ويقتصر عمل مع فيروسات الإيبولا المعدية لمستوى السلامة الأحيائية 4 مختبرات. تكرار وفيروس النسخ المختصة مثل الجزيئات التي تحتوي على minigenome Tetracistronic (trVLPs) تمثل نظام نمذجة دورة حياة تسمح لنا نموذج بأمان دورات المعدية متعددة تحت مستوى السلامة الحيوية 2 الظروف، والاعتماد حصرا على مكونات فيروس إيبولا.
تسبب فيروسات الإيبولا النزفية الحادة في البشر والرئيسيات غير البشرية، مع حالة معدلات الوفيات تصل إلى 90٪. لا توجد اللقاحات المعتمدة أو علاجات محددة لهذا المرض التي تسببها هذه الفيروسات، والعمل مع الفيروسات المعدية إيبولا يقتصر على مستوى السلامة الأحيائية 4 مختبرات، مما يحد بشكل كبير من البحوث حول هذه الفيروسات. نظم النمذجة دورة حياة نموذج دورة حياة الفيروس تحت مستوى السلامة الحيوية 2 شروط؛ ومع ذلك، حتى وقت قريب مثل هذه الأنظمة قد اقتصرت على الجوانب الفردية سواء من دورة حياة الفيروس، أو دورة واحدة المعدية. minigenomes Tetracistronic، والتي تتكون من مناطق فيروس إيبولا غير الترميز، الجين المراسل، وثلاثة جينات فيروس إيبولا المشاركة في التشكل، في مهدها، ودخول (VP40، GP 1،2، وVP24)، ويمكن أن تستخدم لإنتاج التكرار والنسخ الجسيمات -competent الفيروسات مثل (trVLPs) التي تحتوي على هذه minigenomes. يمكن لهذه trVLPs تصيب باستمرار الخلايا معربا عن الإيبولابروتينات الفيروس المسؤول عن تكرار الجينوم والنسخ، مما يسمح لنا نموذج بأمان دورات المعدية متعددة تحت مستوى السلامة الحيوية 2 الظروف. الأهم من ذلك، وتستمد مكونات الفيروسية من هذه الأنظمة فقط من فيروس الإيبولا وليس من الفيروسات الأخرى (كما هو، على سبيل المثال، في حالة النظم التي تستخدم الفيروسات pseudotyped) لا overexpressed، وVP40، GP 1،2 و VP24 في هذا النظام ، مما يجعلها مناسبة بشكل مثالي لدراسة التشكل، في مهدها والدخول، على الرغم من الجوانب الأخرى من دورة حياة الفيروس مثل تكرار الجينوم والنسخ ويمكن أيضا أن تكون على غرار مع هذا النظام. وبالتالي، يمثل trVLP فحص tetracistronic نظام النمذجة دورة حياة المتوفرة الأكثر شمولا لفيروسات الإيبولا، ولديه إمكانيات هائلة للاستخدام في التحقيق في البيولوجيا من الفيروسات فيروس إيبولا في المستقبل. هنا، ونحن نقدم معلومات مفصلة عن استخدام هذا النظام، فضلا عن النتائج المتوقعة.
فيروسات الإيبولا هي العامل المسبب لحمى نزفية حادة في البشر والرئيسيات غير البشرية مع معدلات الوفيات تصل إلى 90٪ في تفشي الإنسان 1. بينما تم إحراز تقدم كبير في السنوات الأخيرة في تطوير لقاحات وكذلك علاجات محددة (استعرضت في 2،3)، لا يتم الموافقة عليها هذه للاستخدام البشري. إيبولا جزيئات الفيروس لديها مميزة مثل موضوع ظهور بطول حوالي 1 ميكرون ويبلغ قطرها 96-98 نانومتر 4. وهناك أشكال قفيصة منواة جوهر الجسيمات الفيروسية وتتكون من 1) وغير مجزأة واحد الذين تقطعت بهم السبل، بالمعنى السلبي الجينوم RNA، الذي يشفر الجينات 7 ebolavirus (الشكل 1)، 2) البروتين النووي NP، التي encapsidates الجينوم، 3 ) مجمع الفيروسي البلمرة يتألف من L البلمرة وVP35 العامل المساعد لها، و4) المنشط VP30 النسخي. بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين مؤخرا أن VP24 بروتين يرتبط أيضا مع قفيصة منواةث 4. ويحيط قفيصة منواة من مساحة المصفوفة التي البروتين مصفوفة VP40، وهي المسؤولة عن التشكل والناشئين من virions، ويقع. ويلفها مزيد من جزيئات الفيروس، وجزءا لا يتجزأ في هذا الظرف هو بروتين السطح الوحيد GP 1،2، وهي المسؤولة عن مرفق الفيريون والدخول.
العمل مع فيروسات الإيبولا المعدية لابد من القيام بها في مختبر الاحتواء الأقصى تحت مستوى السلامة الحيوية (BSL) 4 شروط، الذي يقيد هذا العمل إلى عدد قليل من المرافق في جميع أنحاء العالم. من أجل دراسة بيولوجية هذه الفيروسات أو لتطوير علاجات جديدة في ظل ظروف BSL2 والباحثين تعتمد إما على overexpression المؤتلف من فيروس إيبولا البروتينات، أو على نظم النمذجة دورة حياة، وكلاهما يمكن أن يعمل مع في غياب فيروس الايبولا المعدي. يتحقق التعبير المؤتلف من فيروس إيبولا البروتينات إما من البلازميدات التعبير أو ناقلات فيروسية. وهناك حالة خاصة لهذه الاستراتيجية هيجيل من virions أو جزيئات الفيروسات مثل الفيروسات الأخرى على أساس من فيروسات الإيبولا (الفيروسات القهقرية الأكثر شيوعا أو فيروس التهاب الفم الحويصلي) بحضور recombinantly أعرب GP 1،2، مما يؤدي إلى توليد جسيمات pseudotyped، والتي يمكن استخدامها لدراسة عملية دخول filoviruses والشاشة لمثبطات دخول 5. بدلا من ذلك، المؤتلف الفيروسات (مثل فيروس التهاب الفم الحويصلي) التي تكود فيروس إيبولا GP 1،2 بدلا من بروتين سكري الخاصة بهم يمكن توليدها واستخدامها لدراسة دخول الفيروس تحت مستوى السلامة الحيوية 2 شروط 6.
نظم النمذجة دورة حياة هي أشكال من أنظمة الوراثة العكسية وشارك فيها استخدام اقتطاع نظائرها جينوم فيروس إيبولا (minigenomes)، التي يتم إنتاجها في البداية من [كدنا] ثم تكرارها ونسخها بواسطة بروتينات فيروس إيبولا في المقدمة العابرة. وقد تم تطوير نظام minigenome الأول لفيروس إيبولا منذ أكثر من 15 عاما 7، ومنذ ذلك الحين تستخدم لدراسة فيروس إيبولا تكرار الجينوم والنسخ (استعرضت في 8،9). في هذا النظام على minigenome monocistronic تتألف من الجين مراسل واحد يحيط بها من المناطق الطرفية غير الترميز من الجينوم فيروس إيبولا (دعا الزعيم ومقطورة) (الشكل 1) يتم التعبير في خلايا الثدييات (عادة عن طريق النسخ باستخدام T7 RNA البلمرة) جنبا إلى جنب مع البروتينات الفيروسية L، VP35، VP30 وNP. وencapsidated على minigenome بواسطة NP، ومن ثم تكرارها وكتب من قبل البروتينات قفيصة منواة أخرى باستخدام إشارات رابطة الدول المستقلة المفعول المحلية في الزعيم ومقطورة، مما أدى إلى النشاط الصحفي الذي يعكس هذين الجانبين من دورة حياة فيروس (الشكل 2).
من أجل نمذجة خطوات إضافية من دورة حياة الفيروس، النسخ والتكرار المختصة للفيروسات مثل الجسيمات وقد وضعت أنظمة (trVLP)، والتي تقوم على أنظمة minigenome الكلاسيكية، ولكن ميزة لالتعبير dditional من البروتينات الفيروسية الأخرى VP24، VP40 وGP 1،2 من البلازميدات التعبير 10،11. وجود VP40 يؤدي إلى تشكيل trVLPs التي تتحمل GP 1،2 على سطحها، وتحمل قفيصة منواة التي تحتوي على minigenome في الداخل. هذه trVLPs يمكن استخدامها لتصيب الخلايا المستهدفة، والتي إما أن تكون قد pretransfected مع البلازميدات التعبير عن L، VP35، VP30 وNP، لتسهيل التكرار والنسخ من minigenomes جلبت الى الخلايا المستهدفة ضمن trVLPs 11، أو هي ساذجة الخلايا المستهدفة (أي دون التعبير يحركها بلازميد من فيروس إيبولا البروتينات) 10. هذه النتائج في النشاط الصحفي في الخلايا المستهدفة، وهو ما يعكس تكرار minigenomes في الخلايا المنتجة، والتشكل مهدها من trVLPs، دخولهم إلى الخلايا المستهدفة، و1) في حالة الخلايا المستهدفة pretransfected أيضا مضاعفة الجينوم والنسخ الثانوي ( أي نسخ من البروتينات الفيروسية همزuced في الخلايا المستهدفة) في الخلايا المستهدفة، أو 2) في حالة الخلايا المستهدفة ساذجة أيضا النسخ الأولية (أي النسخ من البروتينات الفيروسية جلبت الى الخلايا المستهدفة ضمن trVLPs) (الشكل 3). الأهم من ذلك، فقط قد تم استخدام هذه النظم في تصميم نموذج لدورة واحدة المعدية، والاعتماد على overexpression من جميع البروتينات الفيروسية، والتي في حالة وVP24 VP40 هو إشكالية خاصة، حيث ثبت أن هذه البروتينات المنظمين سلبية قوية من تكرار الجينوم وعندما overexpressed النسخ من البلازميدات 12،13. علاوة على ذلك، الاستعدادات trVLP المنتجة في هذه النظم تحتوي على نسبة عالية من الجسيمات غير معدية مما يشكل تحديات خطيرة لتحليل الكيمياء الحيوية من trVLPs المعدية 14.
من أجل التغلب على هذه المشاكل، وقد وضعنا مؤخرا نظام minigenome tetracistronic أنه بالإضافة إلى الجين المراسل، يحتوي أيضا على الجينات التي تكود للVP40، GP 1،2 وVP24 (الشكل 1). على غرار نظام minigenome monocistronic الكلاسيكية، وهذا النظام يؤدي إلى إنتاج trVLPs التي يمكن ان تصيب الخلايا المستهدفة (الشكل 4) 15. ومع ذلك، وعلى النقيض من نظام minigenome الكلاسيكية، ويتم إنتاج VP40، GP 1،2، وVP24 بعد الجينوم الفيروسي النسخ بدلا من أن overexpressed من البلازميدات. ونتيجة لذلك، حركية ومستويات التعبير عن هذه البروتينات تقليد أكثر من ذلك بكثير عن كثب تلك التي وجدت خلال دورة الحياة الفيروسية، وبالتالي نسبة من الأمراض المعدية إلى trVLPs غير المعدية يزداد حوالي 500 أضعاف في هذا النظام 15. وعلاوة على ذلك، وذلك باستخدام هذا النظام كان من الممكن باستمرار مرور trVLPs التي تحتوي على minigenome tetracistronic، ووضع نماذج دورات المعدية متعددة. على هذا النحو، trVLPs tetracistronic حاليا نظام النمذجة دورة حياة أشمل المتاحة لدراسة فيروس إيبولا البيولوجيا في ظل ظروف BSL2. هنا، ونحن نقدم معلومات مفصلة عن استخدام سو هذا النظام، فضلا عن النتائج المتوقعة.
الفحص trVLP tetracistronic وصفها في هذه المخطوطة يسمح نمذجة دورة حياة فيروس إيبولا على مدى عدة دورات المعدية. الأهم من ذلك أن trVLPs المنتجة في هذا النظام لا تحتوي على المعلومات الوراثية للبروتينات قفيصة منواة NP، VP35، VP30، ولام، والتي تشكل معا ما يقرب من 60٪ من جينوم فيروس إيبولا والضرورية لتكاثر الفيروس. بدلا من ذلك، هذه البروتينات يجب أن تكون المقدمة في الخلايا المستهدفة في العابرة من البلازميدات التعبير، وأي عدوى الخلايا لا تعبر عن كل 4 من تلك البروتينات هو فاشل. الأهم من ذلك، لا يوجد دليل من إعادة التركيب الجيني للfiloviruses، وليس هناك أي مناطق متماثلة المشتركة بين minigenome tetracistronic والبلازميدات التعبير عن البروتينات قفيصة منواة. وبالتالي، ليس هناك أي دليل لا عمليا ولا أي أساس النظرية التي يمكن أن توفر إمكانية لتوليد كامل طول الجينوم فيروس الايبولا التي يمكن بعد ذلك أن ينتج فيإنتاج فيروسات الإيبولا المعدية، مما يجعل هذا النظام آمن للاستخدام في ظروف BSL2.
هناك نوعان من الخطوات الحاسمة في trVLP فحص tetracistronic أن تتأثر الظروف التجريبية، أي إنتاج trVLPs، وإصابة الخلايا المستهدفة مع هذه trVLPs. إنتاج trVLPs يعتمد على مستويات عالية من تكرار minigenome والنسخ، وهذا بدوره يعتمد على ترنسفكأيشن كفاءة عالية. فعالية ترنسفكأيشن يمكن تقييمها بسهولة من قبل بما في ذلك السيطرة -l، حيث يتم تبادل البلازميد عن التعبير L لترميز EGFP التعبير البلازميد. معدلات ترنسفكأيشن في ظل هذه الظروف يجب أن يتجاوز 50٪ عن طريق التفتيش مع المجهر مضان 24 ساعة ترنسفكأيشن آخر. علاوة على ذلك، يجب أن تكون خلايا خالية من الميكوبلازما، لأن في تجربتنا التلوث الميكوبلازما يضعف بشكل كبير minigenome تكرار والنسخ (بيانات غير منشورة). وترجع الزيادة إلى ارتفاع 293 م transfectabilityLLS هي خط خلية من خيار لفحوصات trVLP. ومع ذلك، وهذه الخلايا هي عرضة سيئة نسبيا (وإن لم يكن الانكسار تماما) للإصابة بفيروس إيبولا 16. التعبير عن عامل مرفق مثل تيم (1) يعزز إصابة 293 الخلايا مع trVLPs حوالي 100 أضعاف، وأمر حاسم لنجاح هذا النظام على العديد من المقاطع.
بينما trVLPs tetracistronic لا تتكاثر ذاتيا من تلقاء نفسها، فهي تتكاثر ذاتيا في الخلايا التي تعبر عن البروتينات قفيصة منواة. على هذا النحو، والاحتياطات يجب أن تتم لتجنب التلوث المتبادلة بين الآبار التي تحتوي على trVLPs مختلفة (على سبيل المثال، مع طفرات مختلفة في minigenome). من الناحية الفنية أكثر، وذلك بسبب الفارق الكبير بين الإشارات الإيجابية والسلبية في هذا الاختبار (حوالي 4 سجلات)، عبر الحديث بين عينات عند قياس النشاط وسيفيراز يمكن أن تكون المسألة؛ ومع ذلك، يمكن تجنبها بسهولة من خلال ترك جيدا فارغ واحد بين كل عينة في96 لوحة جيدا المستخدمة لقياس النشاط luciferase المراسل.
هناك العديد من التطبيقات الممكنة لtrVLPs tetracistronic. من الواضح، فهي مناسبة تماما لدراسة دخول الجسيمات filovirus، منذ trVLPs معدية لديهم بنية تشبه موضوع نموذجي من filoviruses المعدية 14، وتحتوي على نفس المكونات الفيروسية والجسيمات filovirus. الأهم من ذلك، أنها لا تحتوي على مكونات الفيروسات الأخرى، كما هو الحال عند استخدام virions pseudotyped أو جزيئات الفيروسات مثل، مثل جزيئات الارتجاعي تحمل GP 1،2، أو المؤتلف الفيروسات، مثل فيروس التهاب الفم الحويصلي المؤتلف التعبير عن 1،2 GP . شرط العوامل المرفق عند استخدام 293 الخلايا كما الخلايا المستهدفة في هذا النظام يمكن استغلالها للكشف عن والتحقيق في دور هذه العوامل المرفق، بينما الأدوار من العوامل الخلوية الأخرى، مثل تلك المتضمنة في النسخ المتماثل الجينوم والنسخ وكذلك التشكل وبرعمدينغ، يمكن التحقيق باستخدام تكنولوجيا رني. ويمكن أيضا تأثير الطفرات في البروتينات الفيروسية على دورة حياة الفيروس أن تدرس، على الرغم من أن على المرء أن نأخذ في الاعتبار أنه في حين VP40، GP 1،2، ويتم التعبير عن VP24 بعد النسخ الفيروسي، ويتحقق التعبير عن البروتينات الفيروسية الأخرى من التعبير البلازميدات، حتى أن الآثار بسبب overexpression من هذه البروتينات يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار. أيضا، يجب الحرص على أن الطفرات في minigenome لا يغير كثيرا من طول minigenome، لأن النشاط مراسل يتأثر مباشرة من قبل minigenome طول 15. أخيرا، منذ minigenomes tetracistronic هي نظائرها الجينوم الفيروسية التي تحمل الجينات الفيروسية، ويتم نسخ من مجمع البوليميراز الفيروسي، فإنه ينبغي أيضا أن يكون من الممكن دراسة تطور هذه الجينات في استجابة إلى حدوث طفرات في ظل ظروف BSL2. وهكذا، في حين لا تزال تحتاج إلى مزيد من الدراسات في هذا الاتجاه، فإنه ينبغي أن يكون من الممكن، على سبيل المثال، ليعرض دون المستوى الأمثلالطفرات في الجينات داخل minigenome ثم trVLPs مرور حتى ظهور الطفرات مجانية.
واحد الحد من الفحص trVLP tetracistronic الذي يجب أن يوضع في الاعتبار هو حقيقة أنه في حين أن معظم نماذج دورة حياة الفيروس، ليست على غرار النسخ الأساسي في الخلايا المستهدفة من قبل هذا النظام، حيث الخلايا المستهدفة لها للتعبير عن البروتينات قفيصة منواة في العابرة من أجل أن trVLPs لتكرار. إذا النسخ الأولية لابد من تقييمها، فمن الممكن استخدام الخلايا المستهدفة ساذجة 10؛ ومع ذلك، في هذه الحالة لا تكرار الجينوم يحدث في الخلايا المستهدفة، ويتم إنتاج أي trVLPs معدية أخرى، إجهاض العدوى. هذا هو المشكلة الرئيسية التي لا يمكن التغلب عليها دون جعل trVLPs تماما تتكاثر ذاتيا، عن طريق تضمين جينات البروتينات قفيصة منواة في minigenome، التي من شأنها أن الواقع تحويلها إلى الفيروسات المعدية إيبولا المؤتلف. في الواقع، Ebolمعربا عن فيروسات تم إنشاء وسيفيراز أو صحفيين آخرين، ويمكن استخدامها لتقييم ودراسة تكرار الجينوم والنسخ 17،18. ومع ذلك، يقتصر استخدامها إلى مختبرات BSL4. أيضا، لا بد من أن يوضع في الاعتبار في حين VP40، GP 1،2، وVP24 يتم التعبير من الجينوم الفيروسي التناظرية، وضعهم في minigenome (2 الثانية، الثالثة 3 و 4 تشرين حدة النسخي) ليست مطابقة ل موقفهم في الجينوم الفيروسي (3 الثالثة، ال 4، و 6 عشر وحدة النسخي)، والتي يمكن أن تؤثر على مستويات التعبير المطلقة، وكذلك مستويات التعبير النسبية بالنسبة لبعضها البعض.
عموما، يمثل trVLP فحص tetracistronic نظام النمذجة دورة حياة أشمل للفيروسات الإيبولا المتاحة حتى الآن، ويسمح للنمذجة تكرار الجينوم والنسخ، والجسيمات التشكل والناشئين، وكذلك التعلق وENمحاولة في الخلايا المستهدفة على مدى دورات متعددة المعدية. على هذا النحو، لديها إمكانات هائلة للاستخدام في التحقيق في البيولوجيا من الفيروسات فيروس إيبولا في ظل ظروف BSL2.
The authors have nothing to disclose.
الكتاب ممتنون جدا لبوب فيشر (LV، DIR، NIAID، المعاهد الوطنية للصحة)، الذي قام بدور الراوي، وكذلك أوستن أثمان (RTB، DIR، NIAID، NIH) وميغان مورغان (DOHS، ORS، OD، NIH) ل مساعدتهم في صنع الفيلم يرافق هذه المخطوطة. وعلاوة على ذلك، نود أن نشكر أليسون Groseth (LV، DIR، NIAID، NIH) لقراءة نقدية للمخطوطة. وأيد هذا البحث من قبل برنامج بحوث جماعية من المعاهد الوطنية للصحة، NIAID.
75cm2 cell culture flask | Corning | 430641 | |
DMEM | Sigma | D6546 | preheat to 37°C prior to use |
FBS | Life Technologies | 26140-079 | heat inactivate 30 min @ 56°C |
L-Glutamine | Life Technologies | 25030-081 | 100X |
Pen Strep | Life Technologies | 15070-063 | 100X |
0.25% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200-056 | |
PBS | 8 g NaCl, 0.2g KCl, 1.44g Na2HPO4, 0.24 g KH2PO4, H2O ad 1 liter; autoclave and store at room temperature | ||
6-well plates | Costar | 3516 | |
Opti-MEM I | Life Technologies | 31985-070 | |
Transit LT1 | Mirus | MIR 2300 | |
Glo lysis buffer | Promega | E2661 | |
Renilla Glo luciferase assay system | Promega | E2720 | |
96-well assay plate (white) | Costar | 3912 | |
Modulus microplate luminometer | Turner Microsystems | 998-9300 |