張倩倩 劉康泰 韓宗晟 李榮貴
(1. 青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,青島 266071;2. 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所,北京 100005)
中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome,MERS)是一種新型的冠狀病毒引發(fā)的急性、高致命性的呼吸道傳染性疾病。中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus,MERS-Co V)能夠感染人類(lèi)和動(dòng)物,引發(fā)呼吸道感染,伴發(fā)多器官功能衰竭等一系列疾?。?]。該病毒于2012年首次在中東沙特阿拉伯地區(qū)被發(fā)現(xiàn),2013年世界衛(wèi)生組織(WHO)命名該種傳染性疾病為“中東呼吸綜合征”(MERS)[2-3]。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)資料顯示,自2012 年發(fā)現(xiàn)MERS-Co V 至今,全球檢測(cè)出MERS-Co V 病毒感染的病例與日趨增,且致死率極高。病例主要集中在中東地區(qū),但在西亞、歐洲、非洲和北美洲等地區(qū)也有發(fā)現(xiàn),病史記錄表明中東地區(qū)以外國(guó)家報(bào)告的原發(fā)病例均有與中東通過(guò)商務(wù)、宗教、旅游等不同形式的密切交流史[4]。蝙蝠可能是MERS-Co V的天然儲(chǔ)庫(kù),并在傳播中起關(guān)鍵作用[5-6]。另外,根據(jù)研究報(bào)道,駱駝也是MERS-Co V的重要儲(chǔ)庫(kù)寄主,它們似乎是導(dǎo)致人類(lèi)感染的唯一動(dòng)物宿主[7]。
MERS-Co V 是由一條正鏈 RNA 組成、具有包膜的β 型冠狀病毒,其基因組全長(zhǎng)30 kb,編碼多種結(jié)構(gòu)蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白[8]。其中刺突蛋白(Spike,S)是病毒表面重要的結(jié)構(gòu)蛋白之一,在侵染靶細(xì)胞過(guò)程中起重要作用。MERS-Co V的S蛋白是I型跨膜糖蛋白,包含1 353個(gè)氨基酸殘基,主要由S1亞基和S2亞基構(gòu)成,并以三聚體狀態(tài)呈現(xiàn)在病毒表面。MERS-Co V利用二肽基肽4( Dipeptidyl peptidase-4,DPP4,也稱(chēng)為CD26)作為其在宿主細(xì)胞上的受體[9-10]。MERS-Co V S1亞 基 的 C 端 含 有 結(jié) 合DPP4的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(Receptor binding domain,RBD),功能是與受體結(jié)合和識(shí)別后,介導(dǎo)病毒與靶細(xì)胞的結(jié)合[11-14]。S蛋白質(zhì)、S1亞基及S2亞基均是可作為MERS-Co V疫苗研究的主要對(duì)象[13]。
現(xiàn)今,尚無(wú)臨床驗(yàn)證有效的抗MERS-Co V的疫苗和治療藥物。大多數(shù)的疫苗和藥物研究仍還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段或動(dòng)物試驗(yàn)階段,其主要原因是目前對(duì)中東呼吸綜合征病毒的傳播途徑和致病性尚未明了,且該病毒的高致病性和危險(xiǎn)性,使得人類(lèi)臨床試驗(yàn)較難開(kāi)展。因此,高效抗體的研制,對(duì)于中東呼吸綜合征病毒的預(yù)防和控制具有至關(guān)重要的作用。本研究意在克隆MERS-Co V表面刺突S蛋白S1亞基基因,構(gòu)建重組真核表達(dá)載體,獲得S1-Fc重組融合蛋白,分別通過(guò)克隆了S1亞基基因的重組質(zhì)粒接種,重組S1-Fc融合蛋白接種以及重組質(zhì)粒和重組S1-Fc融合蛋白聯(lián)合接種小鼠,以檢測(cè)小鼠是否發(fā)生免疫反應(yīng),并檢測(cè)接種小鼠產(chǎn)生的抗S1血清滴度是否存在區(qū)別,為研制預(yù)防中東呼吸綜合征病毒的疫苗提供技術(shù)支持。
1.1.1 細(xì)胞株 人胚腎細(xì)胞(HEK293E)(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所細(xì)胞中心)。
1.1.2 菌株與質(zhì)粒 大腸桿菌感受態(tài)(DH5α),購(gòu)于北京天根有限公司;Peak13CD5LTEVhIgGFc(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所蔣澄宇課題組提供);pcDNA3.1(+)-S質(zhì)粒(蘇州泓迅生物科技有限公司)。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 SPF級(jí)6-8周齡雌性BALB /C小鼠(編號(hào):ACUC-A02-2017-008,北京藥品生物制品鑒定所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物資源中心)。
1.1.4 試劑耗材 IgG Fc抗體,細(xì)胞篩選抗性抗生素Puromycin,弗氏完全佐劑(Sigma公司);山羊抗小鼠二抗(杭州聯(lián)科生物技術(shù)有限公司);限制性?xún)?nèi)切酶NheI、BamH I、AvrII,T4 DNA 連接酶(New Englan BioLabs公司);Protein A蛋白柱(GE醫(yī)療集團(tuán));0.45 μm多孔濾膜(Millipore公司);BCA蛋白質(zhì)定量試劑盒(天根生化科技有限公司);1×TMB ELISA Substrate Solution(R&D Systems);5 mL EDTA抗凝采血管(BD公司);Opti-MEM?I Reduced Serum Medium(1X)liquid(cat. no. 31985-062),DMEM液體培養(yǎng)基,胎牛血清(Invitrogen公司);脂質(zhì)體NeofectTMDNA transfection reagent(零客創(chuàng)智北京生物科技有限公司)。
1.2.1 Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒的構(gòu)建 MERS Co V表面刺突蛋白(S)基因來(lái)源于從NCBI基因數(shù)據(jù)庫(kù)(登錄號(hào):KF961222.1),共編碼1 353個(gè)氨基酸,S1為S蛋白的亞基,共編碼751個(gè)氨基酸。首先通過(guò)替換高頻密碼子的方法進(jìn)行序列優(yōu)化,再用次高頻密碼子替換序列中間可能出現(xiàn)的NheⅠ、BamH Ⅰ、EcoR Ⅰ及NotⅠ酶切位點(diǎn);最后將S基因的核苷酸序列的前后兩端連接上NheⅠ、BamH Ⅰ、EcoR Ⅰ及NotⅠ 酶切位點(diǎn),由蘇州泓迅生物科技有限公司合成。將合成的S基因作為模板,采用PCR擴(kuò)增、純化、回收S1基因片段,通過(guò)BamH Ⅰ和NheⅠ限制性?xún)?nèi)切酶雙酶切后插入Peak13CD5LTEVhIgGFc真核表達(dá)載體,構(gòu)建Peak13CD5LS1TEVhIgGFc重組質(zhì)粒,并添加便于蛋白純化的Fc標(biāo)簽,克隆片段通過(guò)序列分析進(jìn)行驗(yàn)證。
1.2.2 穩(wěn)定表達(dá)克隆細(xì)胞株的構(gòu)建與重組蛋白的純化 重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒用AvrⅡ酶切線性化后純化回收,用脂質(zhì)體(NeofectTM DNA transfection reagent)轉(zhuǎn)染至HEK293E細(xì)胞中。轉(zhuǎn)染48 h后,將其換至終濃度分別為0.6 μg/mL、0.8μg/mL、1.0 μg/mL 和 1.2 μg/mL 嘌呤霉素藥物培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng),3-4 d后將存活的轉(zhuǎn)染重組質(zhì)粒的細(xì)胞轉(zhuǎn)至新的細(xì)胞培養(yǎng)液中,繼續(xù)加入高濃度嘌呤霉素藥物培養(yǎng),并挑選單個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)至96孔培養(yǎng)板中培養(yǎng)。培養(yǎng)7 d后,取克隆細(xì)胞株的上清液進(jìn)行Western blotting檢測(cè),分析不同克隆細(xì)胞株的融合蛋白表達(dá)情況,將篩選出的高表達(dá)融合蛋白的陽(yáng)性克隆細(xì)胞株進(jìn)行擴(kuò)增培養(yǎng)。
陽(yáng)性克隆細(xì)胞株大量擴(kuò)增培養(yǎng)2-3 d后,回收細(xì)胞上清液,4℃,4 000 r/min離心30 min,取上清,采用0.45 μm濾膜進(jìn)行過(guò)濾。重組S1-Fc融合蛋白利用Protein A親和柱進(jìn)行純化,同時(shí),AcTEV 蛋白酶切重組S1-Fc融合蛋白,酶切后的蛋白溶液流過(guò)Protein A親和柱,收集流出液獲得切除Fc標(biāo)簽的S1蛋白。向純化的蛋白溶液中添加苯甲基磺酰氟(Phenylmethanesulfonane fluoride,PMSF)與二硫蘇糖醇( Dithiothreitol,DTT)至終濃度分別為1.0 mmol/L,超濾濃縮后,進(jìn)行SDS-PAGE與Western blotting分析,用BCA法來(lái)測(cè)定蛋白濃度,蛋白保存于-80℃?zhèn)溆谩?/p>
1.2.3 動(dòng)物接種 取6-8周齡的BALB /C小鼠,隨機(jī)分為4組,每組5只。其中,第1組,每只小鼠腹腔注射20 μg 重組S1-Fc融合蛋白與等體積的弗氏完全佐劑的混合物;第2組,每只小鼠后腿肌肉內(nèi)側(cè)注射100 μg 重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒;第3組,每只小鼠腹腔注射20 μg 重組S1-Fc融合蛋白與等體積的弗氏完全佐劑的混合物,同時(shí)后腿肌肉內(nèi)側(cè)注射100 μg重組 Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒;第4組,小鼠腹腔注射200 μL生理鹽水作為對(duì)照組。每隔1周用同樣劑量的樣品再次接種,共接種3次,每次接種1周后小鼠尾靜脈取血,4℃,2 000 r/min離心10 min,分離血清并保存于-80℃。
1.2.4 Western blotting驗(yàn)證接種小鼠是否產(chǎn)生抗S1血清 將不同接種方式接種28 d后獲得的小鼠血清分別稀釋成1 000倍和2 000倍,以10 pmol和1 pmol重組 S1-Fc融合蛋白作為抗原,通過(guò)Western blotting檢測(cè)接種小鼠血清中是否存在抗S1血清。以人源IgG Fc抗體作為抗S1血清的陽(yáng)性對(duì)照,埃博拉病毒GP1-Fc融合蛋白作為抗原的陰性對(duì)照。
1.2.5 ELISA檢測(cè)抗S1血清的滴度 用PBS將抗原(重組S1-Fc融合蛋白)稀釋成50 μg/mL的包被液,包被96孔酶標(biāo)板,每孔100 μL,4℃冷室靜置過(guò)夜,移去包被液,用PBS清洗檢測(cè)板3次,3 min/次;用pH 7.4,5%濃度的 BSA進(jìn)行室溫封閉,1 h后移去封閉液,用PBS清洗檢測(cè)板3次,3 min/次;用人源IgG Fc抗體作為抗S1血清陽(yáng)性對(duì)照,取接種生理鹽水組小鼠的血清作為抗S1血清陰性對(duì)照,將接種小鼠血清以1∶500開(kāi)始采用pH7.4,含5% 濃度BSA的PBS梯度稀釋?zhuān)覝胤跤? h。移去待測(cè)抗S1血清,用PBS清洗檢測(cè)板3次,3 min/次;加入1∶10 000稀釋的辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的山羊抗小鼠IgG抗體,室溫孵育2 h,移去山羊抗小鼠IgG抗體,用PBS清洗檢測(cè)板3次,3 min/次;加入100μL 1×YMB ELISA Substrate Solution于室溫下避光顯色反應(yīng)5 min,5 min后每孔加入50 μL終止液終止反應(yīng)。于450 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值,630 nm作為參考波長(zhǎng)。采用單因素方差分析組內(nèi)樣本間顯著性,P<0.05為差異顯著,采用GraphPad Prism 7 軟件作圖。
用限制性?xún)?nèi)切酶NheI和BamHI雙酶切鑒定克隆了MERS-Co V S1基因的Peak13CD5LTEVhIgGFc重組質(zhì)粒,結(jié)果如圖1所示,克隆片段大小符合插入目的基因的大小,DNA測(cè)序結(jié)果證實(shí)MERS-Co V S1基因序列成功插入了載體的正確位置,且沒(méi)有突變發(fā)生。
圖1 重組表達(dá)質(zhì)粒pEAK13CD5LS1TEVhIgGFc的雙酶切鑒定
采用限制性?xún)?nèi)切酶AvrⅡ酶切Peak13CD5LS1TEVhIgGFc重組質(zhì)粒,使其線性化,載體與切下條帶已完全分開(kāi),切膠純化回收線性化質(zhì)粒載體。用脂質(zhì)體(NeofectTM DNA transfection reagent)線性化重組質(zhì)粒至已長(zhǎng)至80%的HEK293E細(xì)胞。將轉(zhuǎn)染后的細(xì)胞轉(zhuǎn)移至新的培養(yǎng)液,并加入不同濃度的嘌呤霉素以篩選穩(wěn)定表達(dá)的克隆細(xì)胞株。終濃度為0.8 μg/mL嘌呤霉素篩選得到的克隆細(xì)胞株表達(dá)量最高,大規(guī)模的培養(yǎng)0.8 μg/mL嘌呤霉素篩選得到的穩(wěn)定表達(dá)的克隆細(xì)胞株。利用Protein A親和柱對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)液中的重組進(jìn)行S1-Fc融合蛋白進(jìn)行純化??捡R斯亮藍(lán)染色結(jié)果(圖2)顯示,純化獲得蛋白大小為122 kD,與預(yù)期的重組S1-Fc融合蛋白的大小一致。
圖2 重組S1-Fc融合蛋白純化的SDS-PAGE分析
分別接種了重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒、重組S1-Fc融合蛋白、重組S1-Fc融合蛋白和重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒3次后的小鼠,尾靜脈取血并分離血清,按照1∶1 000和1∶2 000的稀釋條件下檢測(cè)10 pmol和1 pmol的S1-Fc融合蛋白抗原。結(jié)果(圖3-A)顯示,3種不同接種方法均可以誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生抗S1血清,但不同的方法誘導(dǎo)的抗S1血清濃度存在差異。接種重組S1-Fc融合蛋白及同時(shí)接種S1-Fc融合蛋白和重組Peak13CD5LS-1TEVhIgGFc質(zhì)粒的小鼠血清在1∶1 000的稀釋條件下可以通過(guò)Western blotting法明顯檢測(cè)10 pmol和1 pmol的S1-Fc融合蛋白抗原,但僅接種了重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒小鼠所取得血清與10 pmol 重組S1 -Fc融合蛋白抗原可以明顯反應(yīng),但與1 pmol S1-Fc融合蛋白抗原反應(yīng)較弱。
接種重組S1-Fc融合蛋白及同時(shí)接種重組S1-Fc融合蛋白和重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒小鼠的血清在1∶2 000稀釋條件下可以通過(guò)Western blotting法明顯檢測(cè)到與10 pmol的S1-Fc融合蛋白抗原的反應(yīng)條帶,與1 pmol重組 S1-Fc融合蛋白反應(yīng)較弱,而僅接種了重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒所取得的小鼠血清在1∶2 000的稀釋條件下能與10 pmol S1-Fc融合蛋白輕微反應(yīng),完全檢測(cè)不到與1 pmol 重組S1-Fc融合蛋白的反應(yīng)(圖3-B)。因此,重組S1-Fc融合蛋白接種和重組S1-Fc融合蛋白及重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒聯(lián)合接種小鼠的免疫效果明顯優(yōu)于單純只接種重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒的免疫效果。
圖3-C結(jié)果顯示,接種重組S1-Fc融合蛋白后的小鼠抗血清在1∶1 000的稀釋條件下通過(guò)Western blotting法檢測(cè)只能特異性的檢測(cè)到重組S1-Fc融合蛋白和S1蛋白,無(wú)法與埃博拉GP1-Fc融合蛋白發(fā)生反應(yīng)。而在相同條件下,IgG Fc抗體能夠明顯檢測(cè)到10 pmol和1 pmol的重組S1-Fc融合蛋白。說(shuō)明接種小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了抗S1蛋白的特異性抗體。
圖3 Western blotting分析接種小鼠的抗S1-Fc抗血清滴度與特異性
圖4 初次接種不同時(shí)間小鼠抗血清的ELISA檢測(cè)
小鼠接種不同成分后定期取血并分離血清,用純化的S1-Fc融合蛋白作為抗原,ELISA檢測(cè)接種小鼠血清中抗S1血清的滴度。從圖4可以看出,接種7 d后,質(zhì)粒Peak13CD5LS1TEVhIgGFc接種組小鼠的血清中均未檢測(cè)出抗S1血清,接種14 d后出現(xiàn)了少量抗S1血清,但與對(duì)照組比濃度未達(dá)到顯著水平,接種28 d后,該組小鼠血清中才出現(xiàn)了顯著高于對(duì)照組的抗S1血清濃度(P<0.05)。而重組S1-Fc融合蛋白接種組、重組S1-Fc融合蛋白和重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc聯(lián)合接種組小鼠在接種7 d后均產(chǎn)生了明顯的抗S1血清,接種21 d后,兩組小鼠血清中抗S1血清滴度達(dá)到極高的水平,極顯著的高于對(duì)照組(P<0.0001)。接種重組S1-Fc融合蛋白與共同接種重組S1-Fc融合蛋白和重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc組的數(shù)值未見(jiàn)顯著差異,故而兩者的接種效果相同,但該兩種接種方法產(chǎn)生的抗S1血清滴度高于只接種重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc的數(shù)值。因此,在短期內(nèi)為達(dá)到高水平抗S1血清應(yīng)答,綜合考慮成本等因素,接種重組S1-Fc融合蛋白的效果較好。
刺突蛋白是中東呼吸綜合征病毒表面重要的結(jié)構(gòu)蛋白之一。S蛋白在病毒的吸附和穿入過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,是MERS-Co V疫苗研究的主要靶抗原[13,15-16]。在感染過(guò)程中,MERS-Co V的S蛋白被切割成受體結(jié)合亞基 S1 和膜融合亞基 S2[12,17-19]。MERS-Co V S1亞基含有與宿主細(xì)胞表面蛋白二肽基肽酶4(DPP4)的受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域(RBD),介導(dǎo)病毒與靶細(xì)胞的結(jié)合[12,15,17,23],引導(dǎo) MERSCo V進(jìn)入宿主細(xì)胞。MERS-Co V RBD可以結(jié)合包括人,駱駝,白鼬和蝙蝠等在內(nèi)的不同宿主細(xì)胞的DPP4。但MERS-Co V的易感性與宿主物種存在極大關(guān)系[6,20-21]。
本文通過(guò)比較研究了接種重組S1-Fc融合蛋白、重組質(zhì)粒Peak13CD5LS1TEVhIgGFc以及二者聯(lián)合接種小鼠的抗S1血清水平,證實(shí)3種接種方式均可誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生抗S1血清,接種重組S1-Fc融合蛋白組和聯(lián)合接種重組S1-Fc融合蛋白和重組質(zhì)粒Peak13CD5LS1TEVhIgGFc組小鼠產(chǎn)生了高水平的抗S1血清,而只接種重組質(zhì)粒Peak13CD5LS1TEVhIg-GFc組的小鼠的抗S1血清水平明顯不如前兩者高。其原因可能是單純的重組質(zhì)粒接種小鼠后,小鼠體內(nèi)并不存在質(zhì)粒DNA的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程,即重組質(zhì)粒不能主動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞,而重組質(zhì)粒必須輸?shù)郊?xì)胞核內(nèi)才能被轉(zhuǎn)錄成mRNA,進(jìn)而誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生對(duì)該抗原蛋白的體液免疫和細(xì)胞免疫,小鼠體內(nèi)合成抗原蛋白需要一定時(shí)間過(guò)程[22]。因此,短時(shí)間內(nèi)DNA接種所激發(fā)的免疫反應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較弱,不足以引起足夠的免疫保護(hù)效果,在小型動(dòng)物的試驗(yàn)中可能會(huì)檢測(cè)到免疫反應(yīng),但會(huì)因?qū)嶒?yàn)動(dòng)物體型的增大,而DNA接種的免疫效果會(huì)降低,尤其對(duì)人類(lèi)以及大動(dòng)物的免疫實(shí)驗(yàn)[24]。
此外,DNA接種免疫存在一定的不安全性,DNA接種的導(dǎo)入有可能會(huì)發(fā)生基因整合,激活內(nèi)源性原癌基因,或誘發(fā)染色體的不穩(wěn)定性,產(chǎn)生遺傳性或致癌反應(yīng),該方法更適合在體外難以表達(dá)的蛋白,較多的適用于小型動(dòng)物[24-26]。蛋白質(zhì)疫苗抗S1血清稀釋1∶2 000時(shí)仍能夠很好的檢測(cè)到1 pmol的S1-Fc抗原蛋白,結(jié)果顯示蛋白疫苗產(chǎn)生體液免疫的免疫效果更為快速,該蛋白質(zhì)疫苗在MERS CoV研究中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
本研究構(gòu)建了高效表達(dá)重組S1-Fc融合蛋白的重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染HEK293E細(xì)胞后獲得了可穩(wěn)定表達(dá)重組S1-Fc融合蛋白的克隆細(xì)胞株,并通過(guò)Protein A親和柱純化獲得了高濃度的重組S1-Fc融合蛋白。小鼠分別接種重組S1-Fc融合蛋白、重組質(zhì)粒Peak13CD5LS1TEVhIgGFc以及重組S1-Fc融合蛋白和Peak13CD5LS1TEVhIgGFc后,在小鼠血清中均檢測(cè)到了特異性抗S1血清。但僅接種重組質(zhì)粒的小鼠體內(nèi)在第3次接種后才產(chǎn)生較高濃度的抗S1血清,而兩種包含S1-Fc融合蛋白的接種方式在首次注射后就出現(xiàn)了高滴度的抗S1血清,而且顯著高于只接種了重組Peak13CD5LS1TEVhIgGFc質(zhì)粒小鼠的抗S1血清水平。