Here, a protocol is presented for creating an infectious bacterial artificial chromosome containing a full-length cDNA of the positive-strand genomic RNA of Japanese encephalitis virus. This protocol can be used to construct a functional cDNA of other positive-strand RNA viruses, making it a powerful genomic tool for studying virus biology.
Reverse genetics, an approach to rescue infectious virus entirely from a cloned cDNA, has revolutionized the field of positive-strand RNA viruses, whose genomes have the same polarity as cellular mRNA. The cDNA-based reverse genetics system is a seminal method that enables direct manipulation of the viral genomic RNA, thereby generating recombinant viruses for molecular and genetic studies of both viral RNA elements and gene products in viral replication and pathogenesis. It also provides a valuable platform that allows the development of genetically defined vaccines and viral vectors for the delivery of foreign genes. For many positive-strand RNA viruses such as Japanese encephalitis virus (JEV), however, the cloned cDNAs are unstable, posing a major obstacle to the construction and propagation of the functional cDNA. Here, the present report describes the strategic considerations in creating and amplifying a genetically stable full-length infectious JEV cDNA as a bacterial artificial chromosome (BAC) using the following general experimental procedures: viral RNA isolation, cDNA synthesis, cDNA subcloning and modification, assembly of a full-length cDNA, cDNA linearization, in vitro RNA synthesis, and virus recovery. This protocol provides a general methodology applicable to cloning full-length cDNA for a range of positive-strand RNA viruses, particularly those with a genome of >10 kb in length, into a BAC vector, from which infectious RNAs can be transcribed in vitro with a bacteriophage RNA polymerase.
用于RNA病毒学家,重组DNA技术在20世纪70年代后期出现使得有可能转换的病毒RNA基因组成的cDNA克隆,其可随后被传播作为细菌的RNA病毒的基因操作的质粒。1所述的第一RNA病毒是分子克隆是噬菌体Qβ,一个正链RNA病毒,感染大肠杆菌 。一份载有Qβ基因组RNA的全长cDNA拷贝质粒引起感染Qβ噬菌体在引入E.大肠杆菌 。2之后不久,这种技术应用于脊髓灰质炎病毒,人类和动物的一个正链RNA病毒。质粒轴承脊髓灰质炎病毒基因组RNA的全长cDNA的感染性时转染到哺乳动物细胞和能够产生感染性病毒体3在这个“DNA的启动”的方法,将克隆的cDNA应在细胞内转录的启动病毒RNA的复制。然而,目前还不清楚如何转录启动以及如何转录物加工成正确的病毒序列。这种担忧导致了另一种“RNA推出”的发展方针,从而使病毒RNA基因组的完整基因副本是根据由E.识别的启动子克隆大肠杆菌或噬菌体RNA聚合酶,用于生产在体外合成的RNA具有确定的5'和3'末端,在导入宿主细胞经历完整的病毒复制循环的4,5的第一次成功,这种方法据报道为雀麦花叶病毒,6,7-植物的正链RNA病毒。此后,核糖核酸射方法已经被开发用于广泛的正链RNA病毒,包括杯状病毒,甲病毒,黄病毒,动脉炎病毒,和冠状病毒。1,4,5,8
在这两个DNA和RNA的启动反向遗传学系统,一个FUL的施工升的全长cDNA克隆的关键是产生感染性DNA或正链RNA病毒的RNA,但它成为相当大的技术挑战,作为病毒基因组的尺寸增加。9-17特别是,一个大的RNA基因组〜10 -32 kb的提出了三种主要障碍全长官能cDNA的克隆18的第一个困难是一个忠实的cDNA拷贝的合成,因为RT-PCR的保真度是成反比的病毒RNA的长度。第二关是有潜在毒性的序列的存在,因为长的RNA分子更可能含有能够使cDNA片段在质粒不稳定在大肠杆菌的意想不到的序列大肠杆菌 。第三也是最关键的问题是合适的载体的可用性,因为它是很难找到的克隆载体,可以容纳的> 10kb的一个病毒cDNA插入物。在过去的三十年里,这些障碍已经被克服在酶学,方法论,是一些进步ðvectorology。1,4,5,8其中,最有前途的创新发展是大的正链RNA病毒传染性细菌人工染色体(BAC)的克隆。 BAC载体是一低拷贝质粒克隆(1-2个拷贝/细胞)的基础上E.大肠杆菌 F质粒,具有的平均DNA插入物大小:约120-350 kb的19-21的DNA片段被插入到以类似的方式将BAC载体以克隆到一般的克隆载体。所产生的BAC克隆是稳定的多代的E.大肠杆菌。22,23到目前为止,上述BAC技术已被用来创建感染性cDNA克隆的三个正链RNA病毒家族, 即 黄病毒科 , 动脉炎 24-29,30和冠状的> 10个成员。9,16,17 ,31,32
使用日本脑炎病毒(JEV)作为一个例子,目前的工作报告的详细过程,可以是用于构建遗传稳定的全长感染性BAC为各种正链RNA病毒。 JEV是一种人畜共患黄病毒33是在鸟类,猪和其他脊椎动物宿主之间性质通过蚊子载体传播。34,35在人类中,JEV感染可引起严重的常常是致命的神经系统疾病的日本脑炎(JE),36中发生的亚洲和西太平洋,37,38的部分地区有中〜50,000-175,000临床病例,估计每年的发病率。39,40乙脑病毒的基因组是〜11 KB,单股,正链RNA分子,由由两个非编码区(NCR的)在5'和3'侧翼的单个开放阅读框(ORF)结束。41,42的ORF编码是受宿主和病毒蛋白酶裂解,生成10个单独的蛋白质多蛋白,指定C,PRM,请E,NS1,NS2A,NS2B,NS3,NS4A,NS4B和NS5中的N至C端方向34,43,44此外,电子NS1(NS1')的xtended形式是由-1核糖体移密码子NS2A 8-9表示。45,46这些11种蛋白质中,有三种结构蛋白(C,的prM和E)是用于感染性的形成至关重要病毒粒子,47,48和其余八的非结构蛋白(NS1到NS5,和NS1')是病毒RNA复制,49-51颗粒组装,52-56和先天免疫逃避至关重要。57-59两者的5'和3 'NCR的含有保守的一级序列和形式的RNA二级/三级结构,60-62其中用于调节病毒RNA复制很重要。63,64
本协议描述的工具,方法和策略产生全长乙脑病毒感染性BAC SA 14 -14-2。28这种功能BAC克隆包含了乙脑病毒基因组RNA,它是通过一个启动子包含一个完整的基因副本,65对于SP6 RNA聚合酶上游的病毒的5'末端和一个独特的XbaⅠ限制性病毒3'末端的体外径流转录的下游位点。此BAC技术适用于构建一个功能完整的cDNA分子克隆用于正链RNA病毒的阵列。
目前的协议已被成功地用来产生全长感染性cDNA克隆的两种不同菌株(CNU / LP2 27和SA 14 -14-2 28)JEV,黄病毒,其功能性的cDNA已被证明是本来就很难构建和由于传播宿主细胞毒性和克隆基因的遗传不稳定性8,74-76该协议包括三个主要部分组成:第一,采用高保真逆转录酶最大化的病毒RNA的忠实cDNA拷贝合成/放大/ DNA聚合酶;第二,克隆含有毒序列(未公布的数据)的病毒的prM-E的编码区74,77,78在从最初的cDNA亚克隆到最终的全长cDNA组装步骤非常低拷贝数载体的BAC;第三,利用克隆载体的BAC,可容纳外来DNA与120-350 kb的,19-21的平均尺寸,这显然容忍较大的DNA樱雪RTS比其他克隆载体。这种克隆方法将是普遍适用于许多其他正链RNA病毒,特别是那些具有约10〜32 kb的大的RNA基因组。的感染性cDNA克隆的产生是在发展为RNA病毒反向遗传学系统的一个关键步骤,特别是对正链RNA病毒,因为它的基因组作为病毒mRNA是受宿主细胞的核糖体翻译成蛋白质。因此,病毒复制可以通过导入的cDNA衍生的基因组长度RNA分子进入易感宿主细胞启动。感染性JEV cDNA克隆的可用性,当用重组DNA技术结合起来,还增加了我们的病毒生命周期的各个方面的理解,在分子水平上,如基因表达73,79和基因组的复制。63,64,一个全长的JEV cDNA克隆已被证明是用于抗病毒疫苗28和基因递送载体的发展的有价值的工具。<SUP> 80,81
如同所有的正链RNA病毒中,有在构建可靠官能的cDNA JEV从中高度传染性的RNA 可以在体外进行合成的多个关键步骤。理想的情况下,从全长cDNA的克隆转录合成RNA的顺序应该是相同的,所述病毒基因组RNA,特别是所需要的病毒RNA复制的起始的5'-和3'-端序列的60-62在当前的协议,正宗5'-和3'-末端确保通过将SP6启动子序列的病毒基因组的第一个腺嘌呤核苷酸的上游和定位一个独特人工的XbaⅠ限制性位点的最后的下游病毒基因组的胸腺嘧啶核苷酸,分别。封端的合成的RNA与由一个Xba I位线性化和MBN处理的cDNA德的径流转录被生产正宗5'和3'末端mplate使用SP6 RNA聚合酶底漆与M 7 G(5'),PPP(5')的盖模拟。该协议可以以多种方式进行修改。 体外转录,另一个噬菌体RNA聚合酶(例如,T3或T7)可以在与它的良好定义的启动子序列一起使用。27作为一个径流位点,不同的限制性位点可以使用,如果它不存在在病毒基因组,如果合成的RNA从线性的cDNA与正宗的3'端结束。 3'-端核苷酸序列的重要性已被证明在核糖核酸感染性〜10倍的下降,当一个合成的RNA包含三个或四个病毒无关的核苷酸在其3'末端27在体外转录反应中,既第m 7 G(5'),PPP(5')A和m 7 G(5'),PPP(5')G帽类似物可同样用得好,病毒5后者虽然地方不相关的额外摹核苷酸上游'末端,但是这此外不改变的感染性或合成的RNA复制。27此外,除去从RNA转录通过DNA酶I消化的cDNA模板是没有必要的核糖核酸的感染性的测试,因为与cDNA模板本身不是感染性的。27
上述BAC技术已被应用到构建感染性cDNA克隆为少数正链RNA病毒,即,二JEVs,CNU / LP2 27和SA 14 -14-2 28(基因组的大小,〜11 kb的); 2登革热病毒,BR / 90 26和NGC 29(〜11 KB);牛病毒性腹泻病毒,SD1(〜12 KB); 25两种经典猪瘟病毒,C和帕德博恩(〜12 KB); 24边界病病毒,吉夫霍恩(〜12 KB); 24猪繁殖与呼吸综合征病毒,PL97-1 / LP1(〜15 KB); 30传染性胃肠炎病毒,PUR46-MAD(〜29 KB); 16猫传染性腹膜炎病毒,DF-2(〜29 KB); 32严重急性呼吸系统综合症冠 状病毒,乌尔巴尼(〜30 KB); 9中东呼吸综合症,EMC / 2012(〜30 KB); 17和人类冠状病毒,病毒OC43(〜 31 KB)31使用的BACs用于cDNA结构的主要优点是大的,1或2拷贝BAC质粒的高遗传稳定性。然而,其非常低拷贝数的固有性质是因为BAC DNA和随之减少在BAC DNA的纯度相对于宿主染色体DNA的非常低的产率的也是一个很大的缺点,。在当前的协议,BAC DNA的产率通过生长大肠杆菌最大化大肠杆菌 DH10B在营养丰富的介质,的2xYT转化的感染性BAC PBAC / SA 14 -14-2。尽管这样的努力,平均产量仅在从500毫升的2xYT肉汤BAC DNA的〜15微克。而且,BAC DNA的纯度最好使用氯化铯 – 溴化乙锭密度梯度离心进行纯化达到的,而不是通常使用的基于列的质粒分离。但是,要记住重要的是,BAC转化E.大肠杆菌不应过度生长,因为它可能会危及克隆的cDNA的遗传稳定性,和更高的增长并不必然导致更大的产率或更高纯度的BAC DNA。
这里描述的协议是一个优化的,高效和简化的遗传稳定的全长感染性cDNA克隆作为BAC为JEV的构造和繁殖方法中,一个过程曾经认为实际上不可能。此相同的克隆策略,也可以应用于其它许多正链RNA病毒。在一般情况下,感染性cDNA克隆使我们介绍了各种突变(例如,缺失,插入,和点突变)的成病毒RNA基因组来研究它们的生物学功能中的病毒复制和发病机理。该cDNA为基础的反向遗传学系统使得能够开发和TES吨疫苗和靶向感兴趣的特定正链RNA病毒的毒力因子(多个)治疗的候选人。此外,这种感染性cDNA技术也可以用来作为病毒载体,能够表达外来感兴趣的基因(多个)用于生物医学研究中的许多应用。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge the Utah Science Technology and Research fund for support of YML and the Korea National Research Foundation grants (2009-0069679 and 2010-0010154) for support of SIY. This research was supported by the Utah Agricultural Experiment Station, Utah State University, and approved as journal paper number UAES #8753. Also, the authors thank Dr. Deborah McClellan for editorial assistance.
1. Molecular Cloning | |||
2xYT Broth | Sigma-Aldrich | Y2377 | |
[3H]UTP | PerkinElmer | NET380250UC | Radioactive |
50-mL Tube | Thermo Scientific (Nalgene) | 3114-0050 | |
250-mL Bottle | Beckman Coulter | 356011 | |
Agarose | Lonza | 50004 | |
Agarose (Low Melting Point) | Life Technologies (Invitrogen) | 16520-100 | |
AvaI | New England BioLabs | R0152S | |
AvrII | New England BioLabs | R0174S | |
BamHI | New England BioLabs | R0136S | |
BsiWI | New England BioLabs | R0553S | |
BsrGI | New England BioLabs | R0575S | |
Butanol | Fisher Scientific | A399-1 | |
Cap Analog [m7G(5ʹ)ppp(5ʹ)A] | New England BioLabs | S1405S | |
Cesium Chloride | Fisher Scientific | BP1595-1 | |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378 | |
Chloroform | Sigma-Aldrich | C2432 | Carcinogenic |
DE-81 Filter Paper | GE Healthcare Life Sciences | 3658-023 | |
dNTP mix | Life Technologies (Invitrogen) | 18427-088 | |
E. coli DH10B | Life Technologies (Invitrogen) | 18297-010 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E5134 | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | E7023 | |
Ethidium Bromide | Sigma-Aldrich | E7637 | Toxic and highly mutagenic |
Filter Column (Plasmid Maxiprep Kit) | Life Technologies (Invitrogen) | K2100-26 | |
Glacial Acetic Acid | Sigma-Aldrich | A6283 | Irritating |
Glucose | Sigma-Aldrich | G5400 | |
Glycogen | Roche | 10901393001 | |
High-Fidelity DNA Polymerase | New England BioLabs | M0491S | |
Isoamyl Alcohol | Sigma-Aldrich | I9392 | Flammable |
Isopropanol | Amresco | 0918 | Flammable |
LB Broth | Life Technologies (Invitrogen) | 12795-027 | |
Lithium Chloride | Sigma-Aldrich | L9650 | |
Lysozyme | Amresco | 0663 | |
Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | |
M-MLV Reverse Transcriptase | Life Technologies (Invitrogen) | 18080-044 | |
Mung Bean Nuclease | New England BioLabs | M0250S | |
Needle (18G, 20G) | BD | 305196, 305175 | Biohazardous (Sharps waste) |
NotI | New England BioLabs | R0189S | |
Oligonucleotide | Integrated DNA Technologies | Custom Oligonucleotide Synthesis | |
PacI | New England BioLabs | R0547S | |
pBeloBAC11 | New England BioLabs | ER2420S (E4154S) | |
Phenol (Buffer-Saturated) | Life Technologies (Invitrogen) | 15513-039 | Toxic and highly corrosive |
Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol | Life Technologies (Invitrogen) | 15593-031 | Toxic and highly corrosive |
Phenol:Guanidine Isothiocyanate | Life Technologies (Ambion) | 10296-010 | Toxic, corrosive, and irritating |
Pme I | New England BioLabs | R0560S | |
Potassium Acetate | Amresco | 0698 | |
RNase Inhibitor | Life Technologies (Invitrogen) | 10777-019 | |
rNTP Set | GE Healthcare Life Sciences | 27-2025-01 | |
Sealable Polypropylene Tube (16 × 76 mm) | Beckman Coulter | 342413 | |
SfiI | New England BioLabs | R0123S | |
Sma I | New England BioLabs | R0141S | |
Sodium Acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | |
Sodium Dodecyl Sulfate | Amresco | 0227 | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | |
SP6 RNA Polymerase | New England BioLabs | M0207S | |
Spin Column (Plasmid Miniprep Kit) | Life Technologies (Invitrogen) | K2100-11 | |
Syringe | HSW NORM-JECT | 4200.000V0 | |
T4 DNA Ligase | New England BioLabs | M0202S | |
Tris | Amresco | 0826 | |
tRNA (yeast) | Life Technologies (Invitrogen) | 15401-011 | |
XbaI | New England BioLabs | R0145S | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2. Cell Culture | |||
Alpha Minimal Essential Medium | Life Technologies (Gibco) | 12561-049 | |
Conical Tube (50 mL) | VWR | 21008-242 | |
Crystal Violet | Sigma-Aldrich | C0775 | |
Culture Dish (150 mm) | TPP | 93150 | |
Cuvette (2-mm Gap) | Harvard Apparatus | 450125 | |
Fetal Bovine Serum | Life Technologies (Gibco) | 16000-044 | |
Formaldehyde | Sigma-Aldrich | F1635 | Toxic and carcinogenic |
Glutamine | Life Technologies (Gibco) | 25030-081 | |
Minimal Essential Medium | Life Technologies (Gibco) | 61100-061 | |
Penicillin/Streptomycin | Life Technologies (Gibco) | 15070-063 | |
Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P3911 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Sigma-Aldrich | P9791 | |
Six-Well Plate | TPP | 92006 | |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | |
Sodium Phosphate Dibasic | Sigma-Aldrich | S3264 | |
Trypsin-EDTA (0.25%) | Life Technologies (Gibco) | 25200-056 | |
Vitamins | Sigma-Aldrich | M6895 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3. Equipment | |||
Agarose Gel Electrophoresis System | Mupid | MPDEXU-01 | |
CO2 Incubator | Thermo Scientific | Heracell 150i | |
Desktop Centrifuge | Thermo Scientific | ST16R | |
Electroporator | Harvard Apparatus | ECM 830 | |
Longwave Ultraviolet Lamps (Handheld) | UVP | UVGL-58 | |
Tabletop Centrifuge | Beckman Coulter | 368826 | |
Thermocycler | Life Technologies (Applied Biosystems) | GeneAmp PCR System 9700 | |
Vortexer | Scientific Industries | G-560 | |
Water Bath | Jeio Tech | WB-10E |