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* Estos autores han contribuido por igual
Presentamos un protocolo in vitro optimizado para producir partículas similares al virus SARS-CoV-2 que imitan de cerca al virus auténtico. Este enfoque permite la investigación de los mecanismos de infección, ensamblaje y salida virales sin las limitaciones de requerir un laboratorio de nivel de bioseguridad 3.
El método de partículas similares al virus del síndrome respiratorio agudo severo-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) (SC2-VLP) ofrece una herramienta potente y accesible para estudiar el ciclo de vida del SARS-CoV-2 sin necesidad de laboratorios de nivel de bioseguridad 3 (BSL-3). Este sistema imita eficazmente las etapas críticas del ciclo de vida viral, incluido el ensamblaje, el empaquetamiento del genoma y la salida, utilizando un reportero de luciferasa fusionado con la señal T20 para una detección sensible y precisa de la producción de partículas virales. Las SC2-VLP se generan mediante la coexpresión de proteínas estructurales del SARS-CoV-2, incluidas la membrana (M), la nucleocápside (N), la envoltura (E) y la espícula (S), junto con la señal de empaquetamiento de ARN en las células HEK-293T. A diferencia de los sistemas tradicionales de partículas similares a virus, el método SC2-VLP garantiza una cuantificación precisa y una mayor fidelidad al ciclo de vida viral natural. Además, en comparación con los métodos de pseudotipado lentiviral, que se limitan a estudiar la entrada viral a través de la incorporación de la proteína S en partículas lentivirales basadas en el VIH, el sistema SC2-VLP proporciona una plataforma más completa para explorar múltiples etapas de la biología del SARS-CoV-2. Mientras tanto, este método evita los riesgos de manejar virus en vivo y amplía la accesibilidad. El método SC2-VLP representa un avance significativo en la investigación antiviral y el desarrollo de estrategias terapéuticas contra el SARS-CoV-2.
La pandemia de COVID-19 se ha convertido en una de las crisis sanitarias mundiales más devastadoras de la historia moderna, que ha provocado millones de muertes en todo el mundo1. El virus responsable, el SARS-CoV-2, sigue un ciclo de vida complejo que incluye etapas clave como la infección, la replicación del genoma, el ensamblaje y la salida. El proceso de infección comienza cuando la proteína de la espícula viral (S) se une al receptor de la célula huésped, la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2), lo que facilita la liberación del genoma viral en la célula huésped 2,3. La ARN polimerasa dependiente de ARN viral (RdRp) cataliza entonces la replicación del ARN genómico. Este ARN, en complejo con la proteína nucleocápside (N), forma una estructura estable que es reconocida por la proteína de membrana (M). La proteína M desempeña un papel central en el ensamblaje viral mediante el reclutamiento del complejo ARN-N, S, y la proteína de envoltura (E)4,5. Después del ensamblaje, el virión completa su salida a través de una vía de tráfico no canónica mediada por lisosomas6.
En respuesta a la pandemia, se han movilizado importantes recursos mundiales para desarrollar vacunas, anticuerpos neutralizantes y medicamentos antivirales. La evaluación de estas intervenciones ha sido esencial para avanzar en la investigación sobre el SARS-CoV-27. Sin embargo, el estudio del virus vivo presenta importantes desafíos logísticos, ya que los experimentos con el virus deben realizarse en laboratorios de nivel de bioseguridad 3 (BSL-3). La disponibilidad limitada de instalaciones BSL-3 ha limitado el ritmo de la investigación destinada a comprender y combatir el SARS-CoV-2.
Para hacer frente a estos desafíos, dos sistemas principales, la partícula similar a un virus (VLP) y la pseudotipificación lentiviral, se han adoptado ampliamente en la investigación del SARS-CoV-2, los cuales no requieren la contención de BSL-38. El sistema VLP implica la co-transfección de células con genes que codifican proteínas estructurales virales, incluidas M, S, E y N, que juntas generan partículas similares a los virus. Estas partículas imitan las propiedades estructurales y funcionales del virus, lo que las convierte en una herramienta valiosa para estudiar procesos clave en el ciclo de vida del SARS-CoV-2, e incluso en un antígeno eficaz para el desarrollo de vacunas 9,10,11.
Por el contrario, el sistema de pseudotipado lentiviral consiste en reemplazar la proteína G del virus de la estomatitis vesicular (VSV) en el lentivirus por la proteína S del SARS-CoV-2, lo que permite la producción de partículas lentivirales que pueden incorporar genes reporteros como la luciferasa o la GFP. Este sistema es particularmente útil para investigar anticuerpos neutralizantes que bloquean la interacción S-ACE212. Sin embargo, el pseudotipado lentiviral no refleja el ensamblaje o la salida viral del SARS-CoV-2 debido al uso de proteínas estructurales del VIH, que median la liberación de partículas en la membrana plasmática.
Para superar estas limitaciones, Syed et al. identificaron recientemente la señal de empaquetamiento del SARS-CoV-2 dentro de su genoma de ARN, lo que demuestra la especificidad de la proteína N hacia el reconocimiento del genoma viral13. Al fusionar esta señal de empaquetamiento con genes reporteros, es posible incorporar de manera eficiente estos genes en partículas similares al virus SARS-CoV-2 (SC2-VLP)13. Esta estrategia no solo replica los procesos de ensamblaje y salida del SARS-CoV-2, sino que también permite la medición sensible de los pasos de infección. En este estudio, presentamos la metodología experimental para el uso del sistema SC2-VLP y destacamos las consideraciones clave para llevar a cabo este enfoque.
1. Generación de SC2-VLPs
2. Examen de la eficacia de SC2-VLP
NOTA: La línea celular HEK-293T que expresa de manera estable ACE2 y TMPRSS2 se estableció utilizando un enfoque de transducción lentiviral14,15. La expresión proteica de ACE2 y TMPRSS2 se confirmó mediante análisis de Western blot, siguiendo un protocolo similar al descrito en el Paso 3 (análisis de composición SC2-VLP).
3. Examen de la composición de SC2-VLP
4. Análisis de localización subcelular de S y sus mutantes en células productoras de SC2-VLP
Las etapas de salida y ensamblaje del ciclo de vida del SARS-CoV-2 han sido menos estudiadas que las etapas de infección y replicación17,18. Antes de que se desarrollara el método SC2-VLP, estos procesos solo podían investigarse utilizando SARS-CoV-2 vivo, limitando la investigación a los laboratorios BSL-313. El flujo de trabajo SC2-VLP, que se muestra en la Figura 1, describe el protocolo experimental e ilustra los procesos involucrados en estos pasos del ciclo de vida del SARS-CoV-2. En este enfoque, los plásmidos que codifican las proteínas estructurales del SARS-CoV-2 (M, E, S y N) y la señal de empaquetamiento del ARN (T20) se transfectan conjuntamente en las células HEK-293T. Un reportero de luciferasa fusionado a la señal T20 permite la detección sensible de las SC2-VLP liberadas, que luego pueden infectar las células receptoras que expresan los receptores ACE2 y TMPRSS2 del SARS-CoV-2, como se muestra en la Figura 1.
Para optimizar la cantidad de plásmido que codifica las proteínas estructurales del SARS-CoV-2 y la señal de empaquetamiento, en particular el plásmido S, transfectamos células HEK-293T con concentraciones variables del plásmido S. Los resultados revelaron que una proporción de plásmido S a otro plásmido de 1:10 proporciona las condiciones óptimas para la producción de SC2-VLP (Figura 2). Este hallazgo se alinea con un informe anterior de Syed et al. y explica razonablemente por qué, a pesar de ser uno de los componentes más abundantes en los viriones del SARS-CoV-2, el nivel de expresión de la proteína S es relativamente más bajo en comparación con las proteínas M, N y E.
El sistema SC2-VLP sirve como un poderoso modelo para estudiar el proceso de ensamblaje del SARS-CoV-2, recapitulando fielmente tanto la formación de la envoltura viral como el empaquetamiento del genoma. La evidencia actual destaca el papel central de la proteína M en el ensamblaje, facilitando el reclutamiento de otras proteínas estructurales, incluidas N, S y E. La inmunotinción de estas proteínas revela su localización dentro de los orgánulos subcelulares, probablemente el complejo ERGIC o cis-Golgi, los sitios primarios de ensamblaje del SARS-CoV-219,20. Esto subraya el potencial del sistema SC2-VLP como una herramienta valiosa para diseccionar los mecanismos de ensamblaje viral. Para investigar aún más el papel del S en el ensamblaje, introdujimos la mutación H1271E, que interrumpe la clasificación del S mediada por COPI, perjudicando así la incorporación del S en los viriones21,22. En las células receptoras, esta mutación redujo significativamente la actividad de la luciferasa, lo que confirma que el sistema SC2-VLP no solo recapitula fielmente la infección viral, sino que también sirve como una poderosa herramienta para investigar el ensamblaje del SARS-CoV-2, un proceso inaccesible para los sistemas convencionales de pseudotipado lentiviral (Figura 3). Además, empleamos un enfoque de escaneo mutacional integral, dirigido a residuos individuales (1.255-1.273) en la cola S C-terminal para identificar mutaciones adicionales que, como H1271E, podrían atenuar el ensamblaje de viriones y reducir los títulos virales. La figura 3 demuestra que la mutación E1262H disminuye significativamente la producción de SC2-VLP, mientras que la doble mutación H1271E/E1262H la suprime por completo. Estos resultados implican a E1262 en posibles interacciones con factores de huésped no identificados. Una mayor caracterización de las proteínas del huésped que se unen a esta región, en particular las que dependen de E1261, puede revelar nuevos mecanismos que rigen el ensamblaje del SARS-CoV-2. En conjunto, estos hallazgos establecen a las SC2-VLP como una plataforma versátil y fisiológicamente relevante para estudiar el ensamblaje viral en sistemas de cultivo celular.
Para evaluar la localización subcelular de la proteína S en células productoras de SC2-VLP, realizamos un análisis de inmunotinción tanto de la proteína S de tipo salvaje como de su mutante H1271E. Los resultados demuestran que la proteína S se colocaliza predominantemente con el marcador cis-Golgi GM130, mientras que muestra un solapamiento mínimo con el marcador ER Sec61β o el marcador ERGIC ERGIC-53. Estos hallazgos se alinean con observaciones previas de la localización subcelular S en la infección auténtica por SARS-CoV-223. Por el contrario, el mutante H1271E mostró un patrón de distribución difuso y no mostró colocalización con el marcador cis-Golgi GM130. Esto sugiere que la mutación interrumpe la localización adecuada en el sitio de ensamblaje viral, lo que podría explicar su capacidad deteriorada para facilitar el ensamblaje del virión del SARS-CoV-2 (Figura 4). Estos resultados establecen aún más a las SC2-VLP como una herramienta valiosa para estudiar las funciones biológicas de la S y otras proteínas estructurales virales.
Figura 1: Representación esquemática de la producción de SC2-VLP y sus aplicaciones. La señal de empaquetamiento del ARN genómico del SARS-CoV-2, T20, se resalta en cian, mientras que la proteína S se muestra en verde oscuro. Los plásmidos codifican proteínas estructurales del SARS-CoV-2, incluidas M, E, N y S, con M y E coexpresadas a partir de un solo vector. Se ilustran las etapas clave del ciclo de vida viral, incluido el ensamblaje (verde claro), la salida (azul claro) y la infección (naranja), como lo indican las flechas. Abreviaturas: SARS-CoV-2 = síndrome respiratorio agudo severo-coronavirus 2; SC2-VLP = partícula similar al virus SARS-CoV-2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Sensibilidad del título SC2-VLP a la cantidad transfectada del plásmido que codifica S. (A) Tabla que muestra las cantidades de transfección de plásmidos que codifican proteínas estructurales del SARS-CoV-2 y la señal de empaquetamiento del ARNg. (B) El título de SC2-VLP varía en respuesta a la cantidad transfectada del plásmido que codifica S. Abreviaturas: SARS-CoV-2 = síndrome respiratorio agudo severo-coronavirus 2; SC2-VLP = partícula similar al virus SARS-CoV-2; ARNg = ARN guía; RLU = unidades de luminiscencia relativa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Sistema SC2-VLP utilizado para investigar el ensamblaje de S en viriones. (A) Los mutantes S que afectan el tráfico de COPI conducen a una reducción en el título de SC2-VLP. (B) Análisis de Western blot de la abundancia de proteínas S y N del SARS-CoV-2 en SC2-VLP. (C) Eficiencia de empaquetamiento de S calculada a partir de (B), con abundancia de SC2-VLP normalizada a niveles de proteínas N. (D) Cuantificación de la abundancia de SC2-VLP a partir de (B). Abreviaturas: SARS-CoV-2 = síndrome respiratorio agudo severo-coronavirus 2; SC2-VLP = partícula similar al virus SARS-CoV-2; RLU = unidades de luminiscencia relativa; Ctr = control; WT = tipo salvaje; mut = mutante; NS = no significativo. La banda correspondiente a la proteína de la espícula (S) del SARS-CoV-2 de longitud completa se marca como S, mientras que el fragmento S2 (residuos 816-1.273) representa la porción C-terminal de la proteína S, y una banda inespecífica entre S y S2 se indica como NS24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Sistema SC2-VLP utilizado para investigar la localización subcelular S. (A-I) Imagen representativa de inmunotinción de WT S en células HEK-293T productoras de SC2-VLP con co-tinción de marcadores de orgánulos celulares. (A-C) Marcador ER: (D-F) Sec61β, (G-I) Marcador ERGIC: ERGIC-53; el marcador del complejo cis-Golgi: GM130. (J-L) La colocalización del mutante S E1262H con el marcador cis-Golgi GM130. S se muestra en verde, los marcadores de orgánulos celulares se muestran en rojo y el núcleo celular se tiñe en azul. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo suplementario 1: Secuencias de ADN de los plásmidos N, Luc-T20, S y M-IRES-E. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Un método sencillo y eficaz para modelar el ciclo de vida del SARS-CoV-2 en sistemas de cultivo celular, sin las limitaciones de los laboratorios BSL-3, representa un avance fundamental para la investigación contra el SARS-CoV-2. El método SC2-VLP satisface esta necesidad, ofreciendo una plataforma robusta y accesible. En este estudio, proporcionamos un protocolo detallado para el método SC2-VLP, describiendo los pasos experimentales críticos para la producción de SC2-VLP. Además, destacamos su versatilidad y aplicaciones potenciales para avanzar en nuestra comprensión de la biología del SARS-CoV-2 y facilitar el desarrollo de estrategias antivirales.
Los métodos tradicionales de VLP y pseudotipado lentiviral del SARS-CoV-2 son ampliamente utilizados en la investigación contra el SARS-CoV-2 8,25. En el método VLP tradicional, las proteínas estructurales M, N, E y S del SARS-CoV-2 se coexpresan para generar partículas virales26, y su abundancia suele controlarse mediante análisis WB. Sin embargo, las proteínas estructurales virales también se incorporan a otras estructuras de membrana, como los exosomas, lo que complica el análisis WB de las partículas virales27. Por el contrario, el método SC2-VLP incorpora un gen reportero fusionado a la señal T20, lo que permite un empaquetamiento eficiente del indicador en partículas virales. Esto permite una detección sensible y específica de la abundancia de partículas sin depender únicamente del análisis WB. Además, el método SC2-VLP imita más fielmente el ciclo de vida completo del SARS-CoV-2 vivo en comparación con el método VLP tradicional.
El método SC2-VLP supera al enfoque de pseudotipado lentiviral en varios aspectos críticos. El sistema de pseudotipado lentiviral se basa en el marco del virus VIH-1, en el que los viriones se ensamblan y brotan de la membrana plasmática. Por el contrario, los viriones del SARS-CoV-2 se ensamblan dentro del complejo ERGIC o cis-Golgi, lo que pone de manifiesto una diferencia fundamental en sus ciclos de vida. Esta discrepancia hace que el método de pseudotipificación lentiviral no sea adecuado para estudiar etapas clave del ciclo de vida del SARS-CoV-2, como la replicación, el ensamblaje y la salida, lo que limita su aplicabilidad a la investigación de la entrada e infección viral.
El método SC2-VLP es una herramienta sencilla y potente para estudiar el ciclo de vida del SARS-CoV-2. Al no involucrar el virus auténtico, este método puede ser adoptado por muchos laboratorios sin necesidad de acceder a las instalaciones de BSL-3. Sin embargo, sigue siendo crucial validar los hallazgos derivados del sistema SC2-VLP utilizando SARS-CoV-2 vivo para garantizar su precisión y relevancia biológica.
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Este trabajo fue apoyado por el programa de fondos para startups de la Universidad de Medicina China de Beijing (BUCM) (90011451310011). Extendemos nuestro agradecimiento a todos los miembros del laboratorio Dr. Ma en BUCM por la invaluable discusión y asistencia con los experimentos.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Cell Signaling Technology | 9998S | |
Confocal Laser Scanning Microscope | Olympus | FV3000 | |
DMEM | Corning | 10-013-CV | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Thermofisher | A5670402 | |
Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488) antibody | Invitrogen | A11001 | dilution ratio: IF 1:1000 |
Goat Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 594) antibody | Abcam | ab150080 | dilution ratio: IF 1:1000 |
HEK-293T cell line | National Infrastructure of Cell Line Resource (NICR) | NICR-293T-001 | To ensure high transfection efficiency and optimal SC2-VLP production, HEK-293T cells should be maintained at low passage numbers (≤ P10). |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H1399 | Working concentration: 2.5 μg/mL |
Luciferase Reporter Assay System | Promega | E1500 | |
Luc-T20 | Addgene | 177941 | |
Mouse monoclonal anti-GAPDH | Proteintech | 60004-1-Ig | dilution ratio: WB 1:20,000 |
Mouse monoclonal anti-S RBD | Abclonal | A23771 | dilution ratio: IF 1:200 |
OptiMEM | Thermofisher | 31985070 | serum-free medium for transfection |
PEG3350 | Sigma-Aldrich | P3635 | |
PEG8000 | Sigma-Aldrich | P2139 | |
Penicillin-Streptomycin | Thermofisher | 15140122 | |
Polyethyleneimine (PEI) | Thermofisher | 43896.01 | |
Promega passive lysis buffer | Promega | E1941 | |
Rabbit polyclonal anti-ACE2 | Proteintech | 21115-1-AP | dilution ratio: WB 1:1000 |
Rabbit polyclonal anti-ERGIC53 | Proteintech | 13364-1-AP | dilution ratio: IF 1:200 |
Rabbit polyclonal anti-GM130 | Proteintech | 11308-1-AP | dilution ratio: IF 1:200 |
Rabbit polyclonal anti-S | Abcam | ab272504 | dilution ratio: WB 1:1000 |
Rabbit polyclonal anti-Sec61β | Proteintech | 15087-1-AP | dilution ratio: IF 1:200 |
Rabbit polyclonal anti-TMPRSS2 | Abcam | ab109131 | dilution ratio: WB 1:1000 |
SARS-CoV-2 M-IRES-E plasmid | Addgene | 177938 | |
SARS-CoV-2 N plasmid | Addgene | 177959 | |
SARS-CoV-2 Nucleoprotein Rabbit mAb | Abclonal | A21042 | dilution ratio: WB 1:4000 |
SARS-CoV-2 S plasmid | Addgene | 177960 | |
Secondary Antibody, HRP, Goat anti-Mouse IgG (H+L) | Invitrogen | 31460 | dilution ratio: WB 1:5000 |
Secondary Antibody, HRP, Goat anti-Rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | 31430 | dilution ratio: WB 1:5000 |
SpectraMax i3x plate reader | Molecular Devices | SpectraMax i3x |
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