والمنمنمة غليكان ميكروأري الفحص لتقييم الطمع وخصوصية الأنفلونزا من الفيروسات Hemagglutinins
Summary
Using a printed glycan microarray strategy, a conventional 96-well plate assay was miniaturized for analysis of influenza A virus hemagglutinin avidity and specificity for sialic acid containing receptors.
Abstract
فيروس الانفلونزا (IAV) hemagglutinins الاعتراف الأحماض اللعابي على سطح الخلية كما مستقبلات وظيفية للحصول على دخول الخلايا. الطيور المائية البرية هي المستودع الطبيعي لIAV، ولكن IAV يمكن عبور الحواجز القائمة بين الأنواع والدواجن والخنازير والخيول والبشر. فيروسات أنفلونزا الطيور تعترف الحامض اللعابي تعلق على اللبن قبل الأخير من الربط α2-3 (من نوع الطيور مستقبلات) في حين أن الفيروسات التي تصيب البشر تعترف تفضيلي الحامض اللعابي مع الربط α2-6 (النوع البشري مستقبلات). لمراقبة إذا فيروسات أنفلونزا الطيور والتكيف مع مستقبلات نوع الإنسان، عدة طرق يمكن استخدامها. تستخدم المجهرية غليكان مع مكتبات متنوعة من sialosides الاصطناعية على نحو متزايد لتقييم مستقبلات خصوصية. ومع ذلك، لا يتم استخدام هذه التقنية لقياس avidities. ويتحقق القياس من الطمع عادة من خلال تقييم ملزم من هيماغلوتينين تخفيفه بشكل متسلسل أو الفيروس إلى glycans كثف لمادة البولي بروبيلين لوحات 96-جيدا التقليدية. في هذا الاختبار، glycans مع αتقترن 2-3 أو α2-6 الأحماض اللعابي إلى البيوتين وكثف لوحات streptavidin، أو تقترن لبولي أكريلاميد (دوس) الذي كثف مباشرة على البلاستيك. لقد المنمنمة إلى حد كبير هذا الاختبار عن طريق طباعة مباشرة sialosides المرتبطة دوس ونظرائهم غير مرتبطة دوس على الشرائح الزجاجية جيدا الصغيرة. هذه مجموعة المتابعة، مع 48 المصفوفات على شريحة واحدة، تمكن فحوصات في وقت واحد من 6 غليكان ملزمة البروتينات في 8 التخفيفات، استجواب 6 glycans مختلفة، بما في ذلك عنصري تحكم غير sialylated. هذا هو ما يعادل 18X لوحات 96-جيدا في فحص لوحة التقليدي. شكل مجموعة غليكان يقلل استهلاك مركبات والبيولوجية، وبالتالي إلى حد كبير يعزز كفاءة.
Introduction
الطيور المائية البرية هي المستودع الطبيعي لIAV، ولكن IAV قادرة على عبور الحواجز القائمة بين الأنواع والدواجن والثدييات، بما في ذلك البشر. IAVs الطيور الاعتراف α2-3 الأحماض اللعابي المرتبطة (من نوع الطيور مستقبلات)، في حين أن الفيروسات التي تصيب البشر ربط α2-6 الأحماض اللعابي المرتبطة (من نوع البشري مستقبلات). لتكون قادرة على تكرار بكفاءة ونقل بين البشر والطيور IAV يحتاج إلى ربط الإنسان من نوع مستقبلات 1.
وتنقسم IAVs بناء على الأمصال التي تميز استضداد من هيماغلوتينين من (HA) والنورامينيداز (NA) بروتينات سكرية المغلف. HA يربط الأحماض اللعابي، في حين NA هو انزيم تدمير مستقبلات في الطرف الآخر من مراحل دورة حياة الفيروس ويشق الحامض اللعابي 2. جميع الفيروسات التي تصيب الإنسان، بما في ذلك H1N1، H2N2 و H3N2، لديهم أصل الطيور 3. على مدى الماضيين عقود عدة الطيور لعمليات الانتقال الإنسان وقعت، مع H5N1، H7N7، H7N9، وكونها الأكثر شهرة؛ هاوالاصدار، أنواع فرعية أخرى قد يصاب البشر أكثر بشكل متقطع (H6N1، H7N1، H7N2، H9N2، H10N7، H10N8) 4. لحسن الحظ، يبدو أن أيا من هذه الفيروسات تمكنت من التكيف تماما إلى نوع البشري مستقبلات الحامض اللعابي المرتبطة α2-6 5-8. التكيف من الفيروسات الحيوانية الطيور أو غيرها لاستيعاب تكرار ونقل في المضيف البشري يمكن أن يكون لها تأثير مدمر على صحة الإنسان. لذلك، علم مسبق كيف تتطور هذه الفيروسات لربط من نوع البشري مستقبلات سيساعد المراقبة في جميع أنحاء العالم من فيروسات الأنفلونزا المستجدة.
تقرير تفضيل مستقبلات تم توضيحها أولا باستخدام كرات الدم الحمراء من مختلف الأنواع وتبقى فحص المفضل بين الباحثين انفلونزا 9-12. المظاهرة التي فيروسات أنفلونزا الطيور تعترف الحامض اللعابي α2-3 والفيروسات التي تصيب البشر α2-6 يرتبط الحامض اللعابي كان في الأصل على أساس مقايسة باستخدام التراص من الكريات الحمراء المهندسة إنزيمي لاحتواء كل من لىnkages 13،14. على الرغم من أن قراءات هو التراص، فحص القياسي لالفيروسات، لا يتم تحديد الهياكل غليكان الأساسية، إلا أن الربط المحطة. بالإضافة إلى ذلك، توفر محدود للsialyltransferases، وتستخدم لإعادة sialylate-الخلايا، قد حدت من استخدام هذا الاختبار 15-18. وفي وقت لاحق، وأدخلت أساليب أخرى لتحديد تفضيلات ملزم مستقبلات باستخدام هياكل غليكان sialylated مرتبط بولي أكريلاميد (دوس) أو هياكل البولي الغلوتامات (PGA) في المقايسات القائم على لوحة 19،20. العديد من الاختلافات ممكنة في طلاء إما glycans أو الفيروسات إلى صفيحة معايرة دقيقة، كل منها يؤدي إلى قوي وموثوق بها وحساسة للغاية ELISA من نوع الفحص 21-23. بدلا من ذلك، يمكن glycans المرتبطة البيوتين محل دوس / PGA، ويمكن أن يضاف إلى لوحات streptavidin المغلفة 2،24. على الرغم من أن بعض الأمصال محددة قد تكون مطلوبة، ELISAs هي glycans القياسية وعدة مرتبطة دوس يتم بسهولة commerciallذ وغير المتاحة تجاريا (التجمع من أجل Glycomics الوظيفية (http://www.functionalglycomics.org)).
ظهرت تقنيات ميكروأري غليكان باعتبارها أداة لا تقدر بثمن لتحديد مستقبلات خصوصية، كما رصدت glycans مختلفة متعددة، وملزمة لمجموعة واسعة من الهياكل المختلفة يمكن تقييمها في فحص واحد 25-29. الربط من IAV لهذه الهياكل يوفر فهما أفضل للهياكل غليكان أن IAV تعترف تفضيلي 30-33. تتطلب ميكروأرس غليكان كميات صغيرة من حجم العينة لإجراء فحص ملزمة ويستخدم سوى كميات ضئيلة من غليكان في بقعة (2 NL). ومع ذلك، وعادة ما تستخدم هذه المصفوفات فقط لتقييم خصوصية glycans مستقبلات. تحليل الفيروسات متعددة، أو البروتينات راصة دموية، في نطاقات تركيز متعددة يمكن أن تكون باهظة نظرا لعدد من الشرائح المطلوبة. وعلاوة على ذلك، حتى الآن، وقد وضعت أي فحص الطمع النسبي باستخدام ع غليكانتقنيات الأشعة.
الجمع بين متطلبات عينة المنخفض التي تتيحها تقنيات ميكروأري غليكان وحساسية glycans المرتبطة دوس في المقايسات مقرها ELISA، سعينا إلى تطوير مجموعة متعددة جيدا غليكان التي من شأنها أن تسمح للتحليل إنتاجية عالية مع قرار مماثل أو أفضل مقارنة لفحص التقليدية القائمة ELISA. في وقت واحد، أردنا أن تقليل كمية المواد البيولوجية والكيميائية مراسل المستهلكة. والنتيجة النهائية هي فحص الطمع المنمنمة، وضعت خصيصا لرصد IAV خصوصية وقابلة للتطبيق على حد سواء لتقييم البروتينات ملزمة غليكان أخرى. باستخدام شريحة زجاجية فصلها إلى 48 بئرا الصغرى التي كتبها قناع تفلون، ورصدت 6 glycans مختلفة في 6 مكررات لكل بئر. منصة ميكروأري يعطي نفس الاتجاهات في مستقبلات ملزمة ينظر في شكل ELISA الكلي مع العديد من المزايا. وتشمل هذه (I) طباعة مجمع في 6 مكررات، وذلك باستخدام الحد الأدنى من العينة، مقابل طلاء من عدة صفوف طنا لوحة، وذلك باستخدام 100 ميكرولتر لكل بئر. (II) تحليل عدة مركبات مختلفة في وقت واحد في بئر واحدة، بما في ذلك الضوابط. (الثالث) إلى جانب النقص الهائل في حجم الحضانة و. (رابعا) مجموعة ديناميكية أكبر باستخدام قراءات الفلورسنت. ويمكن حساب شريحة واحدة ليكون معادلا ل18X لوحات 96-جيدا.
مع بروتوكول التالية، أي قادرة مختبر تصنيع وتحليل رصدت يجب المجهرية تكون قادرة على تصنيع هذا الشكل ELISA المنمنمة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقييم IAV مستقبلات خصوصية خطوة هامة في تحليل القدرة على إحداث جائحة من فيروسات أنفلونزا الطيور. يرتبط الاعتراف الحامض اللعابي من قبل الفيروس إلى العديد من الخصائص البيولوجية مثل ملزمة لوإطلاق سراح من الخلية. المعرفة التي هي ضرورية الطفرات الأحماض الأمينية لفيروسات ا…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل في جزء من مرفق سكريبس ميكروأري الأساسية، وعقد من مراكز السيطرة على الأمراض (JCP). RPdV هي المستفيدة من منحة خطوة جريئة وشفني من المنظمة الهولندية للبحوث العلمية (NWO). قدم الكونسورتيوم لGlycomics الوظيفية (http://www.functionalglycomics.org/) بتمويل من منحة NIGMS GM62116 (JCP) عدة glycans المستخدمة في هذه الدراسة. هذا هو نشر 29113 من معهد سكريبس للأبحاث.
Materials
| NEXTERION® Slide H MPX-48 | Schott | 1091525 | Microwell slides |
| ProScanArray Plus | PerkinElmer | discontinued | confocal microarray scanner |
| Innoscan 1100AL Scanner/Mapix Software | Innopsys | – | confocal microarray scanner |
| MicroGrid II | Digilab | – | microaray printer |
| SNA | Vector Labs | B-1305 | Plant Lectin |
| ECA | Vector Labs | B-1145 | Plant Lectin |
| Anti-Strep Antibody | IBA | 2-1509-001 | Anitbody for HA binding |
| Anti-Mouse Alexa-647 | Life | A-21235 | Anitbody for HA binding |
| Tween-20 | Sigma | P2287 | detergent |
| di-basic Sodium Phosphate | Sigma | 255793 | printing buffer component |
| mono-basic Sodium phosphate | Sigma | 229903 | printing buffer component |
| poly-l-lysine solution | Sigma | P8920 | pre-spotting slide component |
| sodium hydroxide | Sigma | 221465 | pre-spotting slide component |
| ethanol | Sigma | 493546 | pre-spotting slide component |
| phosphate buffered saline | Corning | 46-013-CM | incubation/washing buffer |
| SMP4B pins | Telechem | SMP4B | printing pin |
| Compressed Nitrogen (Grade5) | Praxair | UN1066 | general dusting/drying tool |
| Boric Acid | Sigma | B6768-500G | Slide blocking reagent |
| ethanolamine | Sigma | E9508-500ML | Slide blocking reagent |
| Atto 488 | AttoTec | AD 488-91 | Gridmarker on array |
| PAA-LNLN | Consortium for Functional Glycomics | PA368 | Spotted glycans |
| PAA-3SLNLN | Consortium for Functional Glycomics | PA362 | Spotted glycans |
| PAA-6SLNLN | Consortium for Functional Glycomics | PA343 | Spotted glycans |
| LNLN | Consortium for Functional Glycomics | Te98 | Spotted glycans |
| 3SLNLN | Consortium for Functional Glycomics | Te175 | Spotted glycans |
| 6SLNLN | Consortium for Functional Glycomics | Te176 | Spotted glycans |
| 384-well microtiter plate | Matrix TechCorp | 4361 | Printing plate |
| VWR lab marker | VWR | 52877-150 | Slide Numbering |
| Wheaton slide staining dish | Sigma | Z103969-1EA | Blocking and Drying |
Referências
- Tumpey, T. M., et al. A two-amino acid change in the hemagglutinin of the 1918 influenza virus abolishes transmission. Science. 315 (5812), 655-659 (2007).
- Xu, R., et al. Functional balance of the hemagglutinin and neuraminidase activities accompanies the emergence of the 2009 H1N1 influenza pandemic. J Virol. 86 (17), 9221-9232 (2012).
- Bouvier, N. M., Palese, P. The biology of influenza viruses. Vaccine. 26, D49-D53 (2008).
- Freidl, G. S., et al. Influenza at the animal-human interface: a review of the literature for virological evidence of human infection with swine or avian influenza viruses other than A(H5N1). Euro Surveill. 19 (18), (2014).
- Xu, R., et al. Preferential recognition of avian-like receptors in human influenza A H7N9 viruses. Science. 342 (6163), 1230-1235 (2013).
- Paulson, J. C., de Vries, R. P. H5N1 receptor specificity as a factor in pandemic risk. Virus Res. 178 (1), 99-113 (2013).
- Tzarum, N., et al. Structure and receptor binding of the hemagglutinin from a human H6N1 influenza virus. Cell Host Microbe. 17 (3), 369-376 (2015).
- Zhang, H., et al. A Human-Infecting H10N8 Influenza Virus Retains a Strong Preference for Avian-type Receptors. Cell Host Microbe. 17 (3), 377-384 (2015).
- Carroll, S. M., Higa, H. H., Paulson, J. C. Different cell-surface receptor determinants of antigenically similar influenza virus hemagglutinins. J Biol Chem. 256 (16), 8357-8363 (1981).
- Gambaryan, A. S., et al. Specification of receptor-binding phenotypes of influenza virus isolates from different hosts using synthetic sialylglycopolymers: non-egg-adapted human H1 and H3 influenza A and influenza B viruses share a common high binding affinity for 6′-sialyl(N-acetyllactosamine). Virology. 232 (2), 345-350 (1997).
- Rogers, G. N., D’Souza, B. L. Receptor binding properties of human and animal H1 influenza virus isolates. Virology. 173 (1), 317-322 (1989).
- Rogers, G. N., et al. Single amino acid substitutions in influenza haemagglutinin change receptor binding specificity. Nature. 304 (5921), 76-78 (1983).
- Paulson, J. C., Rogers, G. N. Resialylated erythrocytes for assessment of the specificity of sialyloligosaccharide binding proteins. Methods Enzymol. 138, 162-168 (1987).
- Paulson, J. C., Sadler, J. E., Hill, R. L. Restoration of specific myxovirus receptors to asialoerythrocytes by incorporation of sialic acid with pure sialyltransferases. J Biol Chem. 254 (6), 2120-2124 (1979).
- Chutinimitkul, S., et al. In vitro assessment of attachment pattern and replication efficiency of H5N1 influenza A viruses with altered receptor specificity. J Virol. 84 (13), 6825-6833 (2010).
- Glaser, L., et al. A single amino acid substitution in 1918 influenza virus hemagglutinin changes receptor binding specificity. J Virol. 79 (17), 11533-11536 (2005).
- Herfst, S., et al. Airborne transmission of influenza A/H5N1 virus between ferrets. Science. 336 (6088), 1534-1541 (2012).
- Nobusawa, E., Ishihara, H., Morishita, T., Sato, K., Nakajima, K. Change in receptor-binding specificity of recent human influenza A viruses (H3N2): a single amino acid change in hemagglutinin altered its recognition of sialyloligosaccharides. Virology. 278 (2), 587-596 (2000).
- Gambaryan, A. S., Matrosovich, M. N. A solid-phase enzyme-linked assay for influenza virus receptor-binding activity. J Virol Methods. 39 (1-2), 111-123 (1992).
- Totani, K., et al. Chemoenzymatic synthesis and application of glycopolymers containing multivalent sialyloligosaccharides with a poly(L-glutamic acid) backbone for inhibition of infection by influenza viruses. Glycobiology. 13 (5), 315-326 (2003).
- Gambaryan, A., et al. Receptor specificity of influenza viruses from birds and mammals: new data on involvement of the inner fragments of the carbohydrate chain. Virology. 334 (2), 276-283 (2005).
- Ito, T., et al. Receptor specificity of influenza A viruses correlates with the agglutination of erythrocytes from different animal species. Virology. 227 (2), 493-499 (1997).
- Watanabe, Y., et al. Acquisition of human-type receptor binding specificity by new H5N1 influenza virus sublineages during their emergence in birds in Egypt. PLoS Pathog. 7 (5), e1002068 (2011).
- Chandrasekaran, A., et al. Glycan topology determines human adaptation of avian H5N1 virus hemagglutinin. Nat Biotechnol. 26 (1), 107-113 (2008).
- Blixt, O., et al. Printed covalent glycan array for ligand profiling of diverse glycan binding proteins. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (49), 17033-17038 (2004).
- Childs, R. A., et al. Receptor-binding specificity of pandemic influenza A (H1N1) 2009 virus determined by carbohydrate microarray. Nat Biotechnol. 27 (9), 797-799 (2009).
- Nycholat, C. M., et al. Recognition of Sialylated Poly-N-acetyllactosamine Chains on N- and O-Linked Glycans by Human and Avian Influenza A Virus Hemagglutinins. Angew Chem Int Ed Engl. , (2012).
- Rillahan, C. D., Paulson, J. C. Glycan microarrays for decoding the glycome. Annu Rev Biochem. 80, 797-823 (2011).
- Song, X., et al. A sialylated glycan microarray reveals novel interactions of modified sialic acids with proteins and viruses. J Biol Chem. 286 (36), 31610-31622 (2011).
- Gulati, S., et al. Human H3N2 Influenza Viruses Isolated from 1968 To 2012 Show Varying Preference for Receptor Substructures with No Apparent Consequences for Disease or Spread. PLoS One. 8 (6), (2013).
- Stevens, J., Blixt, O., Paulson, J. C., Wilson, I. A. Glycan microarray technologies: tools to survey host specificity of influenza viruses. Nat Rev Microbiol. 4 (11), 857-864 (2006).
- de Vries, R. P., et al. Evolution of the hemagglutinin protein of the new pandemic H1N1 influenza virus: maintaining optimal receptor binding by compensatory substitutions. J Virol. 87 (24), 13868-13877 (2013).
- Yang, H., et al. Structure and receptor binding preferences of recombinant human A(H3N2) virus hemagglutinins. Virology. 477, 18-31 (2015).
- de Vries, R. P., et al. The influenza A virus hemagglutinin glycosylation state affects receptor-binding specificity. Virology. 403 (1), 17-25 (2010).
