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    豬輪狀病毒VP7蛋白模擬表位的噬菌體展示技術(shù)篩選與鑒定

    2015-11-11 07:00:56

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    豬輪狀病毒VP7蛋白模擬表位的噬菌體展示技術(shù)篩選與鑒定

    任曉峰,秦昭恒,曹麗艷,葛旭穎

    (東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)學(xué)院,哈爾濱150030)

    摘要:豬輪狀病毒(PoRV)是引起仔豬腹瀉的重要病原之一,其主要結(jié)構(gòu)蛋白衣殼蛋白VP7可誘導(dǎo)機體產(chǎn)生中和抗體。文章以制備的抗PoRV VP7單克隆抗體(MAb)3B6作為靶分子,利用噬菌體十二肽庫展示技術(shù)對其模擬表位進行篩選。四輪篩選后隨機挑取陽性克隆擴增后進行ELISA鑒定,同時提取其基因組DNA測序,10個陽性噬菌體親和肽擁有共同的外源肽序列“VPLGTDNGDIWV”,而且與靶分子有很高親和力。陽性噬菌體親和肽與VP7蛋白進行序列比對,結(jié)果表明,十二肽中有4個氨基酸(第167位P、第178位T、第179位D和第184位W)與VP7蛋白167~184位氨基酸有一定的相似性。競爭抑制ELISA證明親和多肽降低PoRV與抗VP7單克隆抗體之間的作用,病毒競爭抑制試驗表明親和多肽可以競爭性地抑制PoRV感染細胞。因此由這4個氨基酸構(gòu)成的基序很有可能作為豬輪狀病毒VP7蛋白的一個模擬表位。

    關(guān)鍵詞:豬輪狀病毒;VP7蛋白;噬菌體篩選;模擬表位

    任曉峰,秦昭恒,曹麗艷,等.豬輪狀病毒VP7蛋白模擬表位的噬菌體展示技術(shù)篩選與鑒定[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 46(2): 11-17.

    Ren Xiaofeng, Qin Zhaoheng, Cao Liyan, et al. Identification and characterization of porcine rotavirus VP7 protein mimotope by phage screening technique[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(2): 11-17. (in Chinese with English abstract)

    網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-1-27 15:59:35

    [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150127.1559.002.html

    1.2.2親和能力檢測與測序

    第四輪的洗脫物進行滴度測定,在藍斑數(shù)小于100的板中,隨機挑取10個藍斑進行噬菌體擴增并測定滴度。用0.1 mol·L-1NaHCO3(pH 8.6)將純化后的單克隆抗體腹水稀釋至200 μg·mL-1,酶標板每孔加入100 μL,4℃包被過夜;棄去包被液,0.05% PBST洗板3次;分別加入10份待檢的噬菌體及原始文庫陰性對照,投入量均為1.5×1011PFU·孔-1,室溫緩慢震蕩1 h;TBST洗板3次,再加入1?1 000倍稀釋的抗M13噬菌體的商品化多抗,37℃慢搖1 h;TBST洗板3次,再加入1?5 000倍稀釋的HRP標記羊抗小鼠IgG二抗,37℃靜止避光孵育1 h;TBST洗板3次,OPD顯色,490 nm處讀取OD值。提取親和能力高的噬菌體DNA:向500 μL噬菌體上清中加入200 μL PEG8000/NaCl,混勻后4℃靜置10 min;4℃條件下13 000 r·min-1離心10 min,棄去上清后沉淀徹底重懸于100 μL碘化物緩沖液進行快速裂解,釋放出其基因組DNA;加入250 μL無水乙醇沉淀DNA,室溫靜置孵育10 min;4℃條件下13 000 r·min-1離心10 min,棄去上清;加入70%的乙醇洗滌沉淀,棄去后再加入30 μL TE溶液溶解沉淀;PCR擴增噬菌體靶向序列[8]。

    PCR反應(yīng)參照NEB試劑盒說明書進行。取少量PCR產(chǎn)物進行鑒定,其余PCR產(chǎn)物待純化后進行測序,噬菌體測序引物序列P3 5' GTATGGGATT TTGCTAAACAAC 3',P4 5' CCCTCATAGTTAGCG TAACG 3'。

    PCR反應(yīng)體系10×PCR緩沖液2.5 μL,dNTP 2.5 μL,上下游引物各1 μL,Ex-Taq酶0.2 μL,噬菌體DNA 5 μL,補水至25 μL。

    反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性5 min,94℃30 s,55℃3 s,72℃30 s進行30個循環(huán),72℃延伸10 min[9-11]。

    將靶向序列測序結(jié)果轉(zhuǎn)換成氨基酸格式,并與PoRV VP7蛋白氨基酸序列進行比對(http://www. ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/)。

    1.2.3“P-TD-W“氨基酸基序與VP7蛋白三維結(jié)構(gòu)的關(guān)系

    為使噬菌體展示的多肽模擬表位更加形象化,從蛋白數(shù)據(jù)庫(Protein data bank,PDB)得到猿猴輪狀病毒A株(C3RX25)與PoRV(DN30209)VP7蛋白最相似,可作為一個模板,然后用Modeller程序(http://www.salilab.org/modeller/)分析蛋白分子模型[12-13]。與PoRV VP7蛋白同源性最高的氨基酸被標記出所在位置。

    1.2.4多肽與MAb 3B6的結(jié)合ELISA試驗

    合成多肽P-VP7(純度為30%)由ChinaPeptides(強耀生物科技有限公司,上海)合成,提前一天包被ELISA板,用包被液稀釋為10 μg·mL-1,每孔50 μL,過夜。然后用封阻液封閉,分別用MAb 3B6和無關(guān)的鼠源IgG室溫孵育1 h,HRP標記的山羊抗鼠的二抗(1?5 000稀釋),最后加入OPD顯色液,用于ELISA檢測,最后在OD490nm條件下讀值。同時設(shè)立無關(guān)多肽為陰性對照,每個設(shè)3個復(fù)孔,用于誤差計算。

    1.2.5多肽的競爭性抑制ELISA試驗

    合成的多肽(10 μg·mL-1)與MAb 3B6(3 μg·mL-1)室溫下孵育1.5 h。在已經(jīng)包被感染了PoRV的細胞ELISA板上加入多肽和抗體的混合物,37℃作用1 h,PBST洗3次,二抗為1?5 000稀釋的HRP標記羊抗小鼠IgG;最終進行OPD顯色,并讀取490 nm處OD值。無關(guān)多肽作為陰性對照,同時設(shè)立復(fù)孔。

    1.2.6多肽與病毒的競爭抑制試驗

    多肽與病毒的競爭抑制試驗通過病毒的蝕斑減少中和試驗檢測(PRNT),將MA104細胞傳到24孔板內(nèi),細胞計數(shù)每孔細胞5×104個,待長滿單層后,把P-VP7多肽從對細胞的最大無毒濃度連續(xù)兩倍稀釋加入孔內(nèi),無關(guān)多肽組(Irrelevant peptide)稀釋相同的倍數(shù)作為陰性對照,每稀釋度3復(fù)孔,每孔500 μL,37℃孵育45 min,用胰酶處理的PoRV(100 PFU)接種到24孔板中,37℃孵育1 h,然后換1%營養(yǎng)性甲基纖維素覆蓋,置37℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),24 h后取出培養(yǎng)板,10%甲醛固定30 min,流水沖去孔中的甲基纖維素凝膠;0.5%結(jié)晶紫染色5 min,水洗;倒置顯微鏡下進行空斑計數(shù)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1噬菌體篩選與富集

    以純化后的抗PoRV VP7蛋白單克隆抗體為靶分子進行四輪噬菌體篩選,將每一輪篩選過程中的包被量、噬菌體投入量、產(chǎn)出量進行統(tǒng)計,并比較每一輪的產(chǎn)出/投入比,結(jié)果見表1。在靶分子包被量遞減、投入量不變的情況下,每一輪的噬菌體洗脫量及洗脫量/投入量均呈遞增趨勢。因此經(jīng)過四輪篩選噬菌體得到明顯富集。

    表1 純化的單克隆抗體3B6的噬菌體篩選Table 1 Biopanning to purified monoclonal antibody 3B6

    2.2親和能力的鑒定與測序

    對第四輪篩選的洗脫產(chǎn)物進行滴度測定,選取藍斑數(shù)小于100的平板,隨機挑取10個單克隆噬菌體藍斑進行擴增,并通過間接EILSA方法檢測與靶分子的親和能力。結(jié)果表明,與原始文庫對照相比,10個隨機噬菌體均與靶分子即純化的單克隆抗體3B6,具有較高的親和能力,如圖1所示。隨后,以10個隨機噬菌體的基因組DNA為模板進行PCR,均擴增出長度約為250 bp的特異性條帶(見圖2)。將PCR產(chǎn)物純化回收并進行核酸序列測定,并得出最終的12肽“VPLGTDNGDIWV”,命名為P-VP7。應(yīng)用在線序列比對軟件clustalw2,將篩選出的P-VP7的12肽序列與PoRV VP7蛋白進行氨基酸序列比對。結(jié)果如圖3所示,P-VP7 的12肽與VP7蛋白第167至184位氨基酸具有一定的相似性,其中有四個位點的氨基酸完全一致(第167位P、第178位T、第179位D和第184 位W)。

    圖1 噬菌體親和力試驗ELISA結(jié)果Fig. 1 Binding analysis of phages displayed peptides to MAb 3B6 by ELISA

    2.3“P-TD-W“氨基酸基序在VP7蛋白三維結(jié)構(gòu)的位置

    由圖4可知,從PoRV VP7蛋白三維立體模型中可以看出167(P),178(T),179(D)或184(W)在VP7蛋白的位置。這些氨基酸殘基與MAb 3B6結(jié)合的位置用黑色箭頭標記突出顯示。蛋白分子模型模擬結(jié)果顯示,包含假定基序“P-TD-W”多肽可作為VP7蛋白第167~184個氨基酸位置的一個模擬表位。

    圖2 10個隨機噬菌體的PCR擴增產(chǎn)物Fig. 2 PCR amplifying genes encoding heterologous peptides in the recombinant phages

    圖3 P-VP7與PoRV VP7 VP7蛋白氨基酸序列比對Fig. 3 Alignment of deduced amino acids between P-VP7 and PoRV VP7

    圖4 PoRV VP7 protein 3D結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 The 3D model of PRV VP7 protein 3D

    2.4多肽與MAb 3B6的結(jié)合試驗結(jié)果

    包被合成多肽與MAb 3B6進行ELISA反應(yīng),結(jié)果P-VP7與MAb 3B6發(fā)生特異性反應(yīng),而對照孔包被的無關(guān)多肽與單抗不發(fā)生反應(yīng)(見圖5)。表明所合成的多肽能結(jié)合MAb 3B6,所篩的噬菌體是特異性針對MAb 3B6的陽性噬菌體克隆,而不是噬菌體本身蛋白發(fā)生的非特異性反應(yīng)。

    2.5多肽的競爭抑制ELISA結(jié)果

    用合成的多肽進一步做PoRV競爭抑制試驗,由圖6可見,多肽能夠抑制PoRV與單克隆抗體3B6的結(jié)合,抑制率達82%。證明噬菌體攜帶多肽形成的表位與單抗3B6識別的PoRVVP7的抗原表位相同或相似。

    2.6多肽競爭抑制病毒的結(jié)果

    由圖7可知,P-VP7肽在一定濃度能競爭抑制PoRV感染MA104細胞的作用,而且從總體趨勢上,P-VP7多肽濃度越高,對病毒競爭抑制作用越強,P-VP7多肽濃度為50、25和12.5 μg·mL-1時,在MA104細胞上的競爭抑制率為50%以上。

    圖5 合成多肽與單克隆抗體3B6的結(jié)合ELISAFig. 5 Combination ELISA of 3B6 IgG on synthesized peptide P-VP7

    圖6 P-VP7合成多肽抑制單克隆抗體3B6結(jié)合PoRV的ELISA試驗Fig. 6 Inhibition of MAb 3B6 binding to PoRV in the presence of P-VP7 peptide

    圖7 多肽競爭抑制病毒試驗Fig. 7 Inhibition test of PoRV propagation by high affinity peptide

    3 討論

    豬輪狀病毒引起的仔豬腹瀉在英、美、澳大利亞等國家均有報道。作為腹瀉的主要病原之一的輪狀病毒給畜牧業(yè)造成嚴重經(jīng)濟損失。我國豬輪狀病毒感染很普遍,幾乎所有豬場的母豬血清中均可檢測到輪狀病毒抗體。根據(jù)對我國部分豬場PoRV的流行病學(xué)調(diào)查表明,PoRV G5型是我國A群豬輪狀病毒主要流行的血清型之一,DN30209毒株屬于PoRV G5型[14],VP7蛋白在相同血清型不同毒株之間高度保守[15],因此本試驗選擇該毒株的VP7蛋白進行抗原模擬表位篩選。

    利用噬菌體篩選方法及多肽結(jié)合和競爭試驗確定PoRV VP7蛋白上潛在的抗原表位:167P-TDW184,有助于深入了解的抗原或抗原-抗體相互作用的結(jié)構(gòu)和功能,其對疫苗和診斷試劑的研發(fā)具有重要意義??乖员砦豢煞譃榫€性表位和構(gòu)象表位。線性表位是抗原上彼此相鄰的一級結(jié)構(gòu)的幾個氨基酸;構(gòu)象表位是抗原上不連續(xù)的一級結(jié)構(gòu),或者是一些氨基酸殘基彼此靠近的空間結(jié)構(gòu)[16]。肽合成和蛋白質(zhì)降解方法可用于確定線性表位,但未能確定構(gòu)象表位。大多數(shù)抗原表位是構(gòu)象表位。在噬菌體展示文庫中,短肽隨機片段插入絲狀噬菌體蛋白PⅢ的N-末端,其已被成功地用于篩選由抗體或其他配體蛋白識別的抗原表位。采用這種技術(shù),不僅可篩選線性表位,也可篩選潛在構(gòu)象表位[17]。

    在多肽與病毒競爭抑制試驗中,多肽能抑制PoRV感染細胞,推測可能由于多肽具有與PoRV VP7蛋白中抗原表位相似的結(jié)構(gòu),多肽接觸細胞后,可能占據(jù)細胞表面一部分受體,從而阻斷一部分病毒侵染細胞,多肽抑制病毒感染的具體作用機制,還有待進一步研究。

    然而,所述肽庫具有小于10E9容量并不能掩蓋一個十二肽(12E20組合)所有氨基酸組合。表明,十二肽庫缺少理想的復(fù)合片段,除這些肽庫庫容量限制,其他因素包括密碼子和氨基酸的修飾均受限于宿主菌。因此,建設(shè)具有大容量和良好多樣性肽庫是噬菌體展示肽庫中的一個發(fā)展方向。另外,可誘變VP7上已被鑒定為模擬表位氨基酸,檢測誘變前后PoRV活性,確定更關(guān)鍵位點?,F(xiàn)有針對仔豬輪狀病毒的疫苗不理想,評估模擬表位疫苗的臨床應(yīng)用需進一步探討。

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    Identification and characterization of porcine rotavirus VP7 protein

    mimotope by phage screening technique/

    Liyan, GE Xuying

    (School of Veterinary Medicine, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

    Abstract:Porcine rotavirus (PoRV) causes diarrhea, vomit, dehydration, acid-base imbalance and death in piglets. PoRV VP7 is the outer capsid glycoprotein that is highly immunogenic and induce the production of neutralizing antibody. A prepared monoclonal antibody (MAb) 3B6 against PoRV VP7 protein was used as immobilized target in a subtract biopanning process using a 12-mer phage display random peptide library. After four rounds of pannings, 10 phages bearing the consensus peptide VPLGTDNGDIWV and having a specific binding activity to the target were identified. Sequence alignment between positive phage-displayed 12-mer peptide and VP7 protein suggested that a potential motif that is identical with 167(P), 178(T), 179(D) or 184(W) aa in the VP7 protein. Competition ELISA

    豬輪狀病毒(Porcine rotavirus,PoRV)屬呼腸孤病毒科(Reoviridae)輪狀病毒屬(Rotavirus,RV),是引起幼齡仔豬病毒性腹瀉的主要病源之一[1]。PoRV在世界范圍內(nèi)廣泛流行,斷奶仔豬最為易感,主要臨床癥狀為嚴重腹瀉,部分感染PoRV的仔豬會出現(xiàn)厭食、嘔吐、腹瀉、脫水和酸堿平衡紊亂等癥狀,而且容易繼發(fā)其他細菌性感染[2],導(dǎo)致仔豬病死率升高,給養(yǎng)豬業(yè)造成重大損失[3]。輪狀病毒是由11個不連續(xù)的雙股RNA組成,編碼6種結(jié)構(gòu)蛋白(VPs)和6種非結(jié)構(gòu)蛋白(NSPs)[4]。VP7蛋白作為輪狀病毒外層最多的成分,是一種N-聯(lián)低聚甘露糖糖蛋白,決定病毒的血清型,并可誘導(dǎo)產(chǎn)生中和抗體。

    噬菌體展示技術(shù)是從隨機肽庫中篩選出能和靶蛋白發(fā)生特異性結(jié)合的表位,基本原理是將外源蛋白或多肽的基因與噬菌體外殼蛋白基因融合,以融合蛋白的形式在噬菌體表面表達出多肽序列,保持特定的空間構(gòu)象,利用特異性親和作用來篩選特異性蛋白或多肽的一項技術(shù)[5]??乖砦皇强烧T導(dǎo)機體產(chǎn)生細胞免疫應(yīng)答和體液免疫應(yīng)答的基本單位,也是抗原分子中與相應(yīng)抗體特異性結(jié)合的部位,抗原表位的確定對疫苗設(shè)計,藥物開發(fā)、以及相應(yīng)免疫診斷方法的選擇等具有指導(dǎo)意義[6]。本試驗利用抗PoRV VP7單克隆抗體通過噬菌體展示技術(shù)鑒定出一個PoRV VP7蛋白一個抗原表位,有利于了解VP7蛋白抗原結(jié)構(gòu),為探究PoRV結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系提供理論依據(jù),也為研制PoRV新型表位疫苗及診斷試劑奠定基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1材料

    噬菌體展示隨機肽庫Ph.D.-12TM試劑盒購自New England BioLabs公司,肽庫的滴度為1.5×1013PFU·mL-1,宿主菌為E. coli ER2738;IPTG、X-gal、PEG8000、四環(huán)素(Tet)等化學(xué)試劑購自哈爾濱無限峰科技有限公司,為國產(chǎn)分析純試劑;辣根過氧化物酶(HRP)標記的抗M13單克隆抗體為NEB公司產(chǎn)品;辣根過氧化物酶(HRP)標記山羊抗鼠IgG購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司;抗PoRV VP7單克隆抗體3B6株。

    1.2方法

    1.2.1驗噬菌體篩選與擴增

    應(yīng)用噬菌體展示12肽篩選試劑盒對PoRV VP7單克隆抗體進行配體篩選,共進行四輪篩選,前三輪包括洗脫和擴增;第四輪僅進行洗脫。用0.1 mol·L-1NaHCO3(pH 8.6)將純化后的單克隆抗體腹水稀釋至200 μg·mL-1,取100 μL加入到酶標孔中,4℃包被過夜;第二天棄去包被液,0.01% PBST洗孔3次,然后用5% BSA在4℃條件下封閉4 h;棄去封閉液,0.1% TBST洗孔6次后,加入1.5×1011PFU·100 μL-1噬菌體原始文庫,室溫緩慢震蕩10 min,靜止10 min,再震蕩10 min,靜止10 min;棄去未結(jié)合的噬菌體,0.1% TBST洗孔10次,后加入100 μL洗脫液(0.2 mol·L-1glycine-HCl pH 2.2),室溫緩慢震蕩30 min;加入15 μL 1 mol·L-1Tris-HCl中和洗脫液;收獲的洗脫液用于噬菌體擴增及滴度測定;將宿主菌ER2738 在LB培養(yǎng)板上劃線并在37℃過夜培養(yǎng)。第二天挑取單個菌落于LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)4.5 h,取200 μL宿主菌ER2738的菌液加入到20 mL LB液體培養(yǎng)基中,并加入每一輪篩選時未擴增的洗脫產(chǎn)物50 μL,37℃條件下劇烈震搖擴增4.5 h;菌液經(jīng)10 000 r·min-1離心20 min,向上清中加入1/6體積的20% PEG8000/NaCl,混勻后4℃正立靜置過夜;4℃,10 000 r·min-1離心15 min,棄去上清,沉淀重懸于1 mL TBS中;4℃,10 000 r·min-1離心5 min去除沉淀,上清轉(zhuǎn)移至1.5 mL EP中,加入1/6體積的20% PEG8000/NaCl,混勻后4℃正立靜置1 h;4℃,10 000 r·min-1離心15 min,棄去上清,用200 μL TBS重懸沉淀,此溶液為擴增后產(chǎn)物;滴度測定:用低鹽LB 10倍倍比稀釋待測噬菌體;每個稀釋度取10 μL加入到200 μL宿主菌ER2378的新鮮菌液中,混勻后再轉(zhuǎn)移

    showed that the high affinity peptide reduced the combination of PoRV with anti-VP7 MAb. Moreover, this peptide could significantly inhibit PoRV propagation in cell culture. In conclusion, the 4 amino acid motif (P-TD-W) functions as a spatial conformation epitope of PoRV VP7 protein.

    Key words:porcine rotavirus; VP7 protein; phage screening; mimic peptidebook=2,ebook=13至預(yù)熱的液體頂層瓊脂中混勻,混勻后的液體平鋪于預(yù)熱的LB/IPTG/X-gal固體平板上;待液體頂層瓊脂冷卻凝固后,將所有平板倒置于37℃溫箱中避光培養(yǎng)過夜;第二天檢查平板,第一個小于100的平板藍斑數(shù)即為每10 μL噬菌體的PFU[7]。

    作者簡介:任曉峰(1974-2014),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為預(yù)防獸醫(yī)學(xué)與分子病毒學(xué)。E-mail: renxf@neau. edu. cnREN Xiaofeng, QIN Zhaoheng, CAO

    基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(31300758; 31340003);“十二五”國家科技支撐項目(2013BAD12B04);哈爾濱科學(xué)技術(shù)局項目(RC2012XK002003);教育部重點項目(212038)

    收稿日期:2014-04-03

    文章編號:1005-9369(2015)02-0011-07

    文獻標志碼:A

    中圖分類號:S828;S851

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