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.
La réplication virale remise en forme est définie comme la capacité d'un virus à produire une descendance infectieuse dans un environnement donné 1 et est un facteur important dans la détermination de la prévalence d'une variante du virus au niveau de la population au fil du temps 2. Comme les études in vivo de remise en forme ne sont pas réalisables avec des virus pathogènes humains, telles que le VIH-1, divers in vitro et ex vivo tests de conditionnement physique de réplication ont été développés pour étudier les effets sur la condition physique découlant de la résistance aux médicaments et des mutations d'échappement immunitaire, épistasie et de l'évolution des populations virales 3-6. Parmi les différents tests de conditionnement physique, des essais de compétition de croissance sont reconnus pour obtenir des mesures plus sensibles et valides de différences de forme physique, comme deux ou plusieurs variantes virales en compétition pour la même population cellulaire exactement dans les mêmes conditions environnementales, comme cela se produit in vivo 1,7,8. Avant de commencer des expériences de compétition de croissance, plusieurs variables besoin d'être déterminée, y compris l'utilisation de différentes multiplicités d'infection (MOI), le ratio d'entrée virale, et le calendrier de l'échantillonnage pour analyse. Nous avons étudié les effets de ces paramètres sur la cinétique de croissance virales et sur les résultats des expériences de compétition, et nous avons identifié des facteurs clés nécessaires pour les mesures robustes de VIH-1 de remise en forme dans la culture de cellules 9.
En plus des variables d'analyse, il existe une variété de méthodes pour la quantification de variants viraux dans des expériences de compétition de croissance. Bulk 10,11 ou 12,13 clonale séquençage a été utilisé pour déterminer le rapport des virus concurrentes sur la base des fréquences de nucleotides au niveau du site (s) d'intérêt. Remise en forme relative est dérivé de variations de ce ratio au fil du temps. Cette méthode est pratique que des services de séquençage d'ADN sont largement disponibles. Le séquençage spécifique d'allèle parallèle méthode (PASS) permet le séquençage à des sites multiples et la détection de recombinants 14 </sup>, Mais elle exige également des réactifs développés spécifiquement et des systèmes de détection. Essentiellement, ces méthodes ont été développées pour étudier les souches virales avec un petit nombre de différences de nucleotides dans une région d'intérêt. D'autres méthodes utilisent une petite gène rapporteur 15 ou synonymes mutations 4,16-18 que des étiquettes pour distinguer les virus concurrents par séquençage, tests de suivi hétéroduplex (ETS) 4,7,17,19 ou inverser PCR quantitative transcription quantitative (RT-qPCR) 15,16,18,20, qui peuvent tous être rendue applicable à étudier souches concurrence indépendamment de similarité de séquence. Une étape supplémentaire est nécessaire pour introduire les mots-clés dans les génomes viraux et le dosage par RT-PCR quantitative nécessite également des réactifs et des instruments spécifiques. Nous avons constaté que vrac séquençage Sanger donne des résultats comparables 9.
Suite à la concurrence de la croissance, la réplication virale remise en forme est présentée comme remise en forme relative, ou un rapport de remise en forme entre two variants viraux. L'aptitude relative d'un virus peut être défini comme la proportion finale d'une variante virale normalisée par sa proportion dans l'inoculum initial ou à la différence nette du taux de croissance entre les deux virus concurrentes. Nous avons constaté que cette dernière méthode, en utilisant les points de données longitudinales que dans la phase exponentielle de croissance, a donné les résultats les plus robustes 9,20.
Les essais in vitro de remise en forme sont utilisés principalement pour étudier clones biologiques 6-8 et clones moléculaires infectieux du VIH-1. Ce dernier, se prêter à la manipulation génétique, sont souvent employés pour étudier l'effet sur l'aptitude de certaines mutations ou des séquences spécifiques d'intérêt 3-5,21,22. Les protocoles suivants décrivent un flux de travail du point de construire de nouvelles pleine longueur infectieuses VIH-1 clones moléculaires du VIH-1 en utilisant des vecteurs contenant un marqueur de séquence, l'introduction de mutations d'intérêt, faisant stocks viraux et d'établir la cinétique de croissance virales, De réaliser le dosage de la concurrence de la croissance et de calcul physique relative (Figure 1).
Grâce à nos procédures optimisées, nous avons créé trois mutants recombinants du VIH-1 et déterminé leur aptitude de réplication. Le clone moléculaire recombinant a été construit en remplaçant la région des gènes du VIH-1 gag-p24 de pNL4-3, un plasmide contenant une longueur génome complet infectieuse du VIH-1 souche de laboratoire NL4-3, avec un COTB synthétique (Centre-of Arbre, sous-type B) séquence gag-p24 23 pour créer la souche prototype. Acides changements simples (T186M, T242N et I256V) ont ensuite été introduits pour créer trois clones mutants. Chaque mutant a été disputé contre le virus prototype d'observer l'impact de fitness de chaque mutation dans le fond génétique donné. Les trois mutants ont démontré des niveaux de réplication fsitness variant de légère à significativement plus faible que le virus prototype. La mutation a été précédemment rapporté T242N d'avoir un Fitne modéréess coûte 24 à 26, similaire au résultat montré dans cette étude. Le coût de la remise en forme des deux autres mutations avait pas été signalé précédemment.
Les protocoles présentés se composait de deux parties principales: la construction du VIH-1 clones moléculaires recombinantes et des essais de compétition de croissance. Afin de distinguer les deux virus dans une culture de cellules doublement infectées, il est important que les clones moléculaires concurrentes contiennent des marqueurs de séquences, qui peuvent être détectés par un dosage amorce-sonde RT-qPCR ou par séquençage de Sanger. Ce protocole utilise les Vifa et VifB étiquettes, qui occupent la même région de HIV-1 NL4-3 vif et codent pour la séquence d'acides aminés identique, mais diffèrent par six mutations synonymes. Ces mutations ont été présentés pour ne pas affecter la réplication virale remise en forme 20. La méthode de clonage par PCR utilisée dans ce protocole prévoit une plus grande flexibilité dans le choix des sites de clonage, par rapport à des sites de restriction clonage basé. Cependant, l'efficacité de clonage PCR diminue à mesure que la taille augmente insert. La limite de courant de la taille de l'insert est 34 ~ 5 kb. Pour le clonage basé sur la PCR et du site dirigé mutagenesis, l'utilisation d'une ADN polymerase haute fidélité est essentiel de réduire la probabilité de mutations supplémentaires. L'utilisation du nombre minimal de cycles PCR nécessaires pour obtenir des quantités suffisantes de produits est également recommandé. Dans notre expérience, nous ne détectons aucune mutation supplémentaire après le clonage et dirigée vers le site étapes de mutagenèse basées sur la PCR décrites ici. Néanmoins, les produits de PCR doivent être séquencés pour vérifier toutes les mutations indésirables. Idéalement, la région codante entière du VIH doit être reséquencé.
Au moins trois points de temps échantillonnage doivent être examinées dans la phase de croissance exponentielle 9. La cinétique de croissance virales doivent d'abord être établies en utilisant échantillonnage quotidien pour déterminer la période de culture et de temps d'échantillonnage des points appropriés pour la compétition de croissance. Un facteur qui affecte la cinétique de croissance virale est la multiplicité d'infection (MOI). Ce protocole utilise un total de 0,005 MOI pour les mono-infection et de la concurrence de la croissance, comme il a été montré pour donner plus de roRésultats buste que IAM inférieur 9. Néanmoins, IAM inférieures peuvent être utilisées pour obtenir une phase de croissance exponentielle plus si nécessaire, mais au détriment de la cohérence résultat. Ce protocole indique un rapport de 50:50 de l'infection initiale, en supposant que la différence de forme physique des virus sont généralement inconnue à l'avance. Cependant, l'utilisation de ratios d'entrée inégales sont appropriées quand il ya des données préliminaires suggérant des différences significatives dans la cinétique de la réplication virale. Dans ces cas, un rapport d'infection de 70:30 est recommandé afin de permettre la détection d'une grande différence de remise en forme où le virus moins en forme est mis en excès neuf.
Le protocole pour déterminer la DICT 50, la cinétique de croissance virales, et pour effectuer la croissance des essais de compétition ont été optimisés en utilisant le VIH-1 sous-type B, NL4-3 COTB-p24, et PBMC provenant d'un seul donneur dont CMSP ont démontré la sensibilité cohérente pour le VIH une infection in vitro. La période de cultureet les points de temps d'échantillonnage présentés dans ce protocole sont susceptibles d'être adapté à l'étude des virus VIH-1 groupe M dans les CMSP humaines. Utilisation CMSP d'une source unique est fortement recommandé d'obtenir des résultats cohérents que la réplication virale peut varier dans différentes cellules du donneur 35. Bien que moins souhaitable, des PBMC mises en commun provenant de plusieurs donneurs peuvent être utilisés comme une substitution à condition que le même pool est utilisé dans toutes les expériences. Une autre alternative est l'utilisation de lignées cellulaires. Le protocole présenté ici a été utilisé avec succès par la lignée de cellules T CEMx174 23,36. Cependant, il est important que le nombre de cellules ensemencées sont ré-optimisées pour atteindre une croissance cellulaire cohérente. La cinétique de croissance virales doivent être rétablis, car il est susceptible de varier dans différentes lignées cellulaires, afin de déterminer les points de temps d'échantillonnage appropriés dans les étapes de compétition de croissance.
Deux méthodes différentes pour déterminer le rapport virale pour le calcul de remise en forme sont inclus dans le protocol. La première utilise RT-qPCR pour mesurer virale nombre de copies d'ADNc à chaque point de temps d'échantillonnage. La réplication virale remise en forme a ensuite été calculée à partir du rapport virale, sur la base de l'ADNc nombre de copies. En variante, le rapport viral peut être déterminée sur la base du rapport de la hauteur de pic de chromatogramme sur les sites d'étiquette VifAB. Les deux méthodes ont donné des résultats comparables (Figure 4). Le procédé de la hauteur de pic chromatogramme peut être appliquée à d'autres souches du VIH-1 sans un marqueur de séquence d'ingénierie. Pour RT-qPCR, l'utilisation des amorces ou des sondes pour distinguer les variants viraux doit d'abord être évaluée avec soin (voir 20). Néanmoins, RT-qPCR fournit une meilleure sensibilité pour des échantillons contenant une petite quantité de l'ARN viral, telles que celles du premier point de temps à l'intérieur de la phase de croissance exponentielle. La mesure directe des ADNc viral permet également de détecter les problèmes techniques qui peuvent survenir de l'extraction de l'ARN et la synthèse d'ADNc. Utilisation de clones moléculaires avec des étiquettes de séquence fournit une solution rentable to les méthodes de RT-qPCR, car seuls deux couples d'amorces et sondes sont nécessaires pour étudier les virus multiples. Cette stratégie évite également le problème de la variation en hauteur de pic séquence chromatogrammes en raison de bases voisines 37, comme le séquençage est réalisé sur le même site à travers tous les virus dans l'étude. Les produits de PCR obtenus pour la RT-PCR quantitative et séquençage de Sanger peut également être utilisé avec d'autres méthodes pour déterminer le rapport viral tel que le séquençage des clones individuels en vrac de 12,13, 4,7,17,19 HTA, ou le dosage de ligation d'oligonucléotides (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 |