我们这里描述了 hbv dna 的体外生成通过乙型肝炎病毒感染系统和高度敏感的检测其 (1-2 拷贝) 整合使用反向嵌套 pcr。
乙型肝炎病毒 (hbv) 是一种常见的血液传播病原体, 可引起肝癌和慢性感染引起的肝硬化。这种病毒一般通过可发性 dna 中间体复制;然而, 已经观察到 hbv dna 片段整合到宿主基因组中, 尽管这种形式不是病毒复制所必需的。hbv dna 整合发生的确切目的、时间和机制尚不清楚, 但最近的数据显示, hbv dna 整合发生在感染后很早就发生了。本文详细介绍了乙型肝炎病毒 dna 积分的体外生成和检测。我们的协议专门放大病毒细胞 dna 积分的单拷贝, 并允许对结点序列进行绝对定量和单碱对解析。这项技术已被应用于各种 hbv 易感细胞类型 (包括原代人肝细胞), 各种乙肝病毒突变体, 并结合各种药物接触。我们预见这种技术将成为确定这种临床相关现象的潜在分子机制的关键分析方法。
hbv 是一种双链 dna 病毒, 可引起终身慢性感染, 导致肝硬化和肝细胞癌 (hcc)1,2,3。虽然有多种分子机制驱动乙肝病毒持久性4 (例如,表观遗传病毒转录模板的高稳定性, 逃避免疫监测, 以及肝脏中肝细胞的低更替率) 及其相关hcc 发生 5,6 (例如,慢性炎症和激活细胞应激途径) 的风险, hbv dna 整合到宿主细胞基因组 (报告的这两种现象的机制) 已经研究得很差.一个主要原因是缺乏合适的乙肝病毒体外感染系统, 无法可靠地检测整合事件。在这里, 我们描述了最近开发的 hbv dna 积分体外生成和检测的协议, 可用于阐明潜在的分子机制及其后果。
乙肝病毒复制和乙肝病毒 dna 整合的形成已在前面详细回顾了 7。简单地说, 乙肝病毒进入肝细胞使用 tau胆酸钠联合运输肽 (ntcp) 作为感染的主要细胞受体8,9。hbv 核壳体含有 hbv 松弛的圆形 dna (rcdna) 基因组进入细胞核, 将 rcdna 转化为会代共价闭合的圆形 dna (cccdna)。核 cccDNA 作为病毒 rna 和基因组 rna (pgrna)10的转录模板。然后将 hbv 聚合酶和 pgrna 包装成新形成的核细胞 (由 hbv 核心蛋白质二聚体组成)。hbv pgrna 在核壳内进行逆转录酶转录, 导致 rcdna 基因组或双链线性 dna (dsldna) 基因组 11,12。这些含有 hbv dna 基因组的成熟核壳最终被包覆并作为病毒出口。
含有 dsldna 分子的包覆颗粒对肝细胞的感染可导致病毒整合到宿主细胞基因组 13中, 从而导致 hbv dna 7、14、15的复制不合格形式。hbv dna 整合发生在染色体双链 dna 断裂15。越来越多的证据表明, 每个积分事件发生在宿主细胞基因组16,17中的一个基本随机位置。此外, 乙肝病毒 dna 整合很少发生, 每 10 4个细胞中就有 1个细胞 13、18、19、20。有关乙肝病毒 dna 整合的重要问题仍未得到答案, 特别是所涉及的确切分子途径、对病毒和宿主因子的依赖、从整合形式表达的病毒抗原及其可能的贡献病毒持久性7。我们建立了一个体外模型, 以阐明其中的一些问题。
在 hbv 感染模型中, 乙肝病毒 dna 整合事件 (包括每个细胞的整合率和每个独特整合的拷贝数) 的稀缺性使其难以检测。细胞有丝分裂在我们的体外系统是有限的, 因为分裂细胞不支持有效的感染。因此, 与患者肝组织不同的是, 在患者肝细胞的显克隆扩张发生18,19, 20, 很少 (1 到 2) 副本的每一个整合存在于给定的细胞池在体外感染.我们还发现, 整合主要发生在肝细胞的初始感染期间 (而不是连续在慢性感染的肝细胞中)13。因此, hbv dna 整合不能仅仅通过延长细胞培养时间来提高。
一般而言, 以前用于检测乙肝病毒综合 dna 的方法, 包括南方印迹杂交21、22、23、24、25、alu-pcr26、27, 磁带介导的结扎 pcr28,和全基因组测序29, 30,31, 32,33, 没有灵敏度检测集成的单拷贝。我们和其他研究人员使用反向嵌套 pcr (invpcr) 检测鸭子、土木和人类感染肝脏中的肝病毒 dna整合 13,14, 18,19, 34,35,36。另一些国家对 inpcr 技术进行了程序修改, 这可能会改变假阳性信号的产生, 并限制定量的能力37。如果按照本协议的描述进行检测, invpcr 代表一种特定而敏感的检测方法, 用于识别和定量 (在绝对拷贝数中) 多个 hbv dna 积分。hbv 细胞 dna 连接以单碱基对分辨率测序, 允许在整合13的位点对病毒和宿主 dna 序列进行生物信息研究.
我们之前已经描述了38条来自 hbv 感染组织 dna 的抗光 pcr 结果, 这些组织从广泛的来源中提取, 包括冷冻肝脏组织、石蜡嵌入肝脏切片和分离出的极小的组织样本。激光显微解剖19。该协议概述了利用体外感染后从细胞培养组织中提取的 dna 进行的入侵 pcr 检测的更新版本, 其中生成的整合拷贝数量较低 (每次整合1-2 份)。体外形成的 hbv dna 积分类似于在患者组织中发现的 dbd 整合, 其分布在细胞基因组和病毒序列中的结合部, 整合13,16, 这表明在受感染的肝脏内的可比途径。
在执行该协议之前, 需要注意的是, 此入侵 pcr 检测是一种高度敏感的技术, 能够扩增 dna 模板的单个副本。因此, 限制 pcr 产品的污染至关重要。限制 pcr 产品污染的一般策略包括以下内容。(i) 为方法的不同步骤建立实际独立的区域。每个区域都应该有单独的实验室外套, 在这些区域之间移动时, 应更换手套。我们列出了以下区域, 以便从最可能受到污染的区域到最不可能受到污染的区域: pcr 产品提取和测序反应设置区域 (pcr 后);pcr 模板添加和火焰引脚转移区域 (我们使用 pcr 罩与去污紫外线灯, 效果良好);dna 提取和倒置区 (pcr 前);以及专门用于制备库存和 pcr 溶液的 “无 dna 模板” 区域。(ii) 注意实验室中的气流是交叉污染的潜在驱动因素。特别是, 在燃烧引脚转移步骤中 pcr 反应的交叉污染最有可能发生, 并将导致积分频率的定量不准确。pcr 罩可用于限制这些交叉电流。pcr 中的负控制井 (例如, myrcludex b 处理样品或无模板控制) 也可用于检测交叉污染。(iii) 通过定期使用 dna 降解溶液擦拭移液器和工作表面上潜在的 pcr 污染物来限制这些污染物。
此处指定的协议用于检测由 hep38 细胞系42产生的已知传染性乙肝病毒克隆的整合。如果所使用的接种是不同的乙肝病毒 dna 序列 (例如,从患者血清), 那么 hbv 基因组应首先测序, 以确认 pcr 引物和倒置设计的兼容性。在先前发表的研究19中, 我们使用了3套引物, 这些引物结合了保存的 hbv dna 序列, 这些引物位于预期的 hbv dna 积分连接点的两侧。还描述了其他引物序列和协议, 以确定 hbv44、45、46、47、48的基因组序列, 并可能成功工作。
此外, 还可以使用不同的 hbv 易感细胞 (例如原代人肝细胞、分化的 heprg、hepg2-ntcp 细胞);然而, 我们发现, huh7-ntcp 细胞提供了最大的信噪比, 当考虑到病毒细胞 dna 连接的数量被放大相比, 被扩增的病毒中间 dna 被放大13。特别是, 最终分化的细胞, 如原代人肝细胞或分化的 heprg 不能有效地进行有丝分裂, 导致高水平的可放大乙型肝炎病毒 dna 复制中间体留在细胞内。我们发现, 约90% 的扩增序列代表最终分化细胞中的 hbv dna 重排 (而不是整合事件), 而肝癌细胞组 13的这一比例为70–50%。这些产品通常是 hbv dna 基因组, 在表面和核心开放阅读框架中含有大量缺失, 或者它们可以代表 hbv 准物种, 在sphi 站点之前有一个额外的ncoi 位点。这些乙肝病毒物种的扩增 (包括示意图) 在以前的 13个详细介绍了。
这种方法有几个缺点。由于该协议的费力和多日性质, invpcr 不适合大量样本的高通量分析。此外, 由于它依赖于限制稀释滴定, 我们的方法在定量上并不高;不过, 它应该很容易地测量集成频率的日志级变化。
此外, 我们的反演协议只适用于检测乙肝病毒基因组 dr2 和 dr1 区域之间的整合, 因为大多数乙肝病毒整合发生在该区域49内。对乙肝病毒患者组织的 ngs 分析表明, 在这一地区49之外也可能发生很大的少数 (高达 50%)。新的 oppcr 设计理论上能够检测到这些其他集成站点, 尽管它们 (据我们所知) 尚未进行。相对地, 由于反演所需的病毒细胞结点序列下游所需的限制性酶位点, invpcr 并没有检测到 hbv 基因组 dr2 和 dr1 区域内发生的所有整合 (即,我们估计约10% 的集成是可检测到的, 在硅胶模拟13) 中使用。然而, 当应用于具有少量不同处理方法的聚焦样本时, invpcr 是在单个基对分辨率下检测 hbv 综合 dna 的唯一实用方法之一。
因此, 我们设想这种方法的应用在寻找病毒 (通过乙肝病毒接种突变)、细胞 (通过敲除或过度表达特定细胞基因, 或通过应用各种药物) 和环境 (例如,暴露于氧化应激) 诱导乙肝病毒 dna 整合的因素。通过这种方法和新开发的乙肝病毒感染系统, 我们实现了对这些因素前所未有的控制, 使其能够被很好地隔离和更好地描述。我们还期望, 这将导致对乙肝病毒 dna 整合的细胞后果的关键理解, 包括病毒抗原 (例如hbx 或 hbsag50) 在多大程度上从集成形式表达, 是什么控制了这种表达,乙肝病毒整合是否显著改变细胞表型, 走向更有利于致癌的状态。这些未来研究的结果将对用于治疗慢性乙型肝炎的治疗策略和对病毒本身的基本了解产生深远影响。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了德国感染研究中心 (dzif)、ttu 肝炎项目5.807 和5.807、德国堡 schunggemeinschaft (dfg) trr179 (tp 15) 和澳大利亚艾滋病毒和肝炎病毒学研究中心的资助。
我们感谢威廉·梅森教授在开发原始的 invcr 方法并向我们展示它方面所发挥的作用。我们要感谢易妮博士和弗洛里安·伦普博士的试剂 (细胞系和乙肝病毒接种剂)。我们感谢 anja rippert、franziska schlund、sarah engelhardt 和 katin schöneweis 博士的技术援助。我们感谢 miriam kreinig 的校对, 并感谢尼古拉斯·沙克尔教授和拉尔夫·巴滕施拉格教授的持续支持。
Dulbecco’s PBS | PAA | H15-002 | |
DMEM medium | Thermo Fisher Scientific | 41965 | |
Fetal bovine serum | PAA | A15-151 | Heat-inactivate before use |
Penicillin, 10000U/ml; Streptomycin 10mg/ml, 100× | PAA | P11-010 | |
L-glutamine, 200mM | PAA | M11-004 | |
Trypsin, 0.5 mg/ml; EDTA, 0.22mg/ml, 1× | PAA | L11-004 | |
PEG, MW 8000 | Sigma-Aldrich | 89510 | Stock at 40% w/v in 1xPBS, autoclave before use |
DMSO for spectroscopy | Merck | 102950 | |
Tenofovir disoproxil | Sigma-Aldrich | CDS021622 | Dissolve in DMSO |
Lamivudine | Sigma-Aldrich | L1295 | Dissolve in DMSO |
NucleoSpin Tissue kit | Macherey Nagel | 740952.250 | |
NanoDrop 2000/2000c Spectrolphotometer | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
NcoI-HF | NEB | R3193L | |
T4 DNA ligase | NEB | M0202T | |
Sodium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | L3771 | |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | 433209 | |
Dextran (35 -45 kDa) | Sigma-Aldrich | D1662-10G | |
Absolute Ethanol | Sigma-Aldrich | 32205-1L-D | |
BsiHKAI | NEB | R0570L | |
SphI-HF | NEB | R3182L | |
Amplitaq Gold Taq kit | Thermo Fisher Scientific | 4331816 | Use for first nest PCR |
Silicon sealing Mats for 96-Well PCR Plates | Biorad | 2239442 | |
DNAZap PCR DNA Degradation Solution | Thermo Fisher Scientific | AM9890 | |
96-well PCR plates | Sigma Aldrich | CLS6509 SIGMA | |
96-pin replicator | Thermo Fisher Scientific | 250520 | |
GoTaq Flexi PCR kit | Promega | M8295 | Use for second nest PCR, use green buffer for easy loading of agarose gel |
Biozym LE Agarose | Biozym | 840004 | |
QIAEX II Gel extraction kit | QIAGEN | 20051 |