Growth competition between nearly isogenic viruses provides a sensitive measurement for determining relative replication fitness. The protocols described here include the construction of recombinant HIV-1 clones, virus propagation and growth competition and analysis methods optimized to yield sensitive and consistent results.
In vitro fitness assays are essential tools for determining viral replication fitness for viruses such as HIV-1. Various measurements have been used to extrapolate viral replication fitness, ranging from the number of viral particles per infectious unit, growth rate in cell culture, and relative fitness derived from multiple-cycle growth competition assays. Growth competition assays provide a particularly sensitive measurement of fitness since the viruses are competing for cellular targets under identical growth conditions. There are several experimental factors to consider when conducting growth competition assays, including the multiplicity of infection (MOI), sampling times, and viral detection and fitness calculation methods. Each factor can affect the end result and hence must be considered carefully during the experimental design. The protocol presented here includes steps from constructing a new recombinant HIV-1 clone to performing growth competition assays and analyzing the experimental results. This protocol utilizes experimental parameter values previously shown to yield consistent and robust results. Alternatives are discussed, as some parameters need to be adjusted according to the cell type and viruses being studied. The protocol contains two alternative viral detection methods to provide flexibility as the availability of instruments, reagents and expertise varies between laboratories.
Virale replicatie conditie wordt gedefinieerd als het vermogen van een virus om infectieus nageslacht te produceren in een bepaalde omgeving 1 en is een belangrijke factor bij het bepalen van het voorkomen van een virus variant op populatieniveau tijd 2. Zoals in vivo studies conditie niet haalbaar met pathogene menselijke virussen, zoals HIV-1, diverse in vitro en ex vivo replicatie fitness assays werden ontwikkeld om de effecten op fitness gevolge van resistentie tegen immune ontsnappingsmutaties, epistasie en de evolutie bestuderen van virale populaties 3-6. Onder verschillende fitness assays zijn groei competitiebepalingen erkend gevoeliger en valide metingen van fitness verschillen verkregen, als twee of meer virale varianten strijden om dezelfde celpopulatie onder exact dezelfde omgevingsomstandigheden, zoals gebeurt in vivo 1,7,8. Voordat groei concurrentie-experimenten te beginnen, enkele variables behoeft te worden vastgesteld, inclusief het gebruik van verschillende veelvouden van infectie (MOI), virale invoerfactor en timing van monsters voor analyse. We hebben de effecten van deze parameters op de virale kinetiek en de groei van het resultaat van de concurrentie-experimenten bestudeerd en hebben in celcultuur 9 belangrijke factoren die nodig zijn voor robuuste metingen van HIV-1 fitness geïdentificeerd.
Naast assay variabelen zijn verschillende methoden voor het kwantificeren van virale varianten groei competitie-experimenten. Bulk 10,11 of 12,13 klonale sequentie werd gebruikt om de verhouding van de concurrerende virussen gebaseerd op de nucleotide frequenties op de plaats (en) van belang te bepalen. Relatieve fitness is afgeleid van veranderingen in deze verhouding in de tijd. Deze methode is handig als DNA sequencing services zijn overal verkrijgbaar. De parallelle allel-specifieke sequencing (PASS) methode maakt sequencing op meerdere plaatsen en de opsporing van recombinanten 14 </sup>, Maar het vereist ook speciaal ontwikkelde reagentia en detectiesystemen. In wezen zijn deze werkwijzen ontwikkeld om virusstammen studie met een klein aantal nucleotide verschillen in een van belang. Andere werkwijzen gebruiken een reportergen 15 of synoniem mutaties 4,16-18 als tags aan de concurrerende virussen door sequentiebepaling, heteroduplex tracking-assays (HTA) 4,7,17,19 onderscheiden of omgekeerde transcriptie-kwantitatieve real-time polymerase-kettingreactie (RT-qPCR) 15,16,18,20, die allemaal toepassing studeren concurrerende stammen, onafhankelijk van sequentieovereenkomst kan worden gemaakt. Een extra stap nodig om labels in virale genoom te introduceren en de RT-qPCR assay vereist ook specifieke reagentia en instrumenten. We hebben ontdekt dat bulk Sanger sequencing levert vergelijkbare resultaten 9.
Na groei concurrentie, is virale replicatie fitness gepresenteerd als relatieve fitness, of een fitness-verhouding tussen two virale varianten. De relatieve conditie van een virus kan worden gedefinieerd als de uiteindelijke hoeveelheid van een virale variant genormaliseerd zijn aanvankelijke hoeveelheden in het inoculum of de netto groei tussen de twee concurrerende virussen. We vonden dat deze werkwijze gebruikt longitudinale gegevenspunten alleen in de exponentiële groeifase, produceerde de meest robuuste resultaten 9,20.
In vitro assays fitness hoofdzakelijk worden gebruikt om biologische klonen 6-8 en besmettelijke moleculaire klonen van HIV-1 te bestuderen. De laatste, die ontvankelijk zijn voor genetische manipulatie, worden dikwijls gebruikt om het effect op de geschiktheid van bepaalde mutaties of specifieke sequenties van belang 3-5,21,22 bestuderen. De volgende protocollen beschrijven een werkstroom van het punt van de bouw van nieuwe full-length infectieus HIV-1 moleculaire klonen middels HIV-1 vectoren die een sequentie tag, introduceren van mutaties plaats, waardoor virale voorraden en vaststelling virale groeikinetiek, Het uitvoeren van de groei competitieve test en het berekenen van relatieve fitness (figuur 1).
Met behulp van onze geoptimaliseerde procedures, creëerden we drie recombinant HIV-1 mutanten en vastberaden hun replicatie fitness. Het recombinante moleculaire kloon werd eerst geconstrueerd door de HIV-1 gag p24-gen regio pNL4-3, een plasmide dat een volledige lengte infectieus genoom van HIV-1 NL4-3 lab stam, een synthetisch COTB (Midden-Of- Boom, subtype B) gag-p24 volgorde 23 tot de prototype stam te creëren. Single aminozuur veranderingen (T186M, T242N en I256V) werden vervolgens geïntroduceerd tot drie mutante klonen te creëren. Elke mutant werd streden tegen het prototype virus aan de fitness effect van elke mutatie in de gegeven genetische achtergrond te observeren. De drie mutanten gedemonstreerd variërende niveaus van replicatie fsitness van licht tot ver onder het prototype virus. De T242N mutatie werd eerder gemeld een matige Fitne hebbenss kosten 24-26, vergelijkbaar met de in deze studie resultaat. De geschiktheid kosten van de andere twee mutaties nog niet eerder beschreven.
De gepresenteerde protocol bestond uit twee delen: de bouw van recombinant HIV-1 moleculaire klonen en groei concurrentie assays. Om de twee virussen in een tweevoudig geïnfecteerde celkweek te onderscheiden, is het belangrijk dat de concurrerende moleculaire klonen bevatten sequentietags, die kan worden gedetecteerd door een RT-qPCR primer-probe assay of door Sanger sequentiebepaling. Dit protocol maakt gebruik van de Vifa en VifB markeringen, die hetzelfde gebied van HIV-1 NL4-3 vif bezetten en coderen voor dezelfde aminozuursequentie maar verschillen zes synoniem mutaties. Deze mutaties bleken niet te beïnvloeden virale replicatie fitness 20. De PCR-gebaseerde kloneringswerkwijze gebruikt in dit protocol geeft meer flexibiliteit bij de keuze kloneringsplaatsen tegenover restrictieplaats gebaseerde klonering. De efficiëntie van PCR klonering af naarmate de insert wordt groter. De stroomlimiet van de insert grootte ~ 5 kb 34. Voor PCR-gebaseerde klonen en plaatsgerichte mutagenesis, het gebruik van een high-fidelity DNA polymerase is cruciaal om de kans op extra mutaties verminderen. Het gebruik van het minimale aantal PCR cycli die nodig zijn om voldoende hoeveelheden van produkten verkregen wordt ook aanbevolen. In onze ervaring, hebben we geen extra mutaties na de PCR-gebaseerde klonen en plaatsgerichte mutagenese hier beschreven stappen op te sporen. Toch is de PCR producten worden gesequenced om te controleren op ongewenste mutaties. Idealiter zou de gehele HIV coderende gebied wordt resequenced.
Minstens drie sampling tijdstippen moeten worden onderzocht binnen de exponentiële groeifase 9. De virale groeikinetiek moet eerst worden vastgesteld met behulp van de dagelijkse steekproeven naar de juiste kweekperiode en bemonstering tijdstippen voor de groei concurrentie te bepalen. Een factor die virusgroei kinetiek beïnvloedt is de multipliciteit van infectie (MOI). Dit protocol maakt gebruik van een totaal MOI van 0,005 voor zowel monoinfection en de groei van de concurrentie, zoals het werd aangetoond dat meer ro opleverenbuste resultaten dan lagere MOI 9. Desalniettemin kunnen lagere MOI's worden gebruikt om indien gewenst een langere exponentiële groeifase te verkrijgen, maar ten koste van het resultaat consistentie. Dit protocol geeft een aanvankelijke infectie van 50:50, aangenomen dat de conditie verschillen van de virussen die in het algemeen niet op voorhand. Het gebruik van ongelijke ingang verhoudingen geschikt wanneer er voorlopige gegevens suggereren significante verschillen in virale replicatie kinetiek. In deze gevallen wordt een infectie van 70:30 aanbevolen om voor de detectie van een grote fitness uit waar het minder geschikt virus wordt in overmaat 9.
Het protocol voor het bepalen van de TCID 50, virale groei kinetiek en voor het uitvoeren van de groei competitietesten werden geoptimaliseerd met behulp van HIV-1 subtype B zijn NL4-3 COTB-p24 en PBMC's van een donor waarvan PBMC constante gevoeligheid aangetoond HIV- 1-infectie in vitro. De kweekperiodeen bemonstering tijdstippen die in dit protocol zijn waarschijnlijk geschikt voor het bestuderen van HIV-1 groep M virussen in menselijke PBMC's te zijn. Met behulp van PBMC uit één bron wordt sterk aangeraden om consistente resultaten te verkrijgen als de virale replicatie kan variëren in verschillende donorcellen 35. Alhoewel minder wenselijk kunnen PBMC samengebracht uit meerdere donoren worden gebruikt als vervanging voorwaarde dat dezelfde pool wordt gebruikt in alle experimenten. Een ander alternatief is het gebruik van cellijnen. De hier gepresenteerde protocol werd met succes gebruikt bij de T-cellijn CEMx174 23,36. Het is echter van belang dat het aantal cellen uitgezet zijn opnieuw geoptimaliseerd om consistente celgroei te bereiken. Virale groeikinetica moeten worden hersteld, omdat het kan variëren in verschillende cellijnen, voor de juiste bemonsteringstijdstip punten bepalen de stappen groeicompetitie.
Twee verschillende methoden om de virale verhouding berekend geschiktheid vast zijn opgenomen in de protocol. De eerste maakt gebruik van RT-qPCR om virale cDNA aantal kopieën op elk monsternemingstijdstip punt meten. Virusreplicatie fitness werd vervolgens berekend uit het virale verhouding, gebaseerd op cDNA-kopieaantal. Alternatief kan het virale verhouding worden bepaald op basis van de verhouding van chromatogram piekhoogte bij VifAB tag sites. Beide werkwijzen leverden vergelijkbare resultaten (Figuur 4). Het chromatogram piekhoogte werkwijze kan worden toegepast op andere HIV-1-stammen zonder aangelegde sequentieaanhangsel. Voor RT-qPCR, het gebruik van primers of probes om virale varianten onderscheiden eerst zorgvuldig moet worden geëvalueerd (zie 20). Niettemin RT-qPCR een betere gevoeligheid voor monsters met een kleine hoeveelheid viraal RNA, zoals die van het eerste tijdpunt in de exponentiële groeifase. Directe meting van de virale cDNA maakt het ook mogelijk de detectie van technische problemen die kunnen voortvloeien uit de RNA-extractie en cDNA synthese. Het gebruik van moleculaire klonen met sequentietags een kosteneffectieve oplossing to de RT-qPCR methode, aangezien slechts twee paren van primers en probes nodig zijn meerdere virussen te bestuderen. Deze strategie vermijdt het probleem van piek hoogte variatie in sequentie chromatogrammen vanwege naburige bases 37, zoals sequentiebepaling wordt uitgevoerd op dezelfde locatie voor alle virussen in de studie. De PCR producten geproduceerd voor RT-qPCR en Sanger sequentiebepaling kan ook gebruik van andere methoden om virale verhouding vastgesteld zoals bulk sequencen van individuele klonen 12,13, HTA 4,7,17,19 of oligonucleotide ligatie-assay (OLA) 38 .
The authors have nothing to disclose.
These studies were funded by US Public Health Services grants P01AI057005, R01AI047734, R01AI111806 and the Functional Profiling and Computational Biology Core of the University of Washington’s Center for AIDS Research (P30 AI027757).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Construction of recombinant clones | |||
Chimeric primer/Mutagenic/Sequencing primers | IDT | N/A | Custom DNA oligos |
pNL4-3VifA and pNL4-3VifB plasmid | N/A | N/A | Please contact Dr. James I Mullins (jmullins@uw.edu) |
High-Fidelity DNA polymerase | Thermo Scientific | F-549S | |
High-fidelity buffer | Thermo Scientific | F-549S | |
dNTP | Bioline | Bio-39026 | |
Thermal cycler | Life Technologies | N/A | Applied Biosystems® GeneAmp® PCR System 9700 |
DNA loading dye | Thermo Scientific | R0631 | |
1kb Plus DNA ladder | Invitrogen | 10787-018 | |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | |
QIAquick gel extraction kit | Qiagen | 28704 | |
DpnI enzyme | New England Biolabs | R0176S | |
TOP10 chemically competent Escherichia coli | Invitrogen | C4040-10 | |
Luria Broth base powder | Invitrogen | 12795-084 | |
Carbenicillin | Research Products International | C46000-25.0 | |
QIAprep Spin Miniprep kit | Qiagen | 27104 | |
EndoFree Plasmid Maxi Kit | Qiagen | 12362 | |
Transfection | |||
X-tremeGENE 9 DNA transfection reagent | Roche | 6365787001 | |
HEK 293T-17 | ATCC | CRL-11268 | http://www.atcc.org/ |
0.22um filter top tube | VWR International | 89220-716 | |
Cell culture | |||
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Life Technologies | 10566016 | |
Iscove′s Modified Dulbecco′s Medium (IMDM) | Life Technologies | 31980-030 | |
RPMI-1640 media | Life Technologies | 61870-036 | |
Phytohemagglutinin (PHA) | Thermo Scientific | R30852801 | |
Human Interleukin-2 | Roche | 11147528001 | |
Fetal bovine serum | JR Scientific | 43640 | |
Penicillin and Streptomycin | Corning Cellgro | 30-001-CI | |
6 well plate | VWR Scientific | 73520-906 | |
48 well plate | VWR Scientific | 62407-338 | |
96 well flat-bottomed plate | ISC Bioexpress | T-3015-4 | |
96 well round-bottomed plate | BD Falcon | 353077 | |
1.5 ml Microcentrifuge Tube | Mt. Baker Bio | MBD-1500 | |
1.5 mL tubes w/ O-ring | VWR Scientific | 89004-290 | |
50 mL conical tube | ISC Bioexpress | C-3317-6 | |
ELISA | |||
Triton-X 100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Phosphate buffer saline (PBS) | Invitrogen | 14190-250 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F0392 | |
glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Rabbit anti-HIV-1 SF2 p24 antiserum | NIH AIDS Reagent Program | 4250 | |
Goat anti-rabbit HRP | KPL | 474-1516 | |
TMB Microwell Peroxidase Substrate | KPL | 52-00-01 | |
H2SO4 | Fisher Scientific | A300-500 | Causes severe burns by all exposure routes. Use personal protective equipment. Use only under a chemical fume hood. Wash off immediately with plenty of water for at least 15 minutes. |
HIV p24 standard | AIDS and Cancer Virus program (NCI-Frederick) | N/A | For order details please contact Julian Bess, Jr. (bessjw@mail.nih.gov); http://ncifrederick.cancer.gov/Programs/Science/Acvp/bio/Bess.aspx |
Microplate reader | Molecular Devices | N/A | VMax Kinetic ELISA Microplate Reader |
RNA isolation cDNA synthesis | |||
QIAxtractor | Qiagen | N/A | http://www.qiagen.com/products/catalog/automated-solutions/sample-prep/qiaxtractor |
QIAamp Viral RNA Mini Kit | Qiagen | 52906 | |
dNTP | Bioline | Bio-39026 | |
SuperscriptIII | Invitrogen | 18080-085 | |
First-strand buffer | Invitrogen | 18080-085 | |
Dithiothreitol (DTT) | Invitrogen | 18080-085 | |
Rnase inhibitor | Roche | 3335402001 | |
RnaseH | Invitrogen | 18021-071 | |
qPCR | |||
Real-time qPCR machine | Life Technologies | N/A | Applied Biosystems 7300 Real-Time PCR |
TaqMan® Gene Expression Master Mix | Life Technologies | 4369016 | |
Forward, reverse primer | IDT | N/A | Custom order |
Probe | Life Technologies | N/A | Custom order |
optical 96 well reaction plate | Life Technologies | I19N3Q216 | |
PCR+sequencing | |||
Taq DNA polymerase (Biolase) | Bioline | Bio-21043 | |
NH4 buffer | Bioline | Bio-21043 | |
MgCl2 | Bioline | Bio-21043 | |
Sequencing primer | IDT | N/A | Custom order |
QIAxcel | Qiagen | http://www.qiagen.com/products/catalog/automated-solutions/detection-and-analysis/qiaxcel-advanced-system | |
DNA sequencing service provider | http://www.htseq.org/ | ||
GRC web tool | http://indra.mullins.microbiol.washington.edu/grc/ | ||
ChromatQuan web tool | http://indra.mullins.microbiol.washington.edu/cgi-bin/chromatquant.cgi |