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    布魯氏菌外膜蛋白Omp16的原核表達(dá)、純化及多克隆抗體制備*

    2018-03-16 02:39:40熊流新李曉婷陳昱希陳安林胡永林遵義醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院貴州遵義563099遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科貴州遵義563003
    現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生 2018年5期
    關(guān)鍵詞:布魯氏菌克隆質(zhì)粒

    熊流新 ,黃 健 ,2,張 濤 ,李曉婷 ,徐 梅 ,陳昱希 ,陳安林 ,2,胡永林 ,2,閔 迅 ,2△(.遵義醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院,貴州遵義563099;2.遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科,貴州遵義563003)

    布魯氏菌病是由布魯氏菌引起的人畜共患疾病。該病在臨床上以長期發(fā)熱、多汗、關(guān)節(jié)損害、淋巴和肝、脾大為主要癥狀,其病程進(jìn)入慢性期則可能導(dǎo)致多器官不可逆損害[1]。據(jù)WHO統(tǒng)計(jì),全球每年有超過50萬新發(fā)病例[2]。近年來,該病發(fā)病例數(shù)及流行范圍不斷擴(kuò)大,為世界公認(rèn)危害公共衛(wèi)生安全最大的傳染病之一[3]。臨床上主要以多西環(huán)素聯(lián)合利福平或鏈霉素治療為主[4]。近年來,對利福平耐藥布魯氏菌的相關(guān)報(bào)道正逐年增多,這給該病積極、有效的治療帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。因此,布魯氏菌疫苗的相關(guān)研究正成為一種積極、有效的預(yù)防手段。

    目前,布魯氏菌活疫苗主要分為2類,一類是減毒光滑型疫苗,主要包括羊種布魯氏菌Rev.1疫苗株、牛種布魯氏菌S19疫苗株、豬種布魯氏菌S2疫苗株,其含有的脂多糖(LPS)成分能刺激免疫細(xì)胞產(chǎn)生良好的保護(hù)作用[6]。但該類疫苗往往由于LPS O-側(cè)鏈能刺激產(chǎn)生非特異性抗體,導(dǎo)致臨床無法鑒別免疫接種與野生株感染。此外,其還存在較嚴(yán)重的毒力返祖現(xiàn)象,以致動(dòng)物流產(chǎn)及播散性感染等情況的發(fā)生[7]。另一類是減毒粗糙型疫苗,主要包括牛種布魯氏菌R型45/20和RB51。其通過反復(fù)傳代減毒獲得,由于該疫苗本身不含LPS O-側(cè)鏈,所以不會(huì)干擾常規(guī)血清學(xué)檢查[8]。但其也存在免疫保護(hù)效果差,疫苗菌株不穩(wěn)定從而出現(xiàn)粗糙型菌株轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣途?,并恢?fù)強(qiáng)毒性等現(xiàn)象[9]。因此,研發(fā)免疫原性強(qiáng)、安全性好、價(jià)格低廉的布魯氏菌蛋白質(zhì)疫苗正成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

    蛋白質(zhì)疫苗具有免疫原性高、保守性好、能覆蓋絕大多數(shù)血清型及生產(chǎn)成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)[10]。TABYNOV等[11]研究證實(shí),將布魯氏菌外膜蛋白Omp19制成的蛋白質(zhì)疫苗誘導(dǎo)小鼠刺激CD4+T和CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生干擾素γ(INF-γ),并且攻毒保護(hù)力能夠達(dá)到牛布魯氏菌S19疫苗株的水平。KIM等[12]研究BCSP31(布魯氏菌31 000的外膜蛋白)、Omp3b和Cu-Zn SOD(銅-鋅超氧化物歧化酶)作為蛋白質(zhì)疫苗能引起強(qiáng)烈的Th1型免疫反應(yīng),顯著提高IFN-γ及腫瘤壞死因子α(TNF-α)分泌水平,激活巨噬細(xì)胞參與的細(xì)胞免疫。這些蛋白質(zhì)在所構(gòu)建的動(dòng)物模型中均具有不同程度的保護(hù)效應(yīng)。Omp16是布魯氏菌重要的毒力因子。研究證實(shí),布魯氏菌在敲除Omp16后,影響了外膜肽聚糖的連接,致使布魯氏菌外膜結(jié)構(gòu)受到破壞,最終細(xì)胞外膜通透性增加而導(dǎo)致細(xì)胞溶解死亡,這表明了Omp16是布魯氏菌存活必不可少的外膜蛋白[13]。文獻(xiàn)報(bào)道Omp16在進(jìn)入小鼠體內(nèi)時(shí)激活Toll樣受體4(TLR4),引起TLR4自身二聚化與髓樣細(xì)胞分化蛋白MyD88結(jié)合,MyD88與白細(xì)胞介素-1(IL-1)相關(guān)激酶(IRAK)結(jié)合導(dǎo)致IRAK自身磷酸化,激活腫瘤相關(guān)因子6(TRAF-6),使有絲分裂酶原蛋白激酶(MAPK)活化,一方面刺激依賴MAPK途徑的巨噬細(xì)胞,增強(qiáng)其吞噬活性,使TNF-α等細(xì)胞因子上調(diào),另一方面通過核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)激活 I-κB 家族的α、β激酶,導(dǎo)致I-κB磷酸化降解,最后NF-κB轉(zhuǎn)到細(xì)胞核啟動(dòng) IL-1、IL-6、TNF-α 轉(zhuǎn)錄[14]。外膜蛋白Omp16在TLR4-MyD88信息轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上突出的功能使其有望成為布魯氏菌蛋白疫苗研發(fā)的一個(gè)重要靶點(diǎn)。

    迄今為止,尚鮮見布魯氏菌外膜蛋白Omp16重組蛋白疫苗保護(hù)效應(yīng)的相關(guān)研究。因此,本課題擬通過生物信息學(xué)分析、基因克隆、蛋白質(zhì)表達(dá)及純化技術(shù),以及多克隆抗體制備等,以期為后續(xù)的Omp16蛋白質(zhì)疫苗的研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    1.1.1 菌株與質(zhì)粒 大腸桿菌E.coliBL21(DE3)、pET28a(+)質(zhì)粒、E.coliDH5a 為本課題組保存;布魯氏菌標(biāo)準(zhǔn)菌株(Brucella melitensis ATCC 23456)為遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科惠贈(zèng)。

    1.1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 BALB/c小鼠,SPF級,7周,雌性,購自中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室中心。所有動(dòng)物的處理按照遵義醫(yī)學(xué)院倫理委員會(huì)行為準(zhǔn)則進(jìn)行。

    1.1.3 主要試劑 營養(yǎng)瓊脂粉、丙烯酰胺、考馬斯亮藍(lán)R-250、咪唑、雙丙烯酰胺、Tris堿、酵母提取物、氯化鈉、十二烷基硫酸鈉(SDS)、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺、胰蛋白胨、溴酚藍(lán)購于生工生物工程(上海)股份有限公司;甘氨酸、β-巰基乙醇、過硫酸銨、異丙基硫代-β-D-半乳糖苷(IPTG)、1.0 mol/L Tris-HCl(pH6.8)、1.5 mol/L Tris-HCl(pH8.8)、GoldView核酸染料、50×TAE Buffer、5%胎牛血清、HRP-羊抗鼠IgG 0.01 mol/L、磷酸鹽緩沖液(PBS)粉劑 3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)底物顯色液、超敏電化學(xué)發(fā)光試劑盒、脫脂奶粉、PVDF膜、脫脂奶粉購于北京索萊寶公司;彩虹蛋白質(zhì)Marker、DNA聚合酶(Primer Star高保真)、T4DNA連接酶、DNA Marker(DL2000、DL5000)、限制性內(nèi)切酶 BamH Ⅰ/XhoⅠ購于日本TAKARA公司;基因組DNA抽提試劑盒、小量質(zhì)粒DNA提取試劑盒、DNA純化試劑盒購于北京天根公司;血平板培養(yǎng)基購于鄭州安圖綠科生物工程有限公司;96孔ELISA板購于美國康寧公司;鋁佐劑(Inject Alum NO.77161)購于美國Pierce公司。

    1.2 方法

    1.2.1 Omp16蛋白生物學(xué)信息分析 利用隱馬爾科夫模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行目的蛋白序列保守性預(yù)測(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)、跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(http://www.cbs.dtu.dk/)、信號肽預(yù)測(http://www.cbs.dtu.dk/)。1.2.2 引物設(shè)計(jì) 根據(jù)GenBank中布魯氏菌的基因序列(NC_009505.1),使用 PrimerPremier 5.0設(shè)計(jì) 2種不同序列的Omp16基因引物。Omp-16-1F:CGCGGATCCATGCGCCGTATCCAGTCGATTG,Omp-16-1R:CCGCTCGAGTTACCGTCCGGCCCCGTTGA,Omp-16-2F:CGCGGATCCATGAAGAAGAACCTTCCG,Omp-16-2R:CCGCTCGAGCCGTCCGGCCCCGTTGA,標(biāo)有下劃線為限制性內(nèi)切酶的酶切位點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。

    1.2.3 PCR擴(kuò)增目的基因 以細(xì)菌DNA為模板,擴(kuò)增條件如下。Omp16-1:98℃變性 20 s,55℃退火 15 s,72℃延伸 45 s,30個(gè)循環(huán),72℃延伸 5 min。Omp16-2:98℃ 變性 20 s,55℃退火 15 s,72℃延伸 42 s,30個(gè)循環(huán),72℃延伸5 min;4℃保存。取10μL進(jìn)行1%瓊脂糖電泳,PCR產(chǎn)物經(jīng)DNA回收試劑盒回收,-20℃保存。

    1.2.4 構(gòu)建2種不同序列布魯氏菌Omp16的重組質(zhì)粒 用限制性內(nèi)切酶BamHⅠ和XholⅠ同時(shí)雙酶切目的基因和質(zhì)粒,使用DNA純化試劑盒回收。將目的基因和質(zhì)粒按比例混合,使用T4連接酶在PCR儀中16℃連接16 h,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入感受態(tài)細(xì)胞DH5a中,用含卡那霉素(100μg/mL)的LK平板篩選陽性克隆菌,使用質(zhì)粒提取試劑盒提取質(zhì)粒后,行雙酶切鑒定及送生工生物工程(上海)股份有限公司測序鑒定。

    1.2.5 蛋白誘導(dǎo)表達(dá)及純化 將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入E.coliBL21(DE3)中,在含有卡那霉素(100 μg/mL)的 LK 平板上,37℃培養(yǎng)過夜,挑取克隆陽性菌落轉(zhuǎn)于10 mL含有卡那霉素(1∶1 000)的 LB 培養(yǎng)液中,37℃,200 r/min搖菌過夜。次日按1∶50轉(zhuǎn)種含有卡那霉素(1∶1 000)的LB培養(yǎng)液中,將菌液搖至600 nm波長下光密度(OD)600nm值為 0.5時(shí)加入IPTG 1 mmol/L,28℃、160 r/min誘導(dǎo)過夜后收菌。將其用1×Binding Buffer重懸后在冰上超聲破菌,將破菌后的上清液轉(zhuǎn)入鎳柱親和層析柱(Ni-NTA)中,經(jīng)咪唑緩沖液(20、30、40 mmol/L 咪唑,pH8.5,10 mmol/L PBS,300 mmol/L NaCl)充分洗脫后,用洗脫液(500 mmol/L 咪唑,pH8.5,10 mmol/L PBS,300 mmol/L NaCl)洗脫目的蛋白。行SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)檢測蛋白的純度,用PBS超濾除去咪唑和NaCl,使用BCA蛋白定量試劑盒測定蛋白濃度。

    1.2.6 多克隆抗體制備及其效價(jià)的檢測 將7周齡雌性BALB/c小鼠24只,按照隨機(jī)分配原則設(shè)立實(shí)驗(yàn)組和空白對照組。每組免疫6只小鼠,空白對照組僅注射佐劑,實(shí)驗(yàn)組注射佐劑與重組蛋白按1∶1混合的蛋白懸液。免疫劑量10μg/只(首次劑量加倍),免疫途徑為經(jīng)皮下多點(diǎn)注射,每次間隔2周,共免疫3次。末次免疫后第7天,經(jīng)尾靜脈采集血液,分離血清放4℃冰箱備用。采用間接ELISA法檢測血清抗體效價(jià):抗原包被,將目的蛋白用碳酸鹽緩沖液稀釋至100μg/mL,將稀釋后的樣品加到96孔板中,每孔100μL,4℃過夜。每孔加入牛血清白蛋白(BSA)5%封閉2 h。用空白對照組小鼠血清作陰性對照。干燥清潔條件下將BALB/c小鼠斷尾采血清,將1μL小鼠血清加進(jìn)封閉液100μL,按比例稀釋至1×109,37℃孵育1 h。用專門PBS洗滌液洗板并吸干水。每孔加入100μL HRP標(biāo)記的羊抗鼠IgG(1∶5 000稀釋)37℃孵育1 h。洗板吸干水后加入100μL TMB顯色終止液顯色30 min,上酶標(biāo)儀前加入100μL顯色終止液。將酶標(biāo)儀波長設(shè)置為450 nm,檢測OD值。以待測標(biāo)本OD450nm(P)/Alum 佐劑(N)≥2.1 結(jié)果判斷為陽性結(jié)果。

    1.2.7 Western blotting檢測Omp16蛋白的表達(dá) 取20μL2種不同序列的布魯氏菌Omp16蛋白,分別加入5μL的5×SDS-PAGE上樣緩沖液煮沸10 min,10 000 r/min、5 min后取5μL進(jìn)行SDS-PAGE電泳。電泳后轉(zhuǎn)PVDF膜,使用5%脫脂奶粉封閉2 h,用小鼠血清(1∶1 000)作為一抗4℃孵育16 h;PBST洗滌3次,加入HRP羊抗鼠 IgG(1∶5 000)作為二抗,37℃孵育 1 h,PBST 洗滌3次后使用超敏電化學(xué)發(fā)光試劑盒檢測結(jié)果。

    2 結(jié) 果

    2.1 Omp16蛋白保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測 Omp16蛋白分子保守性較高,在61-163aa處含有1個(gè)保守結(jié)構(gòu)域,命名為OmpA-C-like超家族,見圖1。

    圖1 Omp16蛋白的保守性預(yù)測結(jié)果

    2.2 Omp16蛋白跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測 Omp16蛋白在氨基端6-28aa處可能有1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu),見圖2。

    圖2 Omp16蛋白跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果

    2.3 Omp16蛋白信號肽預(yù)測 Omp16蛋白在氨基端1-24 aa處有 1個(gè)信號肽(Y=0.570),見圖3。

    圖3 Omp16蛋白信號肽預(yù)測結(jié)果

    2.4 Omp16基因的擴(kuò)增 根據(jù)以上生物信息學(xué)分析,本研究擬擴(kuò)增全長及截短的Omp16基因序列Omp16-1(1-504)、Omp16-2(82-504),擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖電泳分析顯示,分別于504、423 bp處可見清晰的特異性條帶,大小與預(yù)期相符(圖4A),將 pET28a(+)-Omp16-1、pET28a(+)-Omp16-2重組質(zhì)粒雙酶切,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳,可見酶切產(chǎn)物與目的基因大小相符的酶切片段(圖4B)。構(gòu)建的質(zhì)粒經(jīng)生工生物工程(上海)股份有限公司分析,結(jié)果與預(yù)期一致,提示重組質(zhì)粒構(gòu)建成功(圖5)。

    圖4 全長及截短表達(dá)的Omp16基因PCR擴(kuò)增與重組質(zhì)粒雙酶切鑒定

    圖5 重組質(zhì)粒測序峰圖

    2.5 重組蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)及純化 全長及截短表達(dá)的Omp16經(jīng) IPTG誘導(dǎo)后,在相對分子質(zhì)量19.2×103、16.5×103處可見特異性蛋白條帶,大小與預(yù)期相符(圖6),經(jīng)Ni-NTA純化后可獲得高純度的目的蛋白。

    2.6 多克隆抗體的制備和抗體效價(jià)檢測 將全長及截短表達(dá)的Omp16重組蛋白免疫BALB/c小鼠制備多克隆抗體,采用間接ELISA法檢測血清IgG效價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示佐劑對照組幾乎不產(chǎn)生Omp16抗體,實(shí)驗(yàn)組全長及截短表達(dá)的Omp16重組蛋白的血清IgG效價(jià)高達(dá)1×107,提示Omp16重組蛋白能刺激小鼠產(chǎn)生較強(qiáng)的免疫應(yīng)答(圖7),Omp16-1、Omp16-2均能刺激小鼠產(chǎn)生高滴度的多克隆抗體(均P<0.05),且2組間抗體滴度比較無顯著變化(均P>0.05)。

    圖6 全長及截短表達(dá)的Omp16重組蛋白純化的SDS-PAGE圖

    圖7 小鼠皮下免疫后血清IgG抗體效價(jià)檢測

    2.7 重組蛋白Western blotting鑒定 將純化的全長及截短表達(dá)的布魯氏菌Omp16重組蛋白作為抗原,小鼠抗血清作為一抗,通過Western blotting進(jìn)行鑒定(圖8)。結(jié)果提示2種Omp16重組蛋白均能與小鼠血清中的抗體特異性結(jié)合。

    圖8 重組蛋白Omp16的Western blotting鑒定

    3 討 論

    蛋白質(zhì)疫苗具有免疫效果好且安全性高的特點(diǎn),新的保護(hù)性抗原的篩選對提高其免疫保護(hù)效果具有十分重要的意義。MALLICK等[15]研究發(fā)現(xiàn),布魯氏菌核糖體蛋白L7/L12在未經(jīng)脂化處理時(shí)無法引起免疫保護(hù)反應(yīng),但經(jīng)過脂化處理后能引起強(qiáng)烈的體液免疫和細(xì)胞免疫反應(yīng),產(chǎn)生高滴度的IgG2a,攻毒保護(hù)效果明顯增加。Omp16是布魯氏菌重要的毒力因子,屬于脂蛋白[16]。Omp16在TLR4-MyD88信息轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上突出的功能,使其有望成為布魯氏菌蛋白疫苗的一個(gè)重要抗原靶點(diǎn)。

    本課題采用的原核表達(dá)是最常用的表達(dá)系統(tǒng),是應(yīng)用最早、最廣泛的系統(tǒng),簡便快捷、成本低廉。但原核表達(dá)系統(tǒng)存在2個(gè)關(guān)鍵的問題:(1)異源表達(dá)的蛋白與大腸埃希菌系統(tǒng)不相容,蛋白無法表達(dá);(2)表達(dá)的蛋白不可溶。影響因素包括蛋白自身的因素、載體選擇、誘導(dǎo)劑的量、誘導(dǎo)時(shí)間、誘導(dǎo)溫度等[17]。本課題組先后嘗試了不同的載體,如pE-SUMO載體、pCold I載體等,但其表達(dá)產(chǎn)物均為包涵體形式。實(shí)驗(yàn)最終選用pET28a(+)載體,pET系統(tǒng)是目前E.coli克隆表達(dá)重組蛋白最強(qiáng)大的系統(tǒng),當(dāng)目的基因克隆到質(zhì)粒時(shí),受噬菌體T7強(qiáng)轉(zhuǎn)錄和可選擇的翻譯信號控制,T7 RNA酶十分高效,短時(shí)間內(nèi)可使目的蛋白產(chǎn)量達(dá)到細(xì)菌總蛋白50%以上。本實(shí)驗(yàn)選用大腸埃希菌表達(dá)系統(tǒng)E.coliBL21(DE3),因其遺傳背景清楚,能高效表達(dá)具有生物學(xué)活性的蛋白分子[18],在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),Omp16-1蛋白可溶性的表達(dá)量較低,且主要以包涵體形式出現(xiàn),為了獲得重組蛋白Omp16的大量可溶性表達(dá),本研究對Omp16蛋白全長進(jìn)行生物學(xué)信息分析,發(fā)現(xiàn)這可能與其在N端1-24 aa處有1個(gè)信號肽(Y=0.570),且N端6-28 aa的位置存在1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本研究通過生物學(xué)信息綜合分析,成功構(gòu)建了 pET28a(+)-Omp16-2 的截短表達(dá)質(zhì)粒,轉(zhuǎn)入E.coliBL21(DE3),經(jīng)IPTG誘導(dǎo)后獲得了大量高純度、可溶性的目的蛋白Omp16-2,也從側(cè)面證實(shí)了上述預(yù)測的正確性。

    本研究采用全長及截短表達(dá)的重組蛋白Omp16,通過皮下多點(diǎn)注射的方法免疫BALB/c小鼠,結(jié)果證實(shí)Omp16-1、Omp16-2均能刺激小鼠產(chǎn)生高滴度的多克隆抗體(均P<0.05),且2組間抗體滴度比較無顯著變化(均P>0.05)。Western blotting實(shí)驗(yàn)證實(shí) 2種 Omp16重組蛋白均能與小鼠血清中的抗體特異性結(jié)合。因此,推測Omp16的抗原表位可能位于OmpA-C-like超家族結(jié)構(gòu)域。后續(xù)研究將依托制備的高純度、高含量的重組蛋白Omp16-2,擬通過構(gòu)建布魯氏菌的黏膜或食道感染模型,通過系列主動(dòng)免疫、被動(dòng)保護(hù)等體內(nèi)外實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證重組蛋白Omp16在布魯氏菌感染方面的保護(hù)效應(yīng)。

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