Un protocole rapide et modulaire pour la génération de virus de vaccinia recombinants exprimant des protéines fluorescentement marquées simultanément utilisant la méthode de sélection dominante transitoire est décrit ici.
Le marquage des protéines virales avec des protéines fluorescentes s’est avéré une approche indispensable pour approfondir notre compréhension des interactions virus-hôte. Le virus de la vaccine (VVAC), le vaccin vivant utilisé dans l’éradication de la variole, se porte particulièrement bien à la microscopie fluorescente à cellules vivantes en raison de sa grande taille de virion et de la facilité avec laquelle il peut être conçu au niveau du génome. Nous rapportons ici un protocole optimisé pour générer des virus recombinants. Les exigences minimales pour la recombinaison homologue ciblée pendant la réplication de la vaccine ont été déterminées, ce qui permet de simplifier la génération de construction. Cela a permis l’alliance de la sélection dominante transitoire (TDS) avec un rapporteur fluorescent et une sélection métabolique pour fournir une approche rapide et modulaire aux protéines virales d’étiquette fluorescente. En rationalisant la génération de virus recombinants fluorescents, nous sommes en mesure de faciliter les applications en aval telles que l’analyse d’imagerie avancée de nombreux aspects de l’interaction virus-hôte qui se produit lors de la réplication du virus.
Le virus de la vaccine (VCA) est le poxvirus prototypique et fortement apparenté au virus de la variole, l’agent causal de la variole. Ces deux virus sont membres du genre orthopox qui comprend d’autres agents pathogènes notables tels que la variole du singe et le virus ectromelia (mousepox)1. Les orthopoxvirus ont de grands génomes d’ADN double brin (180-220 kb) qui codent plus de 200 cadres de lecture ouverts prédits2,3. La réplication de ces virus implique la formation d’une usine de virus périnucléaires, où des virus matures (MV) sont fabriqués, et du réseau trans-Golgi où un sous-ensemble de MV acquiert deux membranes supplémentaires pour générer des virus enveloppés (WV) (examiné par Roberts et Smith4). Les génomes orthopox sont très sensibles à la manipulation génétique en raison du degré élevé de recombinaison génétique qui est une caractéristique de la réplication du génome VACV et est médiée par l’ADN polymérase virale5. La génération de virus recombinants repose sur une recombinaison homologue et des molécules d’ADN linéaires avec des homologies aussi petites que 12 pb étant suffisantes pour arbitrer la recombinaison dans les cellules infectées par le virus de la vaccine6. Le étiquetage fluorescent du virus de la vaccine peut produire des particules virales extrêmement brillantes en raison de la grande taille des particules d’orthopox, ce qui permet l’incorporation de nombreuses protéines fluorescentes par virion7. La vaccine a la capacité de transporter de gros fragments d’ADN étranger8 et de plus, l’absence de symétrie rigide des capsides peut permettre un certain degré de flexibilité lors de l’expression de fusions de gènes de protéines virales à partir de leurs loci endogènes9. Le marquage fluorescent des protéines VACV s’est avéré inestimable pour l’étude des interactions hôte-pathogène au niveau subcellulaire, en particulier dans le domaine de l’entrée du virus10,du transport11-13,et de la morphogenèse, en particulier des virions enveloppés7.
Les virus recombinants peuvent être sélectionnés par le sauvetage d’un phénotype de croissance atténuée14,15,la sélection métabolique16-18,ou par l’expression d’un gène marqueur(par exemple X-gal19 ou protéine fluorescente13,20). Nous décrivons ici la sélection de virus fluorescents à l’aide d’une puissante combinaison de sélection fluorescente et métabolique. Les vecteurs de sélection dominante transitoire (TDS), développés par Faulkner et Moss (1990)21, permettent d’intégrer les marqueurs avec le gène d’intérêt marqué par fluorescence souhaité. Lorsque la sélection métabolique est supprimée, un événement de recombinaison secondaire peut se produire qui excise les gènes de sélection, mais laisse intacte la protéine virale marquée par fluorescence. La figure 2 ci-dessous donne un aperçu de la procédure expérimentale. Les gènes de sélection utilisés dans cette étude sont mCherry et le gène Escherichia coli guanine phosphoribosyltransférase(gpt),tous deux exprimés à partir d’un promoteur viral synthétique précoce/tardif et utilisés précédemment par Cordeiro et al. 22 En outre, il existe une fluorescence de la protéine de fusion marquée d’intérêt. Lorsque la sélection métabolique est supprimée, les marqueurs sélectionnables (mCherry et gpt) sont excisés, ne laissant que la fluorescence du gène marqué, ce qui permet d’identifier les virus recombinants corrects. L’excision des marqueurs de sélection offre la possibilité de combiner plusieurs étiquettes fluorescentes, ce qui nous permet de créer des virus avec la capacité d’étiqueter par fluorescence plusieurs protéines virales simultanément. Des études antérieures ont déterminé les exigences minimales en matière d’homologie pour la recombinaison de la vaccine des molécules d’ADN linéaires et circulaires transfectées en cellules infectées par le virus de la vaccine6. Nous voulions déterminer les efficacités de recombinaison des longueurs variables d’homologie des bras flanquants dans le vecteur TDS gpt-mCherry par son incorporation dans le génome viral de la vaccine. Il a été déterminé que les régions homologues de 100 pb dans le vecteur TDS sont suffisantes pour cibler et arbitrer l’insertion d’ADN recombinant dans le génome vacv par recombinaison homologue (Figure 4). Alors que des longueurs d’homologie plus petites permettraient également la recombinaison, des longueurs d’homologie de 100 pb ont fourni suffisamment de virus recombinants qui pourraient être facilement identifiés avec la sélection métabolique et fluorescente. Des fragments d’ADN de cette taille peuvent être synthétisés commercialement à un coût relativement faible et facilite grandement la production de vecteurs multiples pour la création de virus recombinants. Nous avons choisi d’augmenter la longueur d’homologie à 150 pb pour fournir une plus grande fréquence de recombinaison tout en maintenant bas les coûts de synthèse de la séquence d’oligonucléotide des régions flanquantes.
Cette technique décrit un protocole efficace et modulaire pour la création de virus recombinants qui expriment des protéines virales marquées par fluorescence. La méthode garantit que le seul changement apporté au génome viral est l’ajout d’une étiquette ou d’un marqueur, ne laissant derrière lui aucun marqueur de sélection. La courte longueur de bras requise pour la recombinaison homologue permet sa synthèse directe, éliminant plusieurs cycles chronophages de PCR et de clonage, tandis que la fluorescence de mCherry et la sélection métabolique GPT sont utilisées pour isoler les intermédiaires de recombinaison virale. Ces intermédiaires peuvent être résolus, après la suppression de la sélection, en un virus avec un gène marqué ou de retour au type parental. Une méthode similaire impliquant l’utilisation de la sélection fluorescente et métabolique a été décrite précédemment27 bien que la méthode utilisée dans cette étude utilise des régions plus courtes et synthétisées d’homologie, permettant l’identification du virus recombinant désiré par imagerie de la fluorescence du gène marqué d’intérêt. Cette sélection secondaire ne s’applique qu’au marquage de gènes viraux hautement exprimés qui produisent une fluorescence suffisante dans un essai de plaque. Alternativement, on pourrait envisager l’insertion d’une cassette d’expression complète, par exemple une protéine fluorescente sous un promoteur viral fort. Dans ce cas, les bras gauche et droit définiraient le point d’insertion plutôt que le gène viral à marquer.
Certaines étapes clés se sont avérées utiles au cours de la procédure expérimentale. La superposition liquide de l’étape 2.3.3 décrite ci-dessus s’est avérée cruciale pour la détection et l’isolement des plaques fluorescentes rouges/vertes. Nous croyons que la combinaison des réactifs de sélection GPT et de la superposition d’agarose a dissuadé la croissance des virus recombinants et est donc passée à une superposition liquide pour la première étape de l’amplification des virus après transfection. Il est également important de choisir des plaques fluorescentes montrant une fluorescence localisée de la couleur de l’étiquette pour l’enrichissement et la purification, car les intermédiaires résultant de la recombinaison du bras gauche peuvent entraîner une fluorescence diffuse observée dans les plaques si le bras gauche contient également une séquence promotrice. Le gène marqueur mCherry dans le vecteur TDS peut également être remplacé par gfp,par exemple, pour permettre l’incorporation et la sélection faciles de mCherry comme une étiquette fluorescente.
Certaines techniques décrites ci-dessus diffèrent légèrement des méthodes établies de création du virus de la vaccine recombinante. Par exemple, le MOI du virus utilisé pour créer des recombinants est normalement inférieur à 128, mais l’utilisation de MOIs plus élevés a été suffisante pour la création du virus de la vaccine recombinante par cette méthode. L’utilisation de réactifs de sélection GPT nécessite normalement une préincubation des cellules avec des réactifs de sélection18,mais leur ajout lors de la phase de sauvetage post-infection a tout de même fourni une sélection suffisante de recombinants souhaités, en particulier en raison de la présence d’un marqueur de sélection fluorescent.
Comme mentionné précédemment, l’une des limites de cette technique est que l’étape de sélection de la fluorescence secondaire repose sur la protéine d’intérêt marquée étant fortement exprimée, à un niveau qui permet sa détection par l’œil dans un dosage de plaque. Sans cela, il serait possible de purifier les virus qui ne présentent que la fluorescence mCherry, dont au moins 50% contiendraient les virus recombinants souhaités, qui pourraient être identifiés par des stratégies moléculaires telles que la PCR décrite à l’étape 2.12 ci-dessus. Une autre limitation pourrait être l’inactivation de certaines protéines à la suite de leur marquage. L’étiquette fluorescente peut subir des mutations ou être excisée par le virus recombinant avec passaging au fil du temps. Par conséquent, un échantillonnage régulier des stocks de virus recombinants par microscopie et PCR est recommandé. Enfin, il peut y avoir une limite au nombre de protéines marquées par fluorescence qui peuvent être incorporées dans un seul virus. Un aspect de ceci est la possibilité de les visualiser tous simultanément; étant donné la nature de chevauchement des spectres d’émission des étiquettes fluorescentes disponibles, il est important de les sélectionner avec soin pour assurer un fond perdu spectral minimal. En outre, l’utilisation de balises étroitement liées telles que GFP et Cerulean ouvre la possibilité d’une recombinaison entre les deux, en fonction de leur emplacement dans le génome recombinant.
La nature modulaire de cette technique permet la substitution simple d’étiquettes fluorescentes en fonction de la compatibilité avec d’autres choix de coloration et/ou d’étiquettes. En éliminant les marqueurs sélectionnables, la méthode TDS permet l’ajout en série de diverses protéines fluorescentes ou la combinaison du marquage à base de TDS avec des délétions de gènes à base de TDS pour des analyses phénotypiques29. À titre d’exemple de l’utilité de cette approche, un virus fluorescent à double marquage qui marque les cœurs de virus et la membrane WV a été généré. Les études d’imagerie avec ce virus pourraient être utilisées pour étudier le mouvement, la morphogenèse et l’enveloppement du virus pendant la réplication du virus. Jusqu’à présent, des protéines virales de vaccinia non caractéristiques peuvent également être marquées et étudiées par cette technique.
Le virus de la vaccine a été largement utilisé dans les études d’imagerie en raison de nombreuses caractéristiques du virus qui sont favorables à la microscopie à cellules vivantes. Les étiquettes fluorescentes sont exprimées à partir du génome viral, éliminant le besoin de transfection, permettant aux cellules primaires dérivées d’animaux infectés ou de cellules non transmissibles d’être facilement analysées. Initialement, les VCA fluorescents ont été utilisés pour le suivi subcellulaire simple du mouvement du virus30,mais des approches plus récentes ont élargi leur utilité pour inclure les études FRET31,le FRAP à des particules virales uniques32,les reporters promoteurs33,l’imagerie intravitale34et les études structurelles35-37. Toutes ces techniques pourraient être plus faciles et plus proches couplées à cette méthode de création de virus fluorescents recombinants.
The authors have nothing to disclose.
Ces travaux ont été financés par la subvention discovery project de l’Australian Research Council Federation #1096623.
Mycophenolic acid | Sigma-Aldrich | M3536-50MG | Dissolve in 0.1N NaOH |
Xanthine | Sigma-Aldrich | X0626-5G | Dissolve in 0.1N NaoH |
FuGENE HD transfection reagent | Promega | E2311 | |
Fluorescence microscope fitted with Chroma filters 31001, 31002 | Olympus, Chroma | BX51 (Olympus); 31001, 31002 (Chroma) |