Misurazione di BK-poliomavirus Non-Coding Control Region Guidato Attività Trascrizionional Via Flusso Cytometry
Summary
In questo manoscritto, viene presentato un protocollo per eseguire la misurazione basata su FACS dell’attività trascrizionale BK-poliomavirus utilizzando cellule HEK293T trascate da un plasmide reporter bidirezionale che esprime tdTomato ed eGFP. Questo metodo permette inoltre di determinare quantitativamente l’influenza di nuovi composti sulla trascrizione virale.
Abstract
I poliomavirus, come il BK-poliomavirus (BKPyV), possono causare gravi patologie nei pazienti immunocompromessi. Tuttavia, poiché attualmente non sono disponibili antivirali altamente efficaci, sono necessari metodi che misurano l’impatto di potenziali agenti antivirali. Qui, è stato costruito un reporter a doppia fluorescenza che consente l’analisi dell’attività di promotrice bKPyV basata sulla regione di controllo non codificante (NCCR) in anticipo e in ritardo per quantificare l’impatto di potenziali farmaci antivirali sull’espressione genica virale tramite tdTomato ed eGFP espressione. Inoltre, clonando gli amplificatori BKPyV-NCCR che in questo protocollo sono stati esemplificati dal DNA derivato dal sangue dei pazienti trapiantati renali immunocompromessi, è possibile determinare l’impatto dei riarrangiamenti NCCR sull’espressione genica virale. Dopo la clonazione del paziente derivato amplicons, le cellule HEK293T sono state trascate con il reporter-plasmidi e trattate con potenziali agenti antivirali. Successivamente, le cellule sono state sottoposte all’analisi FACS per misurare le intensità medie di fluorescenza 72 h dopo la trasfezione. Per testare anche l’analisi dei farmaci che hanno un potenziale effetto di inibizione del ciclo cellulare, vengono utilizzate solo cellule trasfette e quindi fluorescenti. Poiché questo saggio viene eseguito in grandi cellule che esprimono l’antigene T, l’impatto dell’espressione precoce e tardiva può essere analizzato in modo reciprocamente indipendente.
Introduction
I poliomavirus rappresentano una famiglia indipendente di piccoli virus di DNA a doppio filamento (dsDNA) con il virus Simian 40 (SV40) come specie prototipo. L’infezione primaria si verifica principalmente durante l’infanzia, che di solito procede senza sintomi di malattia e di solito causano infezioni latenti in ospiti immunitari competenti. Il BK-poliomavirus (BKPyV) persiste principalmente nelle cellule dei tubuli renali senza causare nefropatologie, tuttavia, in caso di compromissione della competenza immunitaria dopo il trapianto renale il virus può riattivarsi e causare gravi danni e alterati innesti quando si raggiunge una viremia alta (1 x 104 BKPyV copie di DNA/mL)1,2. In circa il 10% dei destinatari del trapianto di rene, la riattivazione del bK-poliomavirus (BKPyV) si traduce in un poliomavirus associato a nefropatia (PyVAN), che è stato fino all’80% associato ad un alto rischio di fallimenti di allotrapianto renale3,4 . Poiché non sono disponibili agenti antivirali approvati, la terapia attuale si basa sulla riduzione dell’immunosoppressione. È interessante notare che gli inibitori di mTOR sembrano avere un effetto antivirale; pertanto, il passaggio della terapia immunosoppressiva all’immunosoppressione a base di mTOR potrebbe rappresentare un approccio alternativo per prevenire la progressione della viremia BKPyV5,6,7. Tuttavia, il meccanismo antivirale basato su mTOR è attualmente ancora incompleto. Pertanto, sono necessari metodi che misurano l’impatto di potenziali agenti antivirali in concentrazioni clinicamente rilevanti.
Il genoma circolare del BKPyV è costituito da circa 5 kb che ospitano una regione di controllo non codificante (NCCR) che funge da origine della replicazione e concomitante un promotore bidirezionale che guida l’espressione di trascrizioni di mRNA di fase precoce e tardiva. Poiché si verificano spontaneamente riarrangiamenti, delezioni e duplicazioni di NCCR si trovano in BKPyV8 patogeni e significativamente accumulati in pazienti affetti da PVAN5,9, un confronto di archetipico (wt) e ri-organizzato (rr) NCCR-attività sono utili per caratterizzare la forma replicativa virale.
Come riassunto nella Figura 1, questo protocollo descrive un metodo comunemente usato per misurare l’attività trascrizionale BKPyV NCCR quantificando la fluorescenza di due fluorofori tdTomato ed eGFP espressi da un plotone reporter5, 9,10,11. La procedura viene eseguita in presenza del grande antigene T SV40 (lTAg), che permette di analizzare separatamente l’impatto di potenziali agenti antivirali sulla attività NCCR precoce e tardiva 5 . Questo analisi analizza ulteriormente l’impatto dei riarrangiamenti sull’attività della NCCR e il confronto con wt-NCCR5,9. Il plotone reporter ospita il segnale di poliadenilazione tardiva SV40 a valle di ogni telaio di lettura aperto del fluoroforo per garantire un’elaborazione comparabile ed efficiente di entrambe le trascrizioni per tdTomato ed eGFP, rispettivamente. Rispetto ai metodi basati su qRT-PCR5,12, questo approccio basato su FACS rappresenta un’alternativa compatibile a basso costo e ad alta velocità effettiva poiché nessun protocollo di estrazione complicato per la coltura cellulare infetta e non costoso anticorpi per la colorazione della fluorescenza immunitaria. Inoltre, poiché una quantità definita di cellule fluorescenti viene analizzata tramite la citometria di flusso, l’analisi degli agenti inibitori del ciclo cellulare è possibile anche in modo quantitativo.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo articolo viene presentato un metodo comunemente usato che consente l’analisi dell’attività BKPyV di controllo non codificante (NCCR) guidata in anticipo e in ritardo. L’attività NCCR può essere misurata simultaneamente e non necessita di lisi delle cellule trafette. Inoltre, è possibile analizzare un numero relativamente elevato di cellule e non è necessaria la co-trasfezione di marcatori aggiuntivi per la normalizzazione dei valori di fluorescenza.
Una parte fondamentale di que…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Barbara Bleekmann per l’eccellente assistenza tecnica. Questi studi sono stati sostenuti dal programma IFORES della Scuola Medica dell’Università di Duisburg-Essen e dal programma RIMUR dell’Alleanza dell’Alleanza universitaria Ruhr e Mercator Research Center Ruhr (MERCUR). Gli autori ringraziano il J’rgen-Manchot-Stiftung per la borsa di dottorato di Helene Sertznig e il supporto costante. La raccolta e l’uso del materiale per il paziente è stato approvato dal comitato etico della facoltà di medicina dell’Università Duisburg-Essen (14-6028-BO).
Materials
| 100 bp ladder | NEB | N3231 | Any ladder with a range up to 1 kb can be substituted |
| 2-log ladder | NEB | N0550 | Any ladder with a range up to 10 kb can be substituted |
| Agar-Agar, Kobe I | Carl Roth | 5210.3 | |
| AgeI-HF | NEB | R3552 | |
| Ampicillin Natriumsalz Cellpure | Carl Roth | HP62.1 | |
| Aqua ad iniectabilia | Bbraun | 2351744 | can be substituted by any manufacturer |
| BD FACSCanto™ II | BD Biosciences | ||
| BD FACSDiva | BD Biosciences | ||
| DAPI | Sigma | 10236276001 | |
| DFC450C camera module | Leica | Any camera can be used | |
| DMEM | Gibco | 41966-029 | can be substituted by any manufacturer |
| DMIL LED microscope | Leica | Any fluorescence microscope can be used | |
| DNA Blood Mini Kit | Qiagen | 51104 | can be substituted by any manufacturer |
| E.coli DH5alpha Competent Cells | Thermo Scientific | 18258012 | |
| FBS Superior | MerckMillipore | 50615 | Any FBS can be used |
| FlowJo v10.5.3 | FlowJo, LLC | Any flow cytometry software FBS can be used | |
| Gel Loading Dye, Purple (6X) | NEB | B7024 | Any 6x loading dye can be substituted |
| HEK293T cells | ATCC | 11268 | These cells constitutively express the simian virus 40 (SV40) large T antigen, and clone 17 was selected specifically for its high transfectability. |
| HERAcell® 240i CO2 Incubator | Thermo Scientific | can be substituted by any manufacturer | |
| HotStar PCR kit | Qiagen | 203203 | |
| Intas Gel documentation system | Intas | Any visualisation system for stained DNA containing agarose gels can be used | |
| Low Melt Agarose | Biozym | 850081 | can be substituted by any manufacturer |
| Opti-MEM | Invitrogen | 31985070 | can be substituted by any manufacturer |
| pBKV (34-2) | ATCC | 45025 | Plasmid harboring the full-length genome of BKPyV strain Dunlop; was used as a positive control; DNA Seq. Acc.: KP412983 |
| PBS | Gibco | 14190-136 | |
| PCR Cycler MJ Mini 48-Well Personal Cycler | Bio-Rad | discontinued product | Any thermocycler can be used |
| PCR Nucleotide Mix, 10 mM | Promega | #C1145 | can be substituted by any manufacturer |
| PCR1 and PCR2 Primers | metabion | not applicable | Desalted. Dilute to (10 µM) with PCR grade water |
| PenStrep (100x) | Gibco | 15140-122 | can be substituted by any manufacturer |
| Roti®-GelStain | Carl Roth | 3865 | A fluorescence based stain for measuring dsDNA concentration |
| SpeI-HF | NEB | R3133 | |
| T4-DNA Ligase | NEB | M0202 | |
| TransIT LT1 | Mirus | MIR2300 | |
| Trypsin 0.05% – EDTA | Gibco | 25300-054 | can be substituted by any manufacturer |
| ZymoPURE II Plasmid Kit | Zymo | D4201 | can be substituted by any manufacturer |
References
- Drachenberg, C. B., et al. Histological patterns of polyomavirus nephropathy: correlation with graft outcome and viral load. American Journal of Transplant. 4 (12), 2082-2092 (2004).
- Korth, J., et al. Impact of low-level BK polyomavirus viremia on intermediate-term renal allograft function. Transplant Infectious Disease. 20 (1), (2018).
- Hirsch, H. H., et al. European perspective on human polyomavirus infection, replication and disease in solid organ transplantation. Clinical Microbiology and Infection. 20 Suppl 7, 74-88 (2014).
- Masutani, K., et al. The Banff 2009 Working Proposal for polyomavirus nephropathy: a critical evaluation of its utility as a determinant of clinical outcome. American Journal of Transplantation. 12 (4), 907-918 (2012).
- Korth, J., et al. Impact of immune suppressive agents on the BK-Polyomavirus non coding control region. Antiviral Research. 159, 68-76 (2018).
- Hirsch, H. H., Yakhontova, K., Lu, M., Manzetti, J. BK Polyomavirus Replication in Renal Tubular Epithelial Cells Is Inhibited by Sirolimus, but Activated by Tacrolimus Through a Pathway Involving FKBP-12. Amerian Journal of Transplantation. 16 (3), 821-832 (2016).
- Sanchez Fructuoso, A. I., et al. Mammalian target of rapamycin signal inhibitors could play a role in the treatment of BK polyomavirus nephritis in renal allograft recipients. Transplant Infectious Disease. 13 (6), 584-591 (2011).
- Moens, U., Johansen, T., Johnsen, J. I., Seternes, O. M., Traavik, T. Noncoding control region of naturally occurring BK virus variants: sequence comparison and functional analysis. Virus Genes. 10 (3), 261-275 (1995).
- Gosert, R., et al. Polyomavirus BK with rearranged noncoding control region emerge in vivo in renal transplant patients and increase viral replication and cytopathology. Journal of Experimental Medicine. 205 (4), 841-852 (2008).
- Bethge, T., et al. Sp1 sites in the noncoding control region of BK polyomavirus are key regulators of bidirectional viral early and late gene expression. Journal of Virology. 89 (6), 3396-3411 (2015).
- Gosert, R., Kardas, P., Major, E. O., Hirsch, H. H. Rearranged JC virus noncoding control regions found in progressive multifocal leukoencephalopathy patient samples increase virus early gene expression and replication rate. Journal of Virology. 84 (20), 10448-10456 (2010).
- Bernhoff, E., Gutteberg, T. J., Sandvik, K., Hirsch, H. H., Rinaldo, C. H. Cidofovir inhibits polyomavirus BK replication in human renal tubular cells downstream of viral early gene expression. American Journal of Transplantation. 8 (7), 1413-1422 (2008).
- Widera, M., et al. HIV-1 persistent viremia is frequently followed by episodes of low-level viremia. Medical Microbiology Immunology. , (2017).
- Zhang, S., Cahalan, M. D. Purifying plasmid DNA from bacterial colonies using the QIAGEN Miniprep Kit. Journal of Visualized Experiment. (6), 247 (2007).
- Drew, R. J., Walsh, A., Laoi, B. N., Crowley, B. Phylogenetic analysis of the complete genome of 11 BKV isolates obtained from allogenic stem cell transplant recipients in Ireland. Journal of Medical Virology. 84 (7), 1037-1048 (2012).
- Dorries, K., Vogel, E., Gunther, S., Czub, S. Infection of human polyomaviruses JC and BK in peripheral blood leukocytes from immunocompetent individuals. Virology. 198 (1), 59-70 (1994).
- Teutsch, K., et al. Early identification of renal transplant recipients with high risk of polyomavirus-associated nephropathy. Medical Microbiology Immunology. 204 (6), 657-664 (2015).
- Basu, S., Campbell, H. M., Dittel, B. N., Ray, A. Purification of specific cell population by fluorescence activated cell sorting (FACS). Journal of Visualized Experiment. (41), (2010).
- Korth, J., et al. The detection of BKPyV genotypes II and IV after renal transplantation as a simple tool for risk assessment for PyVAN and transplant outcome already at early stages of BKPyV reactivation. Journal of Clinical Virology. 113, 14-19 (2019).
- Caputo, A., Barbanti-Brodano, G., Wang, E., Ricciardi, R. P. Transactivation of BKV and SV40 early promoters by BKV and SV40 T-antigens. Virology. 152 (2), 459-465 (1986).
- Shaner, N. C., Steinbach, P. A., Tsien, R. Y. A guide to choosing fluorescent proteins. Nature Methods. 2 (12), 905-909 (2005).
