome humain (HOS) des cellules par puits dans une, plaque à 96 puits de culture cellulaire opaque approprié pour la lecture de luminescence. Utilisation du milieu Eagle modifié par Dulbecco (DMEM) supplémenté avec 10% de sérum bovin fœtal (FBS) et 100 U / ml de pénicilline-streptomycine. Incuber jusqu'au lendemain à 37 ° C, 5% CO 2. 2 Jour 2 – Polyéthylènimine (PEI) de transfection </…

Representative Results

En utilisant la procédure générale décrite ci-dessus, nous avons adapté le protocole de dosage de l'impact de CD4 soluble (sCD4) cellulaire CD4 et co-exprimées sur l'exposition d'épitopes sur CD4i de type sauvage (wt) ou mutée Env, 18,24, comme décrit précédemment, 25,28. figure 1 représente schématiquement la procédure générale et l'exposition d'épitopes CD4i après un traitement avec sCD4 ou par la co-expression de CD4 cellulaire 18.</sup…

Discussion

Ce dosage est optimisé pour détecter l'interaction d'Acm spécifiques de HIV-1 Env trimérique exprimée à la surface cellulaire. Une fois que le protocole a été établi, il peut être utilisé au moyen de débits élevés avec de faibles coûts globaux des matières et des petites quantités d'anticorps. Etant donné que ce dosage est basé transfection, il peut facilement être adapté pour la co-expression de protéines cellulaires telles que les cellules CD4 dans le but d'étudier leurs effets s…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous remercions le Dr James Robinson pour son généreux don de la A32, 17b, 48d, et C11 Acm. PGT 121 a été obtenue par le programme réactif NIH SIDA, Division du sida, NIAID, NIH (Cat # 12343). Ce travail a été soutenu par une Fondation canadienne pour chef de programme Innovation # 29866, par un fonctionnement des IRSC # 257792, par un FRQS création de Young Scientist accorder # 24639 à AF et par un continuum subvention au CRCHUM ainsi que par une subvention de catalyseur des IRSC # 126630 AF et MR. AF est le destinataire d'un FRSQ Chercheur Boursier junior 1 bourse # 24639. MV a été soutenue par une bourse de recherche au doctorat des IRSC # 291485.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
HOS cells ATCC CRL-1543
White Opaque Tissue Culture Plate, 96 well, Flat Bottom BD 353296
Polyethylenimine, linear, 25000 MW Polysciences 23966 Prepared in 1mg/ml solution
Dulbecco's Modified Eagle Medium Invitrogen 11995
Goat Anti-Human IgG, Peroxidase Conjugated Pierce 31413
Enhanced Chemiluminescence Substrate PerkinElmer NEL105001EA
TriStar LB 941, Plate Reader Berthold Technologies

References

  1. Bures, R., et al. Immunization with recombinant canarypox vectors expressing membrane-anchored glycoprotein 120 followed by glycoprotein 160 boosting fails to generate antibodies that neutralize R5 primary isolates of human immunodeficiency virus type 1. AIDS Res. Human Retroviruses. 16, 2019-2035 (2000).
  2. Koff, W. C. HIV vaccine development: challenges and opportunities towards solving the HIV vaccine-neutralizing antibody problem. Vaccine. 30, 4310-4315 (2012).
  3. Mascola, J. R., et al. Immunization with envelope subunit vaccine products elicits neutralizing antibodies against laboratory-adapted but not primary isolates of human immunodeficiency virus type 1. The National Institute of Allergy and Infectious Diseases AIDS Vaccine Evaluation. 173, 340-348 (1996).
  4. Rerks-Ngarm, S., et al. Vaccination with ALVAC and AIDSVAX to prevent HIV-1 infection in Thailand. N. Engl. J. Med. 361, 2209-2220 (2009).
  5. Roederer, M., et al. Immunological and virological mechanisms of vaccine-mediated protection against SIV and HIV. Nature. 505, 502-508 (2014).
  6. Fennie, C., Lasky, L. A. Model for intracellular folding of the human immunodeficiency virus type 1 gp120. J. Virol. 63, 639-646 (1989).
  7. Willey, R. L., Bonifacino, J. S., Potts, B. J., Martin, M. A., Klausner, R. D. Biosynthesis cleavage, and degradation of the human immunodeficiency virus 1 envelope glycoprotein gp160. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 85, 9580-9584 (1988).
  8. Bosch, V., Pawlita, M. Mutational analysis of the human immunodeficiency virus type 1 env gene product proteolytic cleavage site. J. Virol. 64, 2337-2344 (1990).
  9. Hallenberger, S., et al. Inhibition of furin-mediated cleavage activation of HIV-1 glycoprotein gp160. Nature. 360, 358-361 (1038).
  10. Li, Y., Luo, L., Thomas, D. Y., Kang, C. Y. The HIV-1 Env protein signal sequence retards its cleavage and down-regulates the glycoprotein folding. Virology. 272, 417-428 (2000).
  11. Leonard, C. K., et al. Assignment of intrachain disulfide bonds and characterization of potential glycosylation sites of the type 1 recombinant human immunodeficiency virus envelope glycoprotein (gp120) expressed in Chinese hamster ovary cells. J. Biol. Chem. 265, 10373-10382 (1990).
  12. Wang, W., et al. A systematic study of the N-glycosylation sites of HIV-1 envelope protein on infectivity and antibody-mediated neutralization. Retrovirology. 10 (14), (2013).
  13. Helseth, E., Olshevsky, U., Furman, C., Sodroski, J. Human immunodeficiency virus type 1 gp120 envelope glycoprotein regions important for association with the gp41 transmembrane glycoprotein. J. Virol. 65, 2119-2123 (1991).
  14. Haim, H., Salas, I., Sodroski, J. Proteolytic processing of the human immunodeficiency virus envelope glycoprotein precursor decreases conformational flexibility. J. Virol. 87, 1884-1889 (2013).
  15. Chen, L., et al. Structural basis of immune evasion at the site of CD4 attachment on HIV-1 gp120. Science. 326, 1123-1127 (2009).
  16. Kwong, P. D., et al. HIV-1 evades antibody-mediated neutralization through conformational masking of receptor-binding sites. Nature. 420, 678-682 (2002).
  17. Sakai, K., Takiguchi, M. Toward an effective AIDS vaccine development. Eur. J. Immunol. 43, 3087-3089 (2013).
  18. Veillette, M., et al. Interaction with Cellular CD4 Exposes HIV-1 Envelope Epitopes Targeted by Antibody-Dependent Cell-Mediated Cytotoxicity. J. Virol. 88, 2633-2644 (2014).
  19. Wibmer, C. K., et al. Viral escape from HIV-1 neutralizing antibodies drives increased plasma neutralization breadth through sequential recognition of multiple epitopes and immunotypes. PLoS Pathogens. 9 (e1003738), (2013).
  20. Kovacs, J. M., et al. HIV-1 envelope trimer elicits more potent neutralizing antibody responses than monomeric gp120. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 12111-12116 (2012).
  21. Yuan, W., Bazick, J., Sodroski, J. Characterization of the multiple conformational States of free monomeric and trimeric human immunodeficiency virus envelope glycoproteins after fixation by cross-linker. J. Virol. 80, 6725-6737 (2006).
  22. Guttman, M., Lee, K. K. A functional interaction between gp41 and gp120 is observed for monomeric but not oligomeric, uncleaved HIV-1 Env gp140. J. Virol. 87, 11462-11475 (2013).
  23. Ringe, R. P., et al. Cleavage strongly influences whether soluble HIV-1 envelope glycoprotein trimers adopt a native-like conformation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 18256-18261 (2013).
  24. Desormeaux, A., et al. The highly conserved layer-3 component of the HIV-1 gp120 inner domain is critical for CD4-required conformational transitions. J. Virol. 87, 2549-2562 (2013).
  25. Haim, H., et al. Soluble CD4 and CD4-mimetic compounds inhibit HIV-1 infection by induction of a short-lived activated state. PLoS Pathogens. 5 (e1000360), (2009).
  26. Haim, H., et al. Contribution of intrinsic reactivity of the HIV-1 envelope glycoproteins to CD4-independent infection and global inhibitor sensitivity. PLoS Pathogens. 7 (e1002101), (2011).
  27. Thali, M., et al. Effects of changes in gp120-CD4 binding affinity on human immunodeficiency virus type 1 envelope glycoprotein function and soluble CD4 sensitivity. J. Virol. 65, 5007-5012 (1991).
  28. Medjahed, H., Pacheco, B., Desormeaux, A., Sodroski, J., Finzi, A. The HIV-1 gp120 major variable regions modulate cold inactivation. J. Virol. 87, 4103-4111 (2013).
  29. Thali, M., et al. Characterization of conserved human immunodeficiency virus type 1 gp120 neutralization epitopes exposed upon gp120-CD4 binding. J. Virol. 67, 3978-3988 (1993).
  30. Finzi, A., et al. Topological layers in the HIV-1 gp120 inner domain regulate gp41 interaction and CD4-triggered conformational transitions. Mol. Cell. 37, 656-667 (2010).
  31. Kassa, A., et al. Transitions to and from the CD4-bound conformation are modulated by a single-residue change in the human immunodeficiency virus type 1 gp120 inner domain. J. Virol. 83, 8364-8378 (2009).
  32. Xiang, S. H., et al. Mutagenic stabilization and/or disruption of a CD4-bound state reveals distinct conformations of the human immunodeficiency virus type 1 gp120 envelope glycoprotein. J. Virol. 76, 9888-9899 (2002).
  33. Mouquet, H., et al. Complex-type N-glycan recognition by potent broadly neutralizing HIV antibodies. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 3268-3277 (2012).
  34. Julien, J. P., et al. Broadly neutralizing antibody PGT121 allosterically modulates CD4 binding via recognition of the HIV-1 gp120 V3 base and multiple surrounding glycans. PLoS Pathogens. 9 (e1003342), (2013).
  35. Walker, L. M., et al. Broad neutralization coverage of HIV by multiple highly potent antibodies. Nature. 477, 466-470 (2011).
  36. Moore, J. P., Willey, R. L., Lewis, G. K., Robinson, J., Sodroski, J. Immunological evidence for interactions between the first, second, and fifth conserved domains of the gp120 surface glycoprotein of human immunodeficiency virus type 1. J. Virol. 68, 6836-6847 (1994).
  37. Robinson, J. E., Yoshiyama, H., Holton, D., Elliott, S., Ho, D. D. Distinct antigenic sites on HIV gp120 identified by a panel of human monoclonal antibodies. J. Cell. Biochem. Suppl. 16E (Q449), (1992).
  38. Bonsignori, M., et al. Antibody-Dependent Cellular Cytotoxicity-Mediating Antibodies from an HIV-1 Vaccine Efficacy Trial Target Multiple Epitopes and Preferentially Use the VH1 Gene Family. J. Virol. 86, 11521-11532 (2012).
  39. Brand, D., Srinivasan, K., Sodroski, J. Determinants of human immunodeficiency virus type 1 entry in the CDR2 loop of the CD4 glycoprotein. J. Virol. 69, 166-171 (1995).

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Cite This Article
Veillette, M., Coutu, M., Richard, J., Batraville, L., Désormeaux, A., Roger, M., Finzi, A. Conformational Evaluation of HIV-1 Trimeric Envelope Glycoproteins Using a Cell-based ELISA Assay. J. Vis. Exp. (91), e51995, doi:10.3791/51995 (2014).

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