丙型肝炎病毒高變區(qū)1中介導(dǎo)感染的關(guān)鍵氨基酸殘基鑒定

解冰，勞文光，劉文宇，關(guān)默，劉小青，陶清源，王巖，趙平，戚中田

第二軍醫(yī)大學(xué)微生物學(xué)教研室，上海 200433

丙型肝炎病毒(hepatitis C virus，HCV)主要經(jīng)血液傳播，是引起急、慢性肝炎的重要致病因子。目前全球約有1.7億人感染HCV，大多數(shù)為慢性感染，部分感染者可發(fā)展為肝硬化和肝細(xì)胞癌，對(duì)人類(lèi)健康造成了嚴(yán)重危害[1]。α干擾素聯(lián)合利巴韋林標(biāo)準(zhǔn)治療方案的療效因HCV基因型不同而差異顯著，對(duì)1型感染的持久應(yīng)答率不到50%[2]。HCV基因組高度變異，其中介導(dǎo)HCV侵入細(xì)胞的包膜蛋白編碼基因變異性最高，由此導(dǎo)致的免疫逃避是HCV能在宿主體內(nèi)持續(xù)感染的重要機(jī)制，這也使得疫苗研究一直未有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[3]。高變區(qū)1(hypervariable region 1，HVR1)位于HCV包膜E2蛋白氨基端，由27個(gè)氨基酸殘基組成。HVR1是HCV包膜E2蛋白與B類(lèi)I型清道夫受體(scavenger receptor class B type I，SR-BI)結(jié)合必不可少的功能區(qū)域[4]，也是誘導(dǎo)中和抗體及參與HCV免疫逃避的關(guān)鍵部位[5,6]。由于HVR1的序列高變，目前尚不清楚其結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

HCV假病毒(HCV pseudoviral particle，HCVpp)表面鑲嵌有功能性HCV包膜蛋白，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)蛋白為人類(lèi)免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)或小鼠白血病病毒(murine leukemia virus，MLV)的核衣殼蛋白及反轉(zhuǎn)錄酶，核心為編碼報(bào)告基因及病毒包裝信號(hào)的RNA[7,8]。HCVpp感染特性與HCV相似，是研究HCV侵入細(xì)胞機(jī)制的重要模型[7,8]。本研究以HCV1a亞型(H77株)為模板，對(duì)HVR1進(jìn)行一系列缺失突變，制備各缺失突變體的HCVpp，分析不同突變對(duì)其感染力的影響，鑒定出HVR1中介導(dǎo)HCV感染的關(guān)鍵氨基酸殘基，這對(duì)認(rèn)識(shí)HCV的感染機(jī)制及疫苗研發(fā)具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 材料

大腸埃希菌DH5α、人胚腎(human embryo kidney，HEK)293T細(xì)胞為本教研室保存。真核表達(dá)質(zhì)粒載體pCI-neo為Promega產(chǎn)品。H77株E1E2基因、MLV包裝質(zhì)粒pCMV-gag-pol、報(bào)告基因表達(dá)質(zhì)粒pCMV-Luc由法國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Cosset FL教授惠贈(zèng)。人肝癌細(xì)胞Huh7.5由美國(guó)洛克菲勒大學(xué)丙型肝炎研究室Rice CM教授惠贈(zèng)。E2多克隆抗體為BioDesign產(chǎn)品，GAPDH單克隆抗體、辣根過(guò)氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)標(biāo)記兔抗山羊IgG和兔抗小鼠IgG購(gòu)自Sigma，DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清及LipofectamineTM2000購(gòu)自Invitrogen公司。

1.2 HVR1突變體表達(dá)載體的構(gòu)建

H77株E1E2基因的HVR1缺失突變由上海捷瑞生物工程有限公司完成，連接于pMD-18T載體，E1E2基因兩端分別含NheⅠ和SmaⅠ酶切位點(diǎn)。將含E1E2基因的質(zhì)粒以NheⅠ和SmaⅠ酶切，回收目的片段，與經(jīng)過(guò)相同酶切的pCI-neo表達(dá)載體連接，轉(zhuǎn)化DH5α，用酶切及DNA測(cè)序鑒定重組質(zhì)粒。

1.3 HCVpp的制備

分別將上述H77株E1E2表達(dá)質(zhì)粒與pCMV-gag-pol及pCMV-Luc質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染HEK 293T細(xì)胞(24孔板)，6 h后換液，加完全DMEM培養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)48 h后收集上清液，離心去除殘余細(xì)胞，然后將上清液凍存于-80 ℃。吸除培養(yǎng)液，每孔加120 μl細(xì)胞裂解液﹝含2%十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)和雞尾酒蛋白酶抑制劑的0.01 mol/L磷酸緩沖液(phosphate buffered saline，PBS)，pH 7.0﹞裂解細(xì)胞，加30 μl 5×Loading Buffer，煮沸，用蛋白免疫印跡法檢測(cè)包膜E2蛋白的表達(dá)。

1.4 蛋白免疫印跡法檢測(cè)E2蛋白表達(dá)

轉(zhuǎn)染的HEK 293T細(xì)胞裂解液先進(jìn)行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE)，然后電轉(zhuǎn)移將凝膠中的蛋白轉(zhuǎn)至硝酸纖維素膜，以1∶2 000稀釋的E2多克隆抗體及1∶5 000稀釋的GAPDH單克隆抗體為一抗，1∶1 000稀釋的HRP兔抗羊IgG及兔抗小鼠IgG為二抗，化學(xué)發(fā)光法顯示反應(yīng)條帶。

1.5 定量聚合酶鏈反應(yīng)檢測(cè)HCVpp產(chǎn)量

將凍存的HEK 293T細(xì)胞培養(yǎng)上清液融化后，用RNA酶和DNA酶處理30 min，立即用病毒RNA抽提試劑(Roche)抽提RNA。取10 μl RNA，用隨機(jī)引物進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，反應(yīng)體積25 μl。取反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5 μl，用熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR)檢測(cè)熒光素酶基因cDNA。將pCMV-Luc質(zhì)粒作為標(biāo)準(zhǔn)品，上游引物：5′-ATGCACATATCGAGGTGG-3′；下游引物：5′-CCCAACACCGGCATAAAG-3′，共40個(gè)循環(huán)。儀器采用Rotor-Gene 3000。結(jié)果表示為每毫升細(xì)胞培養(yǎng)上清液中熒光素酶基因RNA拷貝數(shù)。

1.6 HCVpp感染力檢測(cè)

人肝癌細(xì)胞Huh7.5接種于96孔板(104個(gè)/孔)，培養(yǎng)基為含10%胎牛血清和非必需氨基酸的DMEM。12 h后，將50 μl含HCVpp的細(xì)胞上清液加入Huh7.5。72 h后每孔加50 μl細(xì)胞裂解液(Promega)裂解細(xì)胞，然后用Bright Glow試劑(Promega)檢測(cè)細(xì)胞裂解液的熒光素酶活性，以相對(duì)熒光素酶活性單位(relative luciferase unit，RLU)表示。

2 結(jié)果

2.1 HVR1中的缺失突變

HVR1是包膜E2蛋白中介導(dǎo)HCV與受體SR-BI結(jié)合的關(guān)鍵功能區(qū)域。為分析HVR1及其中的肽段和氨基酸殘基在介導(dǎo)HCV侵入細(xì)胞的作用，我們對(duì)H77株包膜E1E2基因中的HVR1編碼序列進(jìn)行了一系列缺失突變，將缺失突變的E1E2基因插入pCI-neo表達(dá)載體，經(jīng)DNA測(cè)序、鑒定后用于制備HCVpp (表1)。

表1H77株HVR1缺失突變序列

Tab.1DeletionmutantsinHVR1ofH77isolate

No.Sequence of residuesDeletion of amino acid sitesH77ETHVTGGSAGHTTAGLVGLLTPGAKQN-D1--------AGHTTAGLVGLLTPGAKQN1-8D2------------TAGLVGLLTPGAKQN1-12D3ETHVTGGSAGHT------------KQN13-24D4ETHVTGGSAGHTTAG---------KQN16-24D5ETHVTGGSAGHTTAG------------16-27D6ETHVTGGSAGHT---LVGLLTPGAKQN13-15D7ETHVTGGSAGHTTAGLVGLLTPGA---25-27D8ETHVTGGSAGHT-AGLVGLLTPGAKQN13D9ETHVTGGSAGHTT-GLVGLLTPGAKQN14D10ETHVTGGSAGHTTA-LVGLLTPGAKQN15D11ETHVTGGSAGHTTAGLVGLLTPGA-QN25D12ETHVTGGSAGHTTAGLVGLLTPGAK-N26D13ETHVTGGSAGHTTAGLVGLLTPGAKQ-27D14---------------------------1-27

2.2 HVR1缺失突變不影響HCV包膜E2蛋白的表達(dá)

將上述各種缺失突變體質(zhì)粒與MLV包裝質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染HEK 293T細(xì)胞，用E2多克隆抗體對(duì)細(xì)胞裂解液進(jìn)行蛋白免疫印跡檢測(cè)。結(jié)果顯示，全部或部分HVR1缺失的突變體質(zhì)粒在HEK 293T細(xì)胞中表達(dá)相似水平的包膜E2蛋白(圖1)，表明缺失HVR1中部分或全部氨基酸殘基對(duì)包膜E2蛋白的表達(dá)水平均無(wú)明顯影響。

H77, D1-D14 show expression products of wild envelope protein and mutants of H77 strain described in Table 1, respectively. Control shows lysate of HEK 293T cells transfected with mock vector.

圖1蛋白免疫印跡法檢測(cè)HEK293T細(xì)胞中HCV包膜E2蛋白表達(dá)

Fig.1AssayofenvelopeglycoproteinE2expressioninHEK293TcellsbyWesternblot

2.3 HVR1缺失突變不影響HCVpp的包裝

用DNA酶和RNA酶處理細(xì)胞培養(yǎng)上清液，以避免細(xì)胞內(nèi)漏出的DNA和RNA對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。抽提總RNA，采用熒光定量PCR檢測(cè)HCVpp內(nèi)部的熒光素酶RNA。計(jì)算各突變體質(zhì)粒轉(zhuǎn)染上清液與完整HVR1質(zhì)粒轉(zhuǎn)染上清液中熒光素酶RNA的相對(duì)值(%)，從而判斷HVR1突變是否影響HCVpp的包裝。結(jié)果見(jiàn)圖2。各突變體與包裝質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染的HEK 293T培養(yǎng)上清液中熒光素酶mRNA含量相似，表明HVR1中的缺失突變對(duì)HCVpp的包裝無(wú)明顯影響。

Data are the mean±SD of four independent experiments.

圖2熒光定量PCR檢測(cè)HEK293T細(xì)胞上清液中HCVpp含量

Fig.2DeterminationofHCVppinHEK293TculturesupernatantbyfluorescentquantitativePCR

2.4 介導(dǎo)HCVpp感染的關(guān)鍵氨基酸殘基位于HVR1的羧基端

用HCVpp感染Huh7.5細(xì)胞(接種于96孔板)，72 h后裂解細(xì)胞，檢測(cè)細(xì)胞中RLU，然后計(jì)算各突變體假病毒感染的靶細(xì)胞與原型假病毒感染的靶細(xì)胞中RLU相對(duì)值(%)。如圖3所示，與H77原型株相比，缺失HVR1第1～8位(D1)和1～12位(D2)的氨基酸殘基分別使HCVpp感染力降低約31%和19%。而缺失完整HVR1(D14)的HCVpp感染力為原型的4%，表明HVR1的存在對(duì)HCVpp的感染力至關(guān)重要。缺失第13～24位(D3)和16～27位(D5)氨基酸殘基的HCVpp感染力低于原型的8%，表明介導(dǎo)HCVpp感染的關(guān)鍵氨基酸殘基位于HVR1的羧基端。而缺失16～24位(D4)氨基酸殘基不僅沒(méi)有降低反而明顯增強(qiáng)HCVpp感染力(上調(diào)35%)，提示第13～15位和25～27位氨基酸殘基可能是介導(dǎo)HCVpp感染力的關(guān)鍵位點(diǎn)。

Data are the mean±SD of three independent experiments.

圖3氨基端與羧基端肽段缺失對(duì)HCVpp感染力的影響

Fig.3EffectsofdeletionofN-orC-terminalpeptidesonHCVppinfectivity

2.5 HVR1第13～15位和25～27位氨基酸殘基是介導(dǎo)HCVpp感染的關(guān)鍵氨基酸殘基

檢測(cè)第13～15位和25～27位氨基酸殘基缺失或逐一突變的HCVpp感染力，結(jié)果如圖4所示。缺失第13～15位、25～27位殘基或任意一個(gè)氨基酸殘基均導(dǎo)致HCVpp感染力幾乎完全喪失(低于原型的5%)，表明這6個(gè)氨基酸是介導(dǎo)HCVpp感染的關(guān)鍵殘基。

3 討論

HCV包膜蛋白由E1和E2 2種糖蛋白組成，是HCV中和抗體的靶抗原，兩者通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合。其中， E2蛋白在介導(dǎo)HCV與靶細(xì)胞結(jié)合過(guò)程中起更重要的作用[9,10]。在急性感染階段，HVR1變異是HCV感染慢性化的重要原因[11,12]。HCV是多受體病毒，在HCV入侵宿主細(xì)胞過(guò)程中，SRBI是與HCV作用的第1個(gè)受體，而HVR1是HCV包膜E2蛋白與SR-BI結(jié)合必不可少的結(jié)構(gòu)區(qū)域，從而影響HCV的感染力[13-15]。目前對(duì)HVR1結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性尚未見(jiàn)報(bào)道，而這對(duì)認(rèn)識(shí)HCV的感染機(jī)制及研發(fā)抗HCV感染藥物和疫苗具有十分重要的意義。

Data are the mean±SD of three independent experiments

圖4缺失第13～15位和25～27位氨基酸殘基對(duì)HCVpp感染力的影響

Fig.4Effectsofdeletionof13-15or25-27aminoacidresiduesonHCVppinfectivity

為鑒定出HVR1中與HCV侵入細(xì)胞有關(guān)的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，本研究首先構(gòu)建了6種HVR1缺失突變的重組質(zhì)粒(分別缺失第1～8、1～12、13～24、16～24、16～27位氨基酸殘基和整個(gè)HVR1)，分別將這些質(zhì)粒與假病毒核心結(jié)構(gòu)質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染HEK 293T細(xì)胞。蛋白免疫印跡法和熒光定量PCR分析表明，HVR1中的缺失突變對(duì)HCV包膜蛋白表達(dá)和假病毒包裝無(wú)明顯影響。將各種假病毒感染Huh7.5細(xì)胞后檢測(cè)其感染力，結(jié)果表明，缺失第1～8位和1～12位氨基酸殘基的HCVpp感染力比原型株分別降低約31%和19%，缺失第13～24位和16～27位氨基酸殘基的HCVpp感染力幾乎完全喪失，但缺失第16～24位氨基酸殘基的HCVpp感染力比原型株提高35%。這些結(jié)果提示，介導(dǎo)HCV感染的關(guān)鍵氨基酸殘基可能位于第13～15位和25～27位。因此，我們又構(gòu)建了8種重組質(zhì)粒(分別缺失第13～15、25～27、13、14、15、25、26、27位殘基)，制備相應(yīng)的假病毒后感染Huh7.5靶細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第13、14、15、25、26、27位殘基是介導(dǎo)HCV感染的關(guān)鍵殘基，缺失這6個(gè)氨基酸殘基中的任意一個(gè)均使HCVpp的感染力幾乎完全喪失。分析多株1a型HCV的基因序列發(fā)現(xiàn)，這6個(gè)氨基酸殘基并不保守，推測(cè)這些介導(dǎo)HCV侵入細(xì)胞的關(guān)鍵殘基可能與整個(gè)包膜蛋白在長(zhǎng)期進(jìn)化中逐漸適應(yīng)、在功能上相互協(xié)調(diào)有關(guān)。因此，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)同一感染者在不同病程階段HVR1的序列變異能更準(zhǔn)確界定各個(gè)殘基的功能。

本研究證明，缺失HVR1的氨基端肽段對(duì)HCVpp感染力無(wú)根本性影響，表明氨基端殘基在HCV侵入細(xì)胞過(guò)程中不起重要作用，與針對(duì)H77株HVR1氨基端的單克隆抗體無(wú)中和作用的報(bào)道相符[8]。多數(shù)研究報(bào)道，HVR1的中和抗體表位位于羧基端[16,17]，因而理論上羧基端應(yīng)具有更高的變異性。本研究雖證實(shí)羧基端含介導(dǎo)HCV感染力的關(guān)鍵殘基，但刪除羧基端的中段肽段(第16～24位殘基)不僅沒(méi)有導(dǎo)致HCVpp感染力下調(diào)，反而增強(qiáng)了感染力，而該肽段兩側(cè)的各3個(gè)殘基對(duì)HCVpp感染力至關(guān)重要。我們推測(cè)，第16～24位殘基可能參與中和表位的形成，中和抗體與該表位結(jié)合，通過(guò)空間阻遏效應(yīng)干擾病毒與SR-BI受體結(jié)合。

本研究分析了14種HVR1中缺失突變的HCVpp對(duì)人肝癌細(xì)胞Huh7.5的感染力，鑒定出HVR1中第13～15位和25～27位共6個(gè)氨基酸殘基為影響HCV感染力的關(guān)鍵殘基。進(jìn)一步分析這些氨基酸殘基突變導(dǎo)致HCVpp感染力增強(qiáng)或降低的機(jī)制，并鑒定出HVR1的中和表位，將為HCV感染機(jī)制研究及疫苗研制提供更有價(jià)值的信息。

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