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.
Вирусный фитнес репликации определяется как способность вируса для производства инфекционного потомства в данной среде 1 и является важным фактором в определении распространенности вируса варианта на популяционном уровне в течение долгого времени 2. Как и в естественных условиях фитнес исследования не представляется возможным с патогенными человеческих вирусов, таких как ВИЧ-1, различные в пробирке и экс естественных условиях репликации фитнес анализы были разработаны для изучения эффектов на фитнес, вытекающие из лекарственной устойчивости и иммунной мутаций эвакуации, эпистаза и эволюции вирусных популяций 3-6. Среди различных фитнес-анализов, конкуренция рост анализы признаются, получая более чувствительные и достоверные меры фитнес различий, а два или больше вариантов вируса конкурировать за тот же популяции клеток в точно таких же условиях окружающей среды, как это происходит в естественных условиях 1,7,8. Перед началом роста конкуренции эксперименты, несколько variabле должны быть определены, в том числе с использованием различных кратностей инфекции (МВД), отношение вирусной входного и времени выборки для анализа. Мы изучили влияние этих параметров на вирусных кинетики роста и об итогах конкурса экспериментов, и определили ключевые факторы, необходимые для надежных измерений ВИЧ-1 фитнеса в культуре клеток 9.
В дополнение к анализа переменных, есть множество способов количественного вирусных вариантов в конкуренции рост экспериментов. Массовое 10,11 или 12,13 клонального последовательности была использована для определения соотношения конкурирующих вирусов на основе нуклеотидных частот на участке (ах) интерес. Относительная пригодности происходит от изменений в этом соотношении с течением времени. Этот метод удобен, как секвенирование ДНК услуги широко доступны. Параллельно аллель-специфической последовательности метод (ПАСЕ) позволяет последовательности в нескольких сайтах и обнаружение рекомбинантами 14 </sup>, Но он также требует специально разработанных реагентов и системы обнаружения. По существу, эти методы были разработаны для изучения вирусных штаммов с небольшим числом нуклеотидных различий в интересующей области. Другие методы используют небольшую ген-репортер 15 или синонимичные мутации 4,16-18 как теги отличить конкурирующие вирусы от последовательности, гетеродуплексной отслеживания анализы (ОТЗ) 4,7,17,19 или обратной транскрипции-количественный ПЦР в реальном времени (RT-КПЦР) 15,16,18,20, все из которых могут быть применимы для изучения конкурирующих штаммов независимо от сходства последовательностей. Дополнительный шаг ввести теги в вирусных геномов и анализ RT-КПЦР также требует специфических реагентов и приборов. Мы обнаружили, что объемные Sanger секвенирования дает сопоставимые результаты 9.
После конкурса роста, вирусный фитнес репликации представлена в виде относительной пригодности, или фитнес-соотношения тWO вирусных вариантов. Относительное пригодности вируса могут быть определены в качестве конечного пропорции в вирусной варианте нормированное исходное пропорции в инокулята или как разность чистый прирост между двумя конкурирующими вирусов. Мы обнаружили, что последний способ, с помощью продольных точек данных только в экспоненциальной фазе роста, производится наиболее надежные результаты 9,20.
В пробирке фитнес анализы используются в основном для изучения биологических клонов 6-8 и инфекционных молекулярные клоны ВИЧ-1. Последнее, будучи поддаются генетической манипуляции, которые часто используются для изучения влияния на фитнес от конкретных мутаций или определенных последовательностей интерес 3-5,21,22. Следующие протоколы описывают рабочий процесс с точки строительстве новых полнометражных инфекционных ВИЧ-1 молекулярных клонов с помощью ВИЧ-1 векторов, содержащих метку последовательности, введения мутаций, представляющих интерес, делая вирусные штаммы и установления кинетики роста вируса, Выполнением конкуренции рост анализа и расчета относительного фитнес (рисунок 1).
Используя наши оптимизированные процедуры, мы создали три рекомбинантных ВИЧ-1 мутантов и определяли их репликации фитнеса. Рекомбинантный молекулярного клонирования был построен путем замены затычки-p24 генный область pNL4-3, плазмиды, содержащей полноразмерный инфекционный геном ВИЧ-1 штамма лаборатории NL4-3 ВИЧ-1, синтетическим COTB (Center-of Дерево, подтип В) кляп р24 последовательности 23, чтобы создать напряжение прототип. Холост изменения аминокислот (T186M, T242N и I256V) затем были введены, чтобы создать три мутантных клонов. Каждый мутант соревновались против вируса прототипа наблюдать фитнес влияние каждой мутации в данном генетического фона. Три мутанты продемонстрировали различные уровни репликации fsitness от легкого до значительно ниже, чем вирус-прототипа. Мутация T242N ранее сообщалось, умеренный басс стоить 24-26 похож на результат, показанный в данном исследовании. Пригодности Стоимость двух других мутаций не было сообщено ранее.
Протоколы, представленные состоял из двух основных частей: строительство рекомбинантных ВИЧ-1 молекулярных клонов и конкуренции рост анализов. Для того чтобы отличить два вируса в дуально инфицированной клеточной культуры, важно, чтобы конкурирующие молекулярные клоны содержат метки последовательности, которые могут быть обнаружены с помощью грунтовки-зонда анализа RT-КПЦР или путем Sanger секвенирования. Этот протокол использует в VIFA и VifB тегов, которые занимают ту же область ВИЧ-1 NL4-3 VIF и кодируют ту же самую аминокислотную последовательность, но отличаются от шести синонимичных мутаций. Эти мутации были показаны не влияет вирусная репликация фитнес 20. ПЦР-метод, основанный клонирования, использованной в данном протоколе обеспечивает большую гибкость в выборе сайты клонирования, по сравнению с клонированием основе сайт рестрикции. Тем не менее, эффективность ПЦР клонирования уменьшается по мере увеличения размера вставки. Ток предел размера вставки ~ 5 кб 34. Для ПЦР-клонирования и сайт-направленный mutagenesiс, использование высококачественного ДНК-полимеразы важно, чтобы уменьшить вероятность дополнительных мутаций. Использование минимального количества циклов ПЦР, необходимых для получения достаточного количества продуктов также рекомендуется. По нашему опыту, мы не обнаружили каких-либо дополнительных мутаций после клонирования и сайт-направленного мутагенеза шагов на основе ПЦР, описанных здесь. Тем не менее, ПЦР-продукты должны быть упорядочены, чтобы проверить наличие нежелательных мутаций. В идеале, весь регион кодирования ВИЧ должно быть resequenced.
По крайней мере, три выборки моменты времени должны быть рассмотрены в течение экспоненциальной фазы роста 9. Вирусные кинетика роста должны сначала быть установлены с помощью ежедневного отбора проб для определения соответствующего периода культура и времени выборки точек для участия в конкурсе роста. Одним из факторов, который влияет на вирусные кинетики роста множественность заражения (МВД). Этот протокол использует общую МВД 0,005 для обоих моноинфекции и конкуренции роста, как это было показано для получения более робюст результаты, чем нижней множественностью инфекции 9. Тем не менее, более низкие MÕIS могут быть использованы для получения более экспоненциальной фазе роста, если это необходимо, но за счет результата консистенции. Этот протокол предполагает первоначальный коэффициент заражения 50:50, предполагая, что фитнес отличия вирусов, как правило, заранее неизвестно. Тем не менее, использование неравные соотношения входных подходят, когда есть предварительные данные, согласно существенных различий в вирусной репликации кинетики. В этих случаях, отношение инфекции 70:30 Рекомендуется, чтобы для обнаружения большой разницы пригодности, где менее приспособленных вируса находится в избытке 9.
Протокол для определения TCID 50, вирусные кинетика роста, а также для выполнения рост конкурентных анализах были оптимизированы с помощью ВИЧ-1 подтипа B, NL4-3 COTB-p24, и РВМС от одного донора, чей РВМС показали последовательную восприимчивость к ВИЧ- 1 инфекции в пробирке. Период культураи указывает время выборки, представленные в этом протоколе, вероятно, будут пригодны для изучения ВИЧ-1 группы М вирусы в человеческих МКПК. Использование МНПК из одного источника настоятельно рекомендуется получить достоверные результаты, как вирусная репликация может варьироваться в разных донорских клеток 35. Несмотря на то, менее желательно, РВМС Объединенные из нескольких доноров может быть использован в качестве замены при условии, что тот же пул используется во всех экспериментах. Другой альтернативой является использование клеточных линий. Протокол, представленные здесь успешно используется с Т-клеточной линии CEMx174 23,36. Тем не менее, важно, что число клеток, посеянных повторно оптимизированы для достижения устойчивого роста клеток. Вирусные кинетики роста должен быть восстановлен, как это, скорее всего, меняться в различных клеточных линиях, чтобы определить соответствующие временные точки отбора проб на стадиях конкуренции рост.
Существует два способа, чтобы определить вирусную соотношение для вычисления пригодности включены в protocол. Первый использует RT-КПЦР для измерения вирусной кДНК количество копий в каждый момент времени выборки точки. Затем вирусный пригодности репликации рассчитывали из вирусного соотношении, на основе числа копий кДНК. Кроме того, вирусный отношение может быть определено на основании соотношения высоты пика хроматограммы на участках VifAB тегов. Эти два метода дали сопоставимые результаты (рисунок 4). Способ по высоте пика хроматограммы могут быть применены к другим штаммам ВИЧ-1, не сконструированного тега последовательности. Для RT-КПЦР, использование праймеров или зондов, чтобы отличить вирусные варианты должны быть сначала тщательно оценивать (см 20). Тем не менее, РТ-КПЦР обеспечивает лучшую чувствительность для образцов с небольшим количеством вирусной РНК, такие, как те, с первого момента времени в экспоненциальной фазе роста. Прямое измерение вирусной кДНК также позволяет выявить технические проблемы, которые могут возникнуть в результате добычи РНК и синтеза кДНК. Использование молекулярных клонов с тегами последовательности обеспечивает экономически эффективное решение ТО методах RT-КПЦР, а только две пары праймеров и зондов необходимо изучить несколько вирусов. Эта стратегия также позволяет избежать проблем изменения пик высоты в последовательности хроматограмм из-за соседних баз 37, а последовательность делается в том же месте во всех вирусов в исследовании. ПЦР продукты, производимые для RT-КПЦР и Sanger секвенирования может быть использование с другими методами для определения вирусной соотношение таких как насыпной последовательности отдельных клонов 12,13, HTA 4,7,17,19 или олигонуклеотид лигирования анализа (УПВ) 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 |