Обогащение нативных и рекомбинантных внеклеточных везикул микобактерий

Summary

В этом протоколе подробно описывается обогащение нативных микобактериальных внеклеточных везикул (mEV) из аксенических культур Mycobacterium smegmatis (Msm) и то, как можно спроектировать и обогатить mCherry (красный флуоресцентный репортер), содержащие рекомбинантные MsmEV. Наконец, он подтверждает новый подход с обогащением MsmEV, содержащих белок EsxA Mycobacterium tuberculosis.

Abstract

Большинство бактерий, включая микобактерии, продуцируют внеклеточные везикулы (ВВ). Поскольку бактериальные ВВ (бВВ) содержат подмножество клеточных компонентов, включая метаболиты, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, несколько групп оценили либо нативные, либо рекомбинантные версии ВВ на предмет их защитной активности в качестве субъединичных вакцин-кандидатов. В отличие от нативных ВВ, рекомбинантные ВВ имеют молекулярную инженерию, содержащую один или несколько интересующих иммуногенов. За последнее десятилетие различные группы исследовали различные подходы к созданию рекомбинантных электромобилей. Однако здесь мы сообщаем о разработке, конструировании и обогащении рекомбинантных микобактериальных ВВ (мВВ) в микобактериях. Для этого в качестве модельной системы мы используем Mycobacterium smegmatis (Msm), авирулентную почвенную микобактерию. Сначала мы опишем генерацию и обогащение нативных электромобилей Msm. Затем мы описываем дизайн и конструкцию рекомбинантных mEV, которые содержат либо mCherry, красный флуоресцентный репортерный белок, либо EsxA (Esat-6), известный иммуноген Mycobacterium tuberculosis. Мы достигаем этого путем раздельного слияния mCherry и EsxA N-концов с С-концом небольшого белка Msm Cfp-29. Cfp-29 является одним из немногих белков, присутствующих в изобилии в MsmEV. Протокол генерации и обогащения рекомбинантных mEV из Msm остается идентичным протоколу генерации и обогащения нативных EV Msm.

Introduction

Несмотря на разработку и применение широкого спектра вакцин против инфекционных болезней, даже по сей день ~30% всех случаев смерти людей по-прежнему происходит от инфекционных^{болезней1}. До появления вакцины против туберкулеза (ТБ) – Bacillus Calmette Guerin (БЦЖ) – туберкулез был убийцей номер один (от ~10 000 до 15 000 на 100 000 населения)². Благодаря введению БЦЖ и легкому доступу к противотуберкулезным препаратам первой и второй линии к 2022 г. смертность, связанная с туберкулезом, резко снизилась до ~1 млн/год к 2022 г. (т.е. ~15-20 на 100 000^{населения1}). Тем не менее, в эндемичных по туберкулезу популяциях мира смертность, связанная с туберкулезом, по-прежнему составляет ~100-550 на 100 000^{населения1}. В то время как эксперты признают несколько причин, приводящих к таким искаженным цифрам, опосредованная БЦЖ защита, не сохраняющаяся даже в течение первого десятилетия жизни, по-видимому, является основной причиной 3,4,5,6,7. Таким образом, с учетом обновленных «Целей в области устойчивого развития» ООН и «Стратегии ВОЗ по ликвидации туберкулеза» предпринимаются согласованные глобальные усилия по разработке гораздо более совершенной альтернативы БЦЖ, которая, возможно, обеспечит пожизненную защиту от туберкулеза.

Для достижения этой цели несколько групп в настоящее время оценивают модифицированные/рекомбинантные штаммы БЦЖ, непатогенные и аттенуированные виды микобактерий, отличные от БЦЖ, и субъединичные кандидаты 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Как правило, субъединичные вакцины представляют собой липосомы, селективно нагруженные небольшим количеством очищенных (~1-6) полноразмерных или укороченных иммуногенных белков патогена. Тем не менее, из-за их ложного сворачивания в ненативные конформации и/или случайных нефункциональных взаимодействий между загруженными белками, субъединицы часто не имеют нативных и германных эпитопов и, следовательно, не могут в достаточной степени подготовить иммунную систему^14,19,20.

Следовательно, внеклеточные везикулы (ВВ) бактерий набрали обороты в качестве многообещающей альтернативы 21,22,23,24,25,26. Как правило, бактериальные ВВ (бВВ) содержат подмножество своих клеточных компонентов, включая некоторые части нуклеиновых кислот, липидов и сотни метаболитов и белков^27,28. В отличие от липосом, в которых несколько очищенных белков искусственно загружены, бэв содержат сотни естественно загруженных, нативно свернутых белков с большей склонностью к подготовке иммунной системы, особенно без усиления/помощи адъювантов и агонистов толл-подобных рецепторов (TLR)^27,28,29. Именно в рамках этого направления исследований мы и другие изучили полезность микобактериальных EV в качестве потенциальных субъединичных бустеров BCG³⁰. Несмотря на опасения по поводу того, что у бэв отсутствует однородная антигенная нагрузка, ВВ аттенуированной Neisseria meningitidis успешно защищают людей от менингококка серогруппы В^31,32.

По крайней мере, теоретически, лучшими ВВ, которые могут хорошо повысить БЦЖ, являются ВВ, обогащенные патогенными бактериями. Однако обогащение электромобилей, генерируемых патогенными микобактериями, является дорогостоящим, трудоемким и рискованным процессом. Кроме того, электромобили, генерируемые патогенами, могут быть более вирулентными, чем защитными. Учитывая потенциальные риски, здесь мы сообщаем о хорошо протестированном протоколе обогащения электромобилей, генерируемых аксенически выращенной МСМ, авирулентной микобактерией.

Однако, несмотря на то, что авирулентные микобактерии кодируют несколько ортологов патогенных белков, им не хватает нескольких вакцинных антигенов/эпитопов патогенных белков, необходимых для того, чтобы в достаточной степени подготовить иммунную систему^{к защите}. Поэтому мы также исследовали создание и обогащение рекомбинантных ВВ МСМ с помощью молекулярной инженерии, таким образом, чтобы значительная часть любого патогенного белка, представляющего интерес, экспрессируемого и транслируемого в МСМ, должна достигать своих ВВ. Мы предположили, что один или несколько из 10 наиболее распространенных белков МСМ ВВ при слиянии с интересующим белком будут способствовать такой транслокации.

В 2011 году, когда мы начали стандартизировать обогащение микобактериальных ВВ (мВВ) в нашей лаборатории, Прадос-Росалес и др. впервые сообщили о визуализации и обогащении МЭВ in vitro³⁰. Позже, в 2014 году, та же группа опубликовала модифицированную версию своего метода³⁴ 2011 года. В 2015 году Lee et al. также сообщили о независимом стандартизированном методе обогащения mEV из аксенических культур микобактерий³⁵. Объединив оба протокола 34,35 и включив некоторые из наших модификаций после тщательной стандартизации^, мы описываем здесь протокол, который помогает регулярно обогащать mEV из аксенических культур микобактерий³⁶.

Здесь мы особенно подробно остановимся на обогащении ВВ, специфичных для МСМ, которое является расширением опубликованного протокола³⁶ для обогащения ВВ микобактерий в целом. Мы также подробно описываем, как конструировать рекомбинантные mEV (R-mEV), которые содержат белок mCherry (в виде красного флуоресцентного репортера) и EsxA (Esat-6)^37,38,39, преобладающий иммуноген и потенциальный субъединица вакциногена Mycobacterium tuberculosis. Протокол обогащения R-mEV остается идентичным тому, который мы описали для обогащения нативных электромобилей от Msm.

Protocol

1. Условия произрастания Mycobacterium smegmatis, Escherichia coli и их производных МедиаМиддлбрук 7H9 жидкий бульонПриготовьте 20% исходный раствор Tween-80, предварительно нагрев необходимый объем воды двойной дистилляции (ddw) в стеклянном стакане до ~45-50 …

Representative Results

Мы используем M. smegmatis (Msm) в качестве модельной микобактерии, чтобы продемонстрировать обогащение как нативных, так и рекомбинантных mEV (R-mEV). Этот схематически обобщенный протокол обогащения mEVs (рис. 1) также работает для обогащения R-mEV Msm и собственных EV Mtb (с незначительными изменени?…

Discussion

Поскольку разработка новой противотуберкулезной вакцины, превосходящей БЦЖ и способной заменить ее, остается серьезной проблемой в качестве альтернативы, несколько групп работают над открытием различных субъединичных противотуберкулезных вакцин, которые могут повысить эффективно?…

Materials

A2 type Biosafety Cabinet	Thermo Fisher Scientific, USA		1300 series
Bench top Centrifuge	Eppendorf, USA		5810 R
BstB1, HindIII, HpaI	NEB, USA		NEB
Cell densitometer	GE Healthcare, USA		Ultraspec 10
Citric Acid	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Dibasic Potassium Phosphate	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Double Distilled Water	Merck, USA		~18.2 MW/cm @ 25 oC
Electroporation cuvettes	Bio-Rad, USA		2 mm
Electroporator	Bio-Rad, USA		Electroporator
EsxA-specific Ab	Abcam, UK		Rabbit polyclonal
Ferric Ammonium Citrate	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Floor model centrifuge	Thermo Fisher Scientific, USA		Sorvall RC6 plus
Glassware	Borosil, INDIA		1 L Erlenmeyer flasks
Glycerol	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
HEPES and Sodium Chloride	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Incubator shakers	Thermo Fisher Scientific, USA		MaxQ 6000 & 8000
L-Asparagine	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Luria Bertani Broth and Agar, Miller	Hi Media, INDIA		Hi Media
Magnesium Sulfate Heptahydrate	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Magnetic stirrer	Tarsons, INDIA		Tarsons
mCherry-specific Ab	Abcam, UK		Rabbit monoclonal
Microwave	LG, INDIA		MC3286BLT
Middlebrook 7H9 Broth	BD, USA		Difco Middlebrook 7H9 Broth
Middlebrook ADC enrichment	BD, USA		BBL Middlebrook ADC enrichment
Nanodrop	Thermo Fisher Scientific, USA		Spectronic 200 UV-Vis
NEB5a	NEB, USA		a derivative of DH5a
Optiprep (Iodixanol)	Merck, USA		Available as 60% stock solution (in water)
PCR purification kit	Hi Media, INDIA		Hi Media
pH Meter	Mettler Toledo, USA		Mettler Toledo
Plasmid DNA mini kit	Hi Media, INDIA		Hi Media
Plate incubator	Thermo Fisher Scientific, USA		New Series
Plasmid pMV261	Addgene, USA * *The   plasmid   is   no   more available in this plasmid bank		Shuttle vector
Proof-reading DNA Polymerase	Thermo Fisher Scientific, USA		Phusion DNA Plus Polymerase
Q5 Proof-reading DNA Polymerase	NEB, USA		NEB
Refrigerated circulating water bath	Thermo Fisher Scientific, USA		R20
Middlebrock 7H11 Agar base	BD, USA		BBL Seven H11 Agar base
SOC broth	Hi Media, INDIA		Hi Media
Sodium Hydroxide	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
T4 DNA Ligase	NEB, USA		NEB
Tween-80	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
Ultracentrifuge	Beckman Coulter, USA		Optima L100K
Ultracentrifuge tubes – 14 mL	Beckman Coulter, USA		Polyallomer type – ultra clear type in SW40Ti rotor
Ultracentrifuge tubes – 38 mL	Beckman Coulter, USA		Polypropylene type– cloudy type for SW28 rotor
Ultrasonics cleaning waterbath sonicator	Thermo Fisher Scientific, USA		Sonicator – bench top model
0.22 µm Disposable filters	Thermo Fisher Scientific, USA		Nunc-Nalgene
30-kDa Centricon concentrators	Merck, USA		Amicon Ultra centrifugal filters – Millipore
3X FLAG antibody	Sigma-Aldrich, Merck, USA		Sigma Aldrich
400 mL Centrifuge bottles	Thermo Fisher Scientific, USA		Nunc-Nalgene
50 mL Centrifuge tubes	Corning, USA		Sterile, pre-packed
Bacteria
Strain
Escherichia coli	NEB, USA		NEB 5-alpha (a derivative of DH5α).
Msm expressing cfp29::mCherry	This study		MC2 155
Msm expressing cfp29::esxA	This study		MC2 155
Msm expressing cfp29::esxA::3X FLAG	This study		MC2 155
Mycobacterium smegmatis (Msm)	Prof. Sarah M. Fortune, Harvard Univ, USA		MC2 155