Un protocolo rápido y modular para la generación de virus recombinantes de la vacuna que expresan las proteínas fluorescente marcadas simultáneamente usando el método de selección dominante transitoria se describe aquí.
El etiquetado de proteínas virales con proteínas fluorescentes ha demostrado ser un enfoque indispensable para promover nuestra comprensión de las interacciones virus-huésped. El virus de vaccinia (VACV), la vacuna viva utilizada en la erradicación de la viruela, es particularmente susceptible a la microscopía fluorescente de células vivas debido a su gran tamaño de virión y la facilidad con la que se puede diseñar a nivel del genoma. Divulgamos aquí un protocolo optimizado para generar virus recombinantes. Se determinaron los requisitos mínimos para la recombinación homóloga dirigida durante la replicación de vaccinia, lo que permite la simplificación de la generación de constructos. Esto permitió la alianza de la selección dominante transitoria (TDS) con un reportero fluorescente y la selección metabólica para proporcionar un acercamiento rápido y modular a las proteínas virales fluorescente de la etiqueta. Al racionalizar la generación de virus recombinantes fluorescentes, podemos facilitar aplicaciones posteriores, como el análisis avanzado de imágenes de muchos aspectos de la interacción virus-huésped que se produce durante la replicación del virus.
El virus de Vaccinia (VACV) es el poxvirus prototípico y altamente relacionado con el virus de la variola, el agente causativo de la viruela. Ambos virus son miembros del género Orthopox que incluye otros patógenos notables como la viruela del mono y el virus de la ectromelia (viruela del ratón)1. Los orthopoxvirus tienen grandes genomas de ADN de doble cadena (180-220 kb) que codifican más de 200 marcos de lectura abiertos predichos2,3. La replicación de estos virus implica la formación de una fábrica de virus perinucleares, donde se fabrican virus maduros (VM), y la red trans-Golgi donde un subconjunto de MV adquiere dos membranas adicionales para generar virus envueltos (WV) (revisado por Roberts y Smith4). Los genomas de la ortopóx son altamente susceptibles de manipulación genética debido al alto grado de recombinación genética que es una característica de la replicación del genoma vacv y está mediada por la ADN polimerasa viral5. La generación de virus recombinantes se basa en la recombinación homóloga y moléculas de ADN lineales con homologías tan pequeñas como 12 pb que son suficientes para mediar la recombinación en células infectadas por virus de vaccinia6. El etiquetado fluorescente del virus de la vaccinia puede producir partículas de virus extremadamente brillantes debido al gran tamaño de las partículas de ortopóso, lo que permite la incorporación de muchas proteínas fluorescentes por virión7. Vaccinia tiene la capacidad de transportar grandes fragmentos de ADN extraño8 y, además, la falta de simetría rígida de la cápside puede permitir un grado de flexibilidad a la hora de expresar fusiones de genes de proteínas virales a partir de sus loci endógenos9. El etiquetado fluorescente de las proteínas VACV ha demostrado ser invaluable para el estudio de las interacciones huésped-patógeno a nivel subcelular, particularmente en el campo de la entrada de virus10,transporte11-13,y morfogénesis, particularmente de viriones envueltos7.
Los virus recombinantes pueden ser seleccionados por rescate de un fenotipo de crecimiento atenuado14,15,selección metabólica16-18,o por expresión de un gen marcador (porejemplo, X-gal19 o proteína fluorescente13,20). Aquí describimos la selección de virus fluorescentes utilizando una poderosa combinación de selección fluorescente y metabólica. Los vectores de selección dominante transitoria (TDS), desarrollados por Faulkner y Moss (1990)21,permiten integrar marcadores junto con el gen de interés marcado fluorescentemente deseado. Cuando se elimina la selección metabólica, puede ocurrir un evento de recombinación secundaria que suprime los genes de selección, pero deja intacta la proteína del virus marcada con fluorescente. La Figura 2 a continuación proporciona una visión general del procedimiento experimental. Los genes de selección utilizados en este estudio son mCherry y el gen de la Guanina fosforibosiltransferasa de Escherichia coli (gpt),ambos expresados a partir de un promotor viral sintético temprano/tardío y utilizados previamente por Cordeiro et al. 22 Además, hay fluorescencia de la proteína de fusión etiquetada de interés. Cuando se elimina la selección metabólica, los marcadores seleccionables(mCherry y gpt)se eliminan, dejando solo la fluorescencia del gen marcado, lo que permite la identificación de los virus recombinantes correctos. La escisión de los marcadores de selección proporciona la posibilidad de combinar múltiples etiquetas fluorescentes, lo que nos permite crear virus con la capacidad de etiquetar fluorescentemente varias proteínas virales simultáneamente. Estudios previos han determinado los requisitos mínimos de homología para la recombinación de vaccinia de moléculas de ADN lineales y circulares transfectadas en células infectadas por virus vaccinia6. Se quiso determinar las eficiencias de recombinación de las diferentes longitudes de homología de los brazos flanqueantes en el vector TDS gpt-mCherry a través de su incorporación en el genoma viral de la vaccinia. Se determinó que las regiones homólogas de 100 pb en el vector TDS son suficientes para apuntar y mediar en la inserción de ADN recombinante en el genoma del VACV por recombinación homóloga(Figura 4). Mientras que las longitudes más pequeñas de la homología también permitirían la recombinación, las longitudes de la homología de 100 puntos de ebullición proporcionaron bastantes virus recombinantes que se podrían identificar fácilmente con la selección metabólica y fluorescente. Los fragmentos de ADN de este tamaño se pueden sintetizar comercialmente a un costo relativamente bajo y facilita en gran medida la producción de múltiples vectores para la creación de virus recombinantes. Se optó por aumentar la longitud de la homología a 150 pb para proporcionar una mayor frecuencia de recombinación mientras se mantienen bajos los costos de síntesis de la secuencia de oligonucleótidos de las regiones de flanqueo.
Esta técnica describe un protocolo eficiente y modular para la creación de virus recombinantes que expresan proteínas virales marcadas fluorescentemente. El método asegura que el único cambio en el genoma viral es la adición de una etiqueta o marcador, sin dejar marcadores de selección. La corta longitud del brazo requerida para la recombinación homóloga permite su síntesis directa, eliminando varias rondas que consumen mucho tiempo de PCR y clonación, mientras que la fluorescencia de mCherry y la selección metabólica de GPT se utilizan para aislar los intermedios de recombinación viral. Estos intermedios se pueden resolver, después de la eliminación de la selección, a un virus con un gen marcado o de nuevo al tipo parental. Un método similar que implica el uso de la selección fluorescente y metabólica se ha descritopreviamente 27 aunque el método usado en este estudio utilice regiones más cortas, sintetizadas de la homología, permitiendo la identificación del virus recombinante deseado proyección de imagen la fluorescencia del gene marcado de interés. Esta selección secundaria solo es aplicable para el etiquetado de genes virales altamente expresados que producen suficiente fluorescencia en un ensayo de placa. Alternativamente, se podría prever la inserción de un casete de expresión completa, por ejemplo una proteína fluorescente bajo un fuerte promotor viral. En este caso, los brazos izquierdo y derecho definirían el punto de inserción en lugar del gen viral a etiquetar.
Hay algunos pasos clave que resultaron útiles durante el procedimiento experimental. La superposición líquida en el paso 2.3.3 descrito anteriormente resultó crucial para la detección y aislamiento de placas fluorescentes rojas/verdes. Creemos que la combinación de los reactivos de selección de GPT y la superposición de agarosa disuadió el crecimiento de virus recombinantes y, por lo tanto, cambió a una superposición líquida para el primer paso de amplificar los virus después de la transfección. También es importante elegir placas fluorescentes que muestren fluorescencia de color de etiqueta localizada para el enriquecimiento y la purificación, ya que los productos intermedios resultantes de la recombinación del brazo izquierdo pueden resultar en fluorescencia difusa observada en placas si el brazo izquierdo también contiene una secuencia promotora. El gen marcador mCherry en el vector TDS también puede ser reemplazado por gfp,por ejemplo, para permitir la fácil incorporación y selección de mCherry como una etiqueta fluorescente.
Algunas técnicas descritas anteriormente varían ligeramente de los métodos establecidos para crear el virus de la vaccinia recombinante. Por ejemplo, el MOI del virus utilizado para crear recombinantes es normalmente inferior a 128,sin embargo, el uso de MOIs más altos ha sido suficiente para la creación de virus de vaccinia recombinante por este método. El uso de reactivos de selección de GPT normalmente requiere la preincubación de las células con reactivos de selección18,sin embargo, agregarlos durante la fase de rescate posterior a la infección todavía proporcionó suficiente selección de recombinantes deseados, particularmente debido a la presencia de un marcador de selección fluorescente también.
Como se mencionó anteriormente, una de las limitaciones de esta técnica es que el paso secundario de selección de fluorescencia se basa en que la proteína etiquetada de interés esté altamente expresada, a un nivel que permita su detección por ojo en un ensayo de placa. Sin esto, sería posible purificar virus que solo exhibieron fluorescencia mCherry, de los cuales al menos el 50% contendría los virus recombinantes deseados, que podrían ser identificados mediante estrategias moleculares como la PCR descrita en el paso 2.12 anterior. Otra limitación podría ser la inactivación de ciertas proteínas como resultado de su etiquetado. La etiqueta fluorescente puede sufrir mutaciones o ser extirpada por el virus recombinante con el paso con el tiempo. Por lo tanto, se recomienda el muestreo regular de las existencias de virus recombinantes por microscopía y PCR. Finalmente, puede haber un límite en el número de proteínas marcadas fluorescentemente que se pueden incorporar en un solo virus. Un aspecto de esto es la capacidad de visualizarlos a todos simultáneamente; dada la naturaleza superpuesta de los espectros de emisión de las etiquetas fluorescentes disponibles, es importante seleccionarlas cuidadosamente para garantizar un sangrado espectral mínimo. Además, el uso de etiquetas estrechamente relacionadas como GFP y Cerúleo abre la posibilidad de recombinación entre los dos, dependiendo de sus ubicaciones en el genoma recombinante.
La naturaleza modular de esta técnica permite la sustitución simple de etiquetas fluorescentes basadas en la compatibilidad con otras opciones de tinción y / o etiquetas. Mediante la eliminación de marcadores seleccionables, el método TDS permite la adición en serie de varias proteínas fluorescentes o la combinación de etiquetado basado en TDS con deleciones de genes basadas en TDS para análisis fenotípicos29. Como ejemplo de la utilidad de este enfoque, se generó un virus fluorescente de doble etiqueta que etiqueta los núcleos del virus y la membrana WV. Los estudios de imágenes con este virus podrían utilizarse para estudiar el movimiento, la morfogénesis y el envoltorio del virus durante la replicación del virus. Las proteínas virales de vaccinia aún no caracterizados también pueden ser etiquetadas y estudiadas por esta técnica.
El virus de Vaccinia se ha utilizado extensivamente en estudios de la proyección de imagen debido a muchas características del virus que son favorables a la microscopia de la vivir-célula. Las etiquetas fluorescentes se expresan a partir del genoma viral, eliminando la necesidad de transfección, lo que permite analizar fácilmente las células primarias derivadas de animales infectados o células no transmisibles. Inicialmente, los VVV fluorescentes se utilizaron para el seguimiento subcelular simple del movimiento del virus30,pero los enfoques más recientes han ampliado su utilidad para incluir estudios FRET31,FRAP en partículas de virus único32,reporteros promotores33,imágenes intravitales34y estudios estructurales35-37. Todas estas técnicas podrían estar al alcance de la mano junto con este método de creación de virus fluorescentes recombinantes.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue financiado por la subvención del Proyecto de Descubrimiento de la Federación australiana del Consejo de Investigación #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) |