胡 波, 盛 蓉,2, 宋艷華, 范志宇, 魏后軍, 薛家賓, 王 芳
(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院獸醫(yī)研究所/農(nóng)業(yè)部獸用生物制品工程技術(shù)重點實驗室/國家獸用生物制品工程技術(shù)研究中心,江蘇南京 210014;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210095)
兔出血癥(Rabbit hemorrhagic disease,RHD)是由兔出血癥病毒(Rabbit hemorrhagic disease virus,RHDV)引起的一種具有高度傳染性、高發(fā)病率、高致死性的疾病,主要發(fā)生于2月齡以上成年兔[1-2]。兔出血癥病毒屬于杯狀病毒屬,無囊膜,直徑為35~40 nm[3-6]。病毒衣殼由180個衣殼蛋白組成,表面有32個高5~6 nm的圓柱狀殼粒,具有嵌杯樣病毒典型的杯狀結(jié)構(gòu)形態(tài)[7]。RHDV衣殼蛋白VP60由579個氨基酸組成,是病毒衣殼組成的最基本單位。
衣殼蛋白VP60是病毒的免疫保護(hù)性抗原,與誘導(dǎo)機(jī)體抗感染免疫直接相關(guān)[8],單獨表達(dá)VP60蛋白能夠自聚成病毒樣顆粒(VLPs)。目前研究學(xué)者已采用多種異源系統(tǒng)對VP60進(jìn)行表達(dá),如桿狀病毒-昆蟲細(xì)胞系統(tǒng)[9-10]、酵母表達(dá)系統(tǒng)[11]和植物[12]等。通過這些系統(tǒng)表達(dá)獲得的重組VP60蛋白免疫動物后能夠抵抗病毒的感染,提供完全的免疫保護(hù)。目前VP60 VLPs作為表位載體和基因轉(zhuǎn)移載體的相關(guān)研究結(jié)果表明,可在VP60 N、C末端區(qū)域以及306~307 aa位插入外源片段,且不破壞病毒樣顆粒的形成,為其發(fā)展成為攜帶多表位的載體疫苗提供了依據(jù)[6,13-14]。
口蹄疫病毒(Foot-and-mouth disease virus,F(xiàn)MDV)復(fù)合多表位可誘導(dǎo)強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)[15-17],O型FMDV至少有5個B細(xì)胞表位,其中包括VP1的141~160位(G-H環(huán))和C端200~213位氨基酸殘基線性表位,這2個表位是FMDV最重要的抗原位點[18]。本研究將FMDV VP1 2個B細(xì)胞表位串聯(lián)后[GS-(200~213 aa)-GS-(141~160 aa)]插入VP60的C末端(位于VLPs的表面)、N末端(位于VLPs的內(nèi)部)和306~307 aa之間,構(gòu)建一系列嵌合VP60蛋白,并將嵌合病毒樣顆粒免疫小鼠,檢測機(jī)體誘導(dǎo)產(chǎn)生針對VP60和FMDV表位的特異性免疫應(yīng)答,分析VLPs對外源表位的遞呈能力,以及外源片段對VLPs的形成及其自身免疫特性的影響,為VP60 VLPs作為外源表位載體展示系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。
載體pFastBacTMHTA購自Invitrogen公司,質(zhì)粒pFastBac1-VP60由本實驗室構(gòu)建并保存[8];E.coli DH5α感受態(tài)購買自北京全式金生物技術(shù)有限公司;E.coli DH10 Bac感受態(tài)由本實驗室保存;Sf9昆蟲細(xì)胞由本實驗室培養(yǎng)。7~8周齡ICR雌性小鼠,購自揚(yáng)州大學(xué)比較醫(yī)學(xué)中心。
DNA Marker DL2000及DL15000、限制性內(nèi)切酶(EcoRⅠ、SalⅠ、XbaⅠ、HindⅢ)、T4 DNA連接酶、凝膠回收純化試劑盒等購自大連寶生物工程有限公司,PfxDNA聚合酶、Taq高保真酶、脂質(zhì)體LipofectamineTM2000和Grace’s不完全培養(yǎng)基購自invitrogen公司,柱式質(zhì)粒DNAout試劑盒、柱式動物RNAout試劑盒購自北京天恩澤基因科技有限公司,胎牛血清購自GIBCO公司,酶標(biāo)兔抗小鼠IgG(FITC-IgG)購自北京鼎國昌盛生物技術(shù)有限公司,DAB顯色試劑盒購自武漢博士德生物工程有限公司,弗氏完全佐劑和不完全佐劑購自Sigma公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純級。小鼠抗VP60單抗A3C為本實驗室制備保存[19-20]。
1.3.1 設(shè)計合成引物 根據(jù)GenBank數(shù)據(jù)庫RHDV皖阜株VP60序列(FJ794180),利用Primer 5.0軟件設(shè)計引物,由Invitrogen公司合成,引物序列見表1。
1.3.2 合成FMDV B細(xì)胞表位序列 FMDV VP1 B細(xì)胞表位的雙串聯(lián)序列[GS-(411~1 060 aa)-GS-(200~213 aa)-GS],簡稱FB,由Invitrogen公司合成。序列為:GTCGAC GGCAGCGTACCAAACCTGCGTGGTGACCTGCAGGTACTTGCTCAGAAAGTTGCTCGTACTC TGCCAGGCAGCCGTCACAAACAGGAAATCGTAGCTC CAGTAAAACAGAAGTTGGGCAGCTCTAGA(下劃線部分是GS linker,斜體部分是酶切位點)。
表1 試驗中所用引物序列Table 1 The sequences of primers used in the study
1.4.1 重組轉(zhuǎn)移載體的構(gòu)建 以VP60-F和VP60-1R為引物,質(zhì)粒pFastBac1-VP60為模板,擴(kuò)增目的片段,PCR產(chǎn)物經(jīng)EcoR I和Sal I酶切后克隆至pFastBacTMHTA中,酶切鑒定后獲得重組轉(zhuǎn)移載體,命名為pFastBacTMHTA-1;以VP60-NF和VP60-3R為引物,以質(zhì)粒pFastBac1-VP60為模板,擴(kuò)增含有Xba I和Hind III酶切位點的PCR產(chǎn)物,并克隆至pFastBacTMHTA中,得到的重組轉(zhuǎn)移載體命名為pFastBacTMHTA-2。以VP60-F和VP60-2R為引物,質(zhì)粒pFastBac1-VP60為模板,擴(kuò)增VP60 1~918 bp片段,經(jīng)EcoR I和Sal I酶切后克隆至pFastBacTMHTA中,得到重組轉(zhuǎn)移載體pFastBacTMHTA-3。此外,以VP60-2F和VP60-3R為引物,擴(kuò)增獲得VP60 918~1 740 bp片段,經(jīng)Xba I和Hind III酶切后克隆至pFastBacTMHTA-3中,得到重組轉(zhuǎn)移載體,命名為pFastBacTMHTA-4。FMDV(O/China/5/99 strain) B細(xì)胞表位[FB(GS-(141-160 aa)-GS-(200-213 aa)-GS)]由人工合成,F(xiàn)MDV-F/FMDV-R經(jīng)退火處理后形成雙鏈(Sal I/Xba I),用T4 DNA Ligase將Sal I/Xba I酶切消化后的載體(pFastBacTMHTA-1、pFastBacTMHTA-2和pFastBacTMHTA-4)與退火磷酸化處理的FMDV VP1 B細(xì)胞表位雙鏈DNA連接,形成3種重組轉(zhuǎn)移載體 pFastBacTMHTA-VP60-2FB、pFastBacTMHTA-VP60-578FB 和 pFastBacTMHTAVP60-306FB。嵌合體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
1.4.2 重組穿梭載體的構(gòu)建 制備E.coli DH10 Bac感受態(tài)細(xì)胞,分別轉(zhuǎn)化3種重組轉(zhuǎn)移載體,轉(zhuǎn)化產(chǎn)物涂于含有3種抗生素(50 μg/ml卡那霉素、7 μg/ml慶大霉素、10 μg/ml四環(huán)素)、100 μg/ml X-gal和20 μg/ml IPTG的LB平板,37℃培養(yǎng)48 h后,挑選白色菌落培養(yǎng)后提取質(zhì)粒。用M13/PUC通用上下游引物對提取的重組穿梭載體進(jìn)行PCR鑒定,并進(jìn)行測序,重組穿梭質(zhì)粒分別命名為Bacmid-VP60-578FB、Bacmid-VP60-2FB和Bacmid-VP60-306FB。
圖1 嵌合體VP60-2FB、VP60-306FB和VP60-578FB示意圖Fig.1 The schematic diagram of the chimeric constructs (VP60-2FB,VP60-306FB and VP60-578FB)
1.5.1 細(xì)胞轉(zhuǎn)染 將鑒定為陽性的重組穿梭載體(Bacmid-VP60-578FB、Bacmid-VP60-2FB和 Bacmid-VP60-306FB)用脂質(zhì)體LipofectaminTM2000轉(zhuǎn)染至對數(shù)生長期的Sf9昆蟲細(xì)胞。轉(zhuǎn)染后每12 h觀察1次,細(xì)胞病變明顯時收集細(xì)胞及上清液,作為重組桿狀病毒原液,4℃保存。將獲得的重組桿狀病毒分別命名為 rAcV-Bac-578FB、rAcV-Bac-306FB和 rAcV-Bac-2FB。將第1代病毒液反復(fù)凍融3次后以1%體積比接種Sf9細(xì)胞,進(jìn)行傳代,得到第2代重組病毒。
1.5.2 間接免疫熒光檢測 3種重組病毒分別感染24孔細(xì)胞培養(yǎng)板上對數(shù)生長期的Sf9細(xì)胞,同時設(shè)置空白對照(正常細(xì)胞)和陰性對照(感染野生型桿狀病毒),本實驗室構(gòu)建的rAcV-Bac-VP60作為陽性對照。在感染Sf9細(xì)胞24 h后,加入預(yù)冷的乙醇固定液,4℃作用1 h;PBS洗滌3次,分別以1∶200稀釋的RHDV單抗A3C和1∶100稀釋的?!癘”型FMDV多抗血清為一抗,37℃孵育細(xì)胞1 h;隨后用PBS反復(fù)洗滌3次,分別對應(yīng)加入FITC標(biāo)記的羊抗鼠IgG和FITC標(biāo)記的羊抗牛IgG為二抗,37℃作用1 h。多次充分洗滌,防止留有非特異性熒光,在熒光顯微鏡下觀察。
1.5.3 SDS-PAGE和Western blot分析 收集感染重組病毒的細(xì)胞培養(yǎng)物,凍融處理后加入上樣緩沖液進(jìn)行蛋白質(zhì)電泳(SDS-PAGE),電泳結(jié)束后,將凝膠轉(zhuǎn)印NC膜,封閉后,分別以1∶200稀釋的RHDV單抗A3C和1:100稀釋的牛源“O”型FMDV多抗血清為一抗,分別對應(yīng)以HRP標(biāo)記的兔抗鼠IgG和HPR標(biāo)記的羊抗牛IgG為二抗,最后DAB顯色。
分別將重組病毒接種Sf9細(xì)胞,細(xì)胞明顯病變后收集細(xì)胞培養(yǎng)物,反復(fù)凍融后離心取上清,經(jīng)超濾管濃縮,6 000 r/min離心7 min,濃縮10倍后備用。將待檢樣品滴于載樣銅網(wǎng)上,吸附作用2 min;將2%的磷鎢酸染液滴于銅網(wǎng)上,固定2 min;最后除去多余的磷鎢酸染液,室溫干燥5 min,于H-7650型透射電鏡上進(jìn)行觀察。
1.7.1 抗原的制備 3種重組桿狀病毒分別接種對數(shù)生長期的Sf9細(xì)胞,出現(xiàn)明顯病變后,用滅菌PBS(pH 7.4)重懸細(xì)胞。反復(fù)凍融3次,離心去除細(xì)胞碎片,取上清經(jīng)超濾管純化濃縮,用無菌PBS將嵌合蛋白稀釋為400 μg/ml。按抗原、弗氏佐劑1∶1體積比混合,乳化后備用。1.7.2 動物免疫 7-8周齡雌性ICR小鼠共36只,隨機(jī)分成6組,分別經(jīng)腹腔注射乳化后的嵌合蛋白VP60-2FB、VP60-306FB、VP60-578FB、VP60、FMDV滅活疫苗和PBS,每只200 μl(40 μg)。共免疫3次,每次免疫間隔2周,首次免疫采用弗氏完全佐劑,加強(qiáng)免疫采用弗氏不完全佐劑。其中PBS組為陰性對照,VP60組為檢測VP60特異性抗體的陽性對照,F(xiàn)MDV組為檢測外源B細(xì)胞表位應(yīng)答的陽性對照。于首免后第0、1、2、3、4、5和6周對小鼠進(jìn)行斷尾采血,分離血清,采用本實驗室建立的檢測VP60特異性抗體水平的間接ELISA方法[21],檢測各組免疫小鼠誘導(dǎo)產(chǎn)生VP60特異性抗體的水平;利用O型FMDV ELISA檢測試劑盒(購自武漢科前生物制品有限責(zé)任公司)檢測FMDV VP1 B細(xì)胞表位特異性抗體水平。
根據(jù)GenBank數(shù)據(jù)庫RHDV皖阜株VP60序列(FJ794180),設(shè)計引物,以pFastBac1-VP60為模板,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳,獲得符合目的片段大小的條帶(圖2)。
圖2 重組VP60基因PCR擴(kuò)增結(jié)果Fig.2 PCR amplification of recombinant VP60 gene
將酶切處理的目的基因與pFastBacTMHTA進(jìn)行連接,轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,提取重組質(zhì)粒。分別利用限制性內(nèi)切酶對3種重組陽性質(zhì)粒進(jìn)行酶切鑒定,經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳可見2條大小分別為4 775 bp和1 800 bp左右的條帶(圖3),證明目的片段已成功克隆至載體pFastBacTMHTA中。
利用pUC/M13上、下游引物對重組Bacmid質(zhì)粒進(jìn)行PCR擴(kuò)增,產(chǎn)物大小約為4 000 bp,而以同樣引物對空Bacmid質(zhì)粒進(jìn)行擴(kuò)增,產(chǎn)物大小約為300 bp;以目的基因上、下游引物對重組Bacmid質(zhì)粒進(jìn)行PCR擴(kuò)增,獲得大小為1 800 bp左右的條帶,證明轉(zhuǎn)座成功。
圖3 重組質(zhì)粒的酶切鑒定Fig.3 Identification of the recombinant plasmid by restriction endonuclease digestion
將重 組 病 毒 rAcV-Bac-578FB、rAcV-Bac-306FB、rAcV-Bac-2FB和rAcV-Bac-VP60分別感染Sf9細(xì)胞,其中rAcV-Bac-VP60為陽性對照。感染24 h后,以RHDV單抗A3C為一抗,F(xiàn)ITC標(biāo)記兔抗鼠IgG為二抗,進(jìn)行熒光染色。結(jié)果(圖4)表明,感染重組桿狀病毒的Sf9細(xì)胞具有很強(qiáng)的特異性熒光,而感染野生型桿狀病毒的Sf9細(xì)胞和空白對照細(xì)胞無熒光,說明嵌合蛋白得到有效表達(dá)。
圖4 間接免疫熒光試驗(IFA)檢測3種嵌合VP60蛋白的表達(dá)Fig.4 Indirect immunofluorescence assay(IFA)analysis of the expression of chimeric VP60 proteins
將重組病毒 rAcV-Bac-578FB、rAcV-Bac-306FB、rAcV-Bac-2FB和rAcV-Bac-VP60分別感染Sf9細(xì)胞,其中rAcV-Bac-VP60為陽性對照。感染24 h后,以牛FMDV多抗血清為一抗,F(xiàn)ITC標(biāo)記羊抗牛IgG為二抗,進(jìn)行熒光染色。結(jié)果(圖5)表明,分別感染 rAcV-Bac-578FB、rAcV-Bac-306FB和rAcV-Bac-2FB的Sf9細(xì)胞具有很強(qiáng)的特異性熒光,而感染AcV-Bac-VP60、野生型桿狀病毒的Sf9細(xì)胞和空白對照細(xì)胞無熒光,說明嵌合蛋白攜帶的VP1 B細(xì)胞表位獲得有效的表達(dá)。
SDS-PAGE和Western blot結(jié)果(圖6)顯示:以VP60單抗A3C為一抗的NC膜在約6.0×104處出現(xiàn)目的條帶,與預(yù)期大小一致,說明嵌合蛋白得到有效表達(dá);以FMDV牛多抗血清為一抗的NC膜同樣在6.0×104處出現(xiàn)目的條帶,與預(yù)期大小一致,說明FMDV B細(xì)胞表位得到有效表達(dá),且免疫印跡與電泳的目的條帶位置相符。
圖5 IFA檢測3種嵌合蛋白中B細(xì)胞表位的表達(dá)Fig.5 IFA analysis of the expression of B cell epitope in chimeric proteins
圖6 3種嵌合蛋白的SDS-PAGE和Western blot分析Fig.6 SDS-PAGE and Western blot analysis of the chimeric proteins
電鏡觀察結(jié)果(圖7)顯示,本試驗構(gòu)建并表達(dá)的3種嵌合蛋白均可形成大小約為40 nm的VLPs,形態(tài)和大小均與天然RHDV VLPs的粒子(陽性對照)相似,說明外源表位的插入未影響VP60自身VLPs的組裝。
為檢測嵌合蛋白VP60刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的體液免疫反應(yīng),本研究用間接ELISA檢測方法測定小鼠血清中抗載體VP60的特異性抗體水平和抗外源FMDV B細(xì)胞表位的特異性抗體水平。實驗小鼠分為VP60-2FB組、VP60-306FB組和VP60-578FB組,同時設(shè)立VP60組和FMDV滅活疫苗組作為陽性對照,PBS組作為陰性對照。分別于首免后0、1、2、3、4、5、6周對各組小鼠進(jìn)行尾靜脈采血,分離血清進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示:首免后4-6周,3種嵌合蛋白均可產(chǎn)生較強(qiáng)的VP60特異性抗體,與PBS組比較差異顯著(P<0.05)(圖8);3種嵌合蛋白刺激機(jī)體產(chǎn)生的表位特異性IgG抗體與VP60組相比差異顯著(P<0.05),VP60組未產(chǎn)生表位特異性抗體應(yīng)答,3種嵌合蛋白均可誘導(dǎo)產(chǎn)生較強(qiáng)的表位特異性抗體應(yīng)答水平(圖9)。此外,與嵌合VP60組相比,作為陽性對照的FMDV商品化滅活苗組誘導(dǎo)產(chǎn)生的表位特異性IgG抗體水平顯著高于嵌合VP60組(P<0.05)(圖9)。
圖7 RHDV VP60蛋白和3種嵌合蛋白病毒樣粒子的電鏡觀察結(jié)果Fig.7 RHDV VP60 protein and chimeric VP60 VLPs under electron microscopy
圖8 間接ELISA檢測小鼠血清中VP60特異性抗體水平Fig.8 The detection of anti-VP60 antibody level in the serum of mice by indirect ELISA
杯狀病毒成球形或近球形,無囊膜,核衣殼呈二十面體對稱,由180個單一結(jié)構(gòu)蛋白組成,病毒核酸為單股、正鏈線性RNA(ssRNA)[22-26]。杯狀病毒的VLPs結(jié)構(gòu)簡單,由單一衣殼蛋白自行裝配而成,是一種研究VLPs的理想模型。很多病毒的宿主范圍很廣,不僅可以感染人類,而且可以感染多種動物,這就為VLPs作為疫苗和藥物的應(yīng)用帶來了機(jī)遇。開發(fā)一種多功能的VLPs展示平臺,從而可以避免體內(nèi)預(yù)先的中和抗體反應(yīng)對VLPs所介導(dǎo)的免疫應(yīng)答的限制,具有重要的意義。RHDV宿主專一性較強(qiáng),只對兔易感,對人和其他動物不存在安全威脅; RHDV作為杯狀病毒的成員之一,其VP60可自行裝配形成VLPs,使RHDV VP60作為研究其他動物疾病甚至是人類疾病VLPs疫苗的研究模型成為可能,但其作為展示系統(tǒng)的可行性、效果及其適用范圍還需要進(jìn)一步研究。
圖9 間接ELISA檢測FMDV B細(xì)胞表位抗體水平Fig.9 The detection of anti-FMDV B cell epitope antibody level in the serum of mice by indirect ELISA
本研究通過插入外源表位(FMDV VP1 B細(xì)胞表位)構(gòu)建VP60嵌合蛋白,研究VP60作為載體遞呈外源表位的能力,分析外源表位的插入是否影響其自身病毒樣顆粒的形成,評價VP60作為外源表位展示系統(tǒng)的可行性。研究結(jié)果表明,3種嵌合蛋白均能夠有效表達(dá)并形成VLPs,說明在VP60蛋白的第306~307 aa、C端和N端插入42 aa外源片段均不影響VLPs的組裝,具備自我裝配能力是VLPs疫苗候選物的基本特性。
選擇口蹄疫病毒兩個重要的B細(xì)胞表位GS-(200~213 aa)-GS-(141-160 aa)作為外源插入表位,構(gòu)建VP60嵌合VLPs。通過IFA和Western blot試驗發(fā)現(xiàn)VP60嵌合VLPs獲得有效表達(dá),并具有VP60特異性和FMDV表位特異性抗原反應(yīng)。動物試驗結(jié)果顯示,3種嵌合蛋白免疫的小鼠均能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)烈的VP60特異性和表位特異性體液免疫應(yīng)答。綜上所述,VP60 VLPs能夠有效遞呈外源表位,刺激機(jī)體對外源B細(xì)胞表位產(chǎn)生體液免疫應(yīng)答,可作為異源抗原的展示載體。此外,我們在前期研究的基礎(chǔ)上,將單串聯(lián)的B細(xì)胞表位增加成雙串聯(lián)的B細(xì)胞表位,外源片段大小增加至126 bp,序列的增加不影響VLPs的形成和免疫原性,可見VP60-VLPs作為遞呈外源抗原的展示載體的容耐性較大,可容納至少42 aa的外源片段。
本研究以VP60-VLPs為基礎(chǔ),通過在VP60 N端、C端和306~307 aa位插入雙串聯(lián)FMDV B細(xì)胞表位序列構(gòu)建嵌合VLPs,研究結(jié)果表明VP60的N端、C端和306~307 aa位置均適合外源氨基酸片段插入,嵌合VLPs均能夠進(jìn)行自我組裝,且能夠有效展示長度為42 aa的外源片段。此外,VP60作為載體所能容納的最長外源氨基酸片段長度仍需進(jìn)一步研究。
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