銅綠假單胞菌waaL突變體構(gòu)建及糖基化系統(tǒng)的建立

徐涵，潘超，黃競(jìng)，馮爾玲，朱力，王恒樑

軍事醫(yī)學(xué)研究院 生物工程研究所，北京 100071

銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，Pa）又名綠膿桿菌，是一種非發(fā)酵革蘭陰性菌，菌體細(xì)長(zhǎng)，有單鞭毛和莢膜，無(wú)芽胞，具有易定植、易變異和多耐藥的特點(diǎn)，常感染于燒傷創(chuàng)面或皮膚、尿路和心臟瓣膜等解剖部位，引起術(shù)后感染[1-2]，或在機(jī)械通氣或慢性肺囊性纖維化患者中引起肺部感染[3]。目前對(duì)Pa感染的治療主要依靠抗生素，但Pa耐藥現(xiàn)象嚴(yán)重，泛耐藥甚至全耐藥的菌株不斷增多，使其可用的敏感藥物越發(fā)有限，因此Pa感染的治療也越來(lái)越困難[4-5]。除了抗Pa感染的藥物治療，疫苗接種也是其防控的重要策略，已有許多不同的抗Pa感染疫苗和幾種單克隆抗體被研制出來(lái)，但只有少數(shù)達(dá)到了臨床階段，尚無(wú)相應(yīng)的產(chǎn)品上市[5]。

脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）是革蘭陰性菌外膜的主要成分，在細(xì)菌黏附和防御中起重要作用，同時(shí)也是Pa重要的毒力因子[6]。LPS由脂質(zhì)A、核心多糖和O-抗原多糖（O-antigen polysaccharide，OPS）三部分組成，OPS位于脂多糖的最外層。Pa的O-抗原連接酶由waaL基因編碼，負(fù)責(zé)將合成于內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)的OPS在周間質(zhì)中連接到脂質(zhì)A核心上合成LPS[7]。研究表明，針對(duì)OPS的抗體可介導(dǎo)針對(duì)Pa感染的高水平免疫力[8]。

多糖結(jié)合疫苗是目前最為成功的細(xì)菌性疫苗形式[9-10]。它是將病原菌表面多糖與底物蛋白偶聯(lián)，使T細(xì)胞得以參與免疫應(yīng)答并產(chǎn)生高親和力的抗體和免疫記憶。近年來(lái)，多個(gè)利用化學(xué)法生產(chǎn)的多糖結(jié)合疫苗已經(jīng)上市。研究發(fā)現(xiàn)，糖蛋白在細(xì)菌體內(nèi)的合成途徑與LPS合成非常相似，存在于周間質(zhì)的游離多糖在糖基轉(zhuǎn)移酶或O-抗原連接酶的催化下，可以從脂質(zhì)載體轉(zhuǎn)移至底物蛋白或脂質(zhì)A核心。利用這種相似性，可以通過(guò)對(duì)LPS合成途徑改造，將OPS連入目標(biāo)載體蛋白，從而制備多糖結(jié)合疫苗。

在本研究中，我們首先通過(guò)同源雙交換法缺失了編碼銅綠假單胞菌PAO1株O-抗原連接酶的基因waaL，使PAO1株無(wú)法合成完整的LPS，并在周間質(zhì)中積累“游離”的OPSPa。之后，我們?cè)谌笔е曛修D(zhuǎn)入構(gòu)建的具有四環(huán)素抗性的O-連接糖基化工程載體，即共表達(dá)腦膜炎耐瑟球菌的糖基轉(zhuǎn)移酶PglL和帶有糖基化序列的重組霍亂毒素B亞 單 位（recombinantcholera toxin B subunit，rCTB），細(xì)菌周間質(zhì)中的“游離”O(jiān)PSPa在PglL催化下轉(zhuǎn)移到rCTB，形成糖蛋白，證明了利用這種生物方法制備Pa多糖結(jié)合疫苗的可行性，為下一步糖蛋白純化、疫苗制備及效果評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

銅綠假單胞菌PAO1株由本實(shí)驗(yàn)室保存，培養(yǎng)于液體LB培養(yǎng)基（0.5%酵母粉、1%氯化鈉和1%蛋白胨）或含1.5%瓊脂的固體LB培養(yǎng)基，培養(yǎng)溫度為37℃；大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞購(gòu)自全式金生物有限公司，培養(yǎng)基及培養(yǎng)溫度同上。為了誘導(dǎo)蛋白表達(dá)，細(xì)菌首先在37℃的液體LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)至D600nm值約為0.6時(shí)，加入IPTG至終濃度為1 mmol/L，并在30℃繼續(xù)培養(yǎng)10 h。根據(jù)需要，加入四環(huán)素（50 μg/mL）用于質(zhì)粒的選擇。

糖基工程質(zhì)粒pET28a-PglL-rCTB（表達(dá)PglL和底物蛋白rCTB）[10]，僅表達(dá)底物蛋白rCTB的質(zhì)粒pET28a-rCTB，抗性擴(kuò)增質(zhì)粒pCasPA、pJQ200SK以及自殺質(zhì)粒pCVD442均由本實(shí)驗(yàn)室保存；限制性?xún)?nèi)切酶BglⅡ、XbaⅠ及SmaⅠ購(gòu)自NEB公司；質(zhì)粒提取試劑盒、DNA凝膠產(chǎn)物回收及PCR產(chǎn)物回收試劑盒購(gòu)自江蘇康為世紀(jì)生物科技有限公司；API50CHB試紙條購(gòu)自Biomerieux公司；引物由北京天一輝遠(yuǎn)公司合成。

1.2 銅綠假單胞菌PAO1株waaL基因的敲除及驗(yàn)證

用同源雙交換法敲除PAO1株的waaL基因，流程如圖1。根據(jù)PAO1株waaL基因及上下游序列，設(shè)計(jì)構(gòu)建打靶片段所需引物（表1）。以PAO1株為模板，用引物waaL-5F/waaL-5R擴(kuò)增上游同源臂，用引物waaL-3F/waaL-3R擴(kuò)增下游同源臂；以pJQ200SK質(zhì)粒為模板，用引物Gm-F/Gm-R擴(kuò)增慶大霉素抗性基因（Gm）；之后將waaL基因上游同源臂、Gm抗性基因、waaL基因下游同源臂通過(guò)融合PCR技術(shù)連接，得到完整打靶片段ΔwaaL::Gm（上游同源臂-Gm抗性基因-下游同源臂），再將其與SmaⅠ酶切的自殺質(zhì)粒pCVD442相連，獲得打靶質(zhì)粒pCVD442-ΔwaaL::Gm。將pCVD442-ΔwaaL::Gm電轉(zhuǎn)化具有性菌毛的大腸桿菌β2155，獲得供體菌β2155/pCVD442-ΔwaaL::Gm，并將供體菌與Pa受體菌接合，在Gm平板（含Gm 50 μg/mL）上篩選獲得Gm抗性的Pa克?。ɑ蚪M整合有打靶質(zhì)粒），命名為PAO1/pCVD442-ΔwaaL::Gm。以基因組上waaL上下游同源臂以外的一對(duì)引物waaL-outF/waaL-outR及Gm內(nèi)部引物Gm-seqF/Gm-seqR組合成5′端交叉引物（waaL-outF/Gm-seqR）和3′端交叉引物（Gm-seqF/waaL-outR）進(jìn)行此次重組的驗(yàn)證。取數(shù)個(gè)驗(yàn)證成功的PAO1/pCVD442-ΔwaaL::Gm克隆菌液涂布于含10%蔗糖（含Gm 50 μg/mL，不含NaCl）的LB平板上，培養(yǎng)至生長(zhǎng)出單克隆，利用SacB基因內(nèi)部引物SacBF/SacB-R、waaL基因內(nèi)部引物waaL-F/waaL-R和外部引物waaL-outF/waaL-outR篩選waaL基因被Gm抗性基因插入打斷的克隆，命名為PAO1ΔwaaL。

表1 基因敲除引物

圖1 同源雙交換法基因敲除簡(jiǎn)圖

1.3 銅綠假單胞菌PAO1株及waaL基因缺失株的LPS銀染

取培養(yǎng)后的菌液1 mL，5000 r/min離心1 min后收集菌體，加入 100 μL 1×SDS緩沖液重懸。沸水浴10 min，冷卻至室溫，加入10 μg蛋白酶K，60℃消化2 h。離心取上清進(jìn)行SDSPAGE，待溴酚藍(lán)出膠后，將膠取出浸沒(méi)于固定液（10%冰乙酸，40%無(wú)水乙醇）中振蕩30 min，其間更換一次固定液，置于增敏液（0.1%硫代硫酸鈉，6.8%乙酸鈉，30%無(wú)水乙醇，0.25%戊二醛）中振蕩30 min，用ddH2O洗3次，每次15 min；加入銀染液（0.25%硝酸銀，0.04%甲醛）反應(yīng)20 min，用ddH2O洗2次，每次1 min；加入顯影液（2.5%碳酸鈉，0.04%甲醛，0.006%硫代硫酸鈉），觀察LPS的顏色，在反應(yīng)到顏色最佳時(shí)倒入終止液（1.46%乙二胺四乙酸二鈉）終止反應(yīng)。

1.4 銅綠假單胞菌PAO1株及waaL基因缺失株的生長(zhǎng)代謝狀況測(cè)定

將銅綠假單胞菌PAO1株及waaL基因缺失株同時(shí)接種培養(yǎng)于50 mL液體培養(yǎng)基中，記錄12 h的菌液D600nm值；將PAO1野生株和waaL基因缺失株同時(shí)在LB固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)過(guò)夜，用API 50CHB試紙條對(duì)野生株和缺失株的糖代謝水平進(jìn)行測(cè)定，比較2株菌的糖代謝差異。

1.5 四環(huán)素抗性表達(dá)載體構(gòu)建

由于Pa為耐藥菌株，因此我們選擇PAO1菌株敏感的四環(huán)素（tetracycline，Tet）抗性，以質(zhì)粒pCasPA為模板擴(kuò)增Tet片段［引物為T(mén)et-F（5′-G AAGATCTTGGCGTACTGTTGTGGT-3′，下劃線(xiàn)序列為BglⅡ酶切位點(diǎn)）、Tet-R（5′-GCTCTAGATATAG CTTGCCGGAAGTC-3′，下劃線(xiàn)序列為XbaⅠ酶切位點(diǎn)）］后用限制性?xún)?nèi)切酶BglⅡ和XbaⅠ雙酶切，并與經(jīng)同樣雙酶切的糖基工程質(zhì)粒pET28a-PglL-rCTB和對(duì)照質(zhì)粒pET28a-rCTB連接，得到帶有Tet抗性的糖基工程質(zhì)粒pET28a-PglL-rCTB-Tet及對(duì)照質(zhì)粒pET28a-rCTB-Tet，將2個(gè)質(zhì)粒分別電轉(zhuǎn)PAO1野生株和PAO1ΔwaaL感受態(tài)細(xì)胞。

1.6 銅綠假單胞菌PAO1株及waaL基因缺失株的糖蛋白誘導(dǎo)表達(dá)及驗(yàn)證

挑取含有對(duì)應(yīng)質(zhì)粒的克?。╬ET28a-PglL-rCTB-Tet/PAO1，pET28a-rCTB-Tet/PAO1，pET28a-PglL-rCTB-Tet/PAO1ΔwaaL，pET28a-rCTB-Tet/PAO1ΔwaaL）接種于5 mL LB液體培養(yǎng)基，培養(yǎng)至菌液D600nm至2.0時(shí)，按1∶100轉(zhuǎn)接于5 mL LB液體培養(yǎng)基，37℃培養(yǎng)至菌液D600nm為0.6～0.8時(shí)，加入終濃度為1 mmol/L的IPTG，30℃培養(yǎng)10 h誘導(dǎo)蛋白表達(dá)。次日，每個(gè)樣品取1 mL，5000 r/min離心1 min收集菌體沉淀，加入1×SDS緩沖液重懸，沸水浴10 min后進(jìn)行SDS-PAGE，用鼠源HRP-Anti-His tag抗體進(jìn)行Western印跡檢測(cè)。

2 結(jié)果

2.1 銅綠假單胞菌PAO1株waaL基因缺失株的PCR驗(yàn)證

用同源雙交換法敲除PAO1株的O-抗原連接酶waaL基因，首先在受體菌PAO1與供體菌大腸桿菌β2155/pCVD442-ΔwaaL::Gm接合后，在Gm抗性平板上隨機(jī)挑選10個(gè)克隆，在插入位置兩端分別用上游交叉引物waaL-outF/Gm-seqR和下游交叉引物Gm-seqF/waaL-outR進(jìn)行PCR鑒定，在5′端插入位置用waaL-outF和Gm-seqR引物PCR驗(yàn)證將有1644 bp的片段產(chǎn)生，在3′端插入位置用Gm-seqF和waaL-outR引物驗(yàn)證將有1369 bp的片段產(chǎn)生，結(jié)果（圖2A、B）顯示多個(gè)克隆兩側(cè)插入位置都有預(yù)期長(zhǎng)度的擴(kuò)增片段，即第一次交換成功。

選擇第9號(hào)克隆接種于5 mL LB培養(yǎng)基，于30℃培養(yǎng)過(guò)夜，次日取50 μL培養(yǎng)液鋪于含10%蔗糖的LB平板（含Gm 50 μg/mL），30℃培養(yǎng)至單克隆形成。隨機(jī)挑選10個(gè)單克隆，分別接種于5 mL LB 培養(yǎng)基（含 Gm 50 μg/mL），30℃培養(yǎng)過(guò)夜。取少量菌液用自殺質(zhì)粒pCVD442上SacB基因的內(nèi)部引物進(jìn)行PCR鑒定，結(jié)果見(jiàn)圖2C，全部克隆均為陰性擴(kuò)增，即已發(fā)生二次重組。

選取3號(hào)陽(yáng)性克隆用waaL基因外部引物和內(nèi)部引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，發(fā)現(xiàn)野生株、缺失株均有特異性擴(kuò)增產(chǎn)物且長(zhǎng)度與預(yù)期符合。外部引物Gm基因插入菌株的擴(kuò)增長(zhǎng)度為2989 bp，野生株擴(kuò)增長(zhǎng)度為2427 bp（圖2D）；內(nèi)部引物Gm基因插入菌株的擴(kuò)增長(zhǎng)度為1046 bp，野生株擴(kuò)增長(zhǎng)度為208 bp（圖2E）。同時(shí)經(jīng)測(cè)序比對(duì)，與設(shè)計(jì)一致，將這一缺失株命名為PAO1ΔwaaL。

圖2 銅綠假單胞菌PAO1株waaL基因缺失株的PCR鑒定

2.2 銅綠假單胞菌PAO1株及waaL基因缺失株的表型和生長(zhǎng)代謝狀況驗(yàn)證

用PCR驗(yàn)證了PAO1株waaL基因缺失之后，采用LPS銀染在菌株表型上對(duì)敲除進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果如圖3A。敲除waaL基因后，PAO1ΔwaaL無(wú)法檢測(cè)到LPS典型的梯狀條帶，表明PAO1ΔwaaL中的waaL基因O-抗原連接功能已失活，無(wú)法將OPSPa連接于脂質(zhì)A核心。進(jìn)一步對(duì)waaL缺失后的生長(zhǎng)代謝進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)對(duì)野生株和缺失株的生長(zhǎng)曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)二者的生長(zhǎng)速度和趨勢(shì)無(wú)明顯差異（圖3B）；利用API50CHB試紙條分析糖利用情況，除了甘油、核糖代謝稍有差異之外，其他糖代謝無(wú)明顯差異（圖3C，表2），表明waaL缺失對(duì)菌株生長(zhǎng)和代謝無(wú)明顯影響。

表2 API50CHB試驗(yàn)條0～9管底物

圖3 PAO1野生株和waaL基因缺失株的表型及生長(zhǎng)代謝狀況驗(yàn)證

2.3 底物蛋白的表達(dá)及糖基化驗(yàn)證

在確定waaL基因缺失成功后，我們對(duì)缺失株中的“游離”O(jiān)PSPa能否被PglL識(shí)別并催化連接于底物蛋白進(jìn)行了驗(yàn)證。將糖基工程載體分別導(dǎo)入野生株P(guān)AO1和缺失株P(guān)AO1ΔwaaL，同時(shí)以只表達(dá)底物蛋白的載體為對(duì)照,得到含有對(duì)應(yīng)質(zhì)粒的克隆（pET28a-rCTB-Tet/PAO1，pET28a-PglL-rCTB-Tet/PAO1，pET28a-rCTB-Tet/PAO1ΔwaaL，pET28a-PglL-rCTB-Tet/PAO1ΔwaaL），IPTG 誘導(dǎo)后，通過(guò)Western印跡檢測(cè)糖基化表達(dá)情況，結(jié)果如圖4。野生株和缺失株中轉(zhuǎn)入只表達(dá)底物蛋白的載體pET28a-rCTB-Tet時(shí)，均能觀察到底物蛋白rCTB的表達(dá)，相對(duì)分子質(zhì)量約為15 000。rCTB與PglL共表達(dá)時(shí)，理論上“游離”的OPSPa在PglL催化下連接于rCTB，因此相對(duì)分子質(zhì)量增加，在Western印跡上顯示為蛋白條帶向上遷移；然而，在野生株中糖基化條帶非常微弱，幾乎不可見(jiàn)（圖4A）。而當(dāng)缺失株中轉(zhuǎn)入糖基化表達(dá)載體并誘導(dǎo)表達(dá)后，與野生株條帶相比，在相對(duì)分子質(zhì)量35 000～45 000處有明顯的梯狀糖基化條帶，說(shuō)明糖基轉(zhuǎn)移酶PglL能將OPSPa轉(zhuǎn)移到載體蛋白rCTB上，產(chǎn)生了糖蛋白rCTB-OPSPa（圖4B）。與野生株相比，waaL基因的缺失使得糖基化效率顯著增加。

圖4 底物蛋白rCTB的糖基化驗(yàn)證

3 討論

Pa的LPS是其重要的毒力因子，在對(duì)常用抗生素產(chǎn)生耐藥性方面具有重要作用，LPS結(jié)構(gòu)的持續(xù)變化是Pa適應(yīng)慢性感染的關(guān)鍵因素[11]。特別的是，Pa能產(chǎn)生2種不同形式的LPS，分別稱(chēng)為A帶和B帶，二者均具有免疫原性。A帶為普通多糖抗原，普遍存在于Pa，一般是D-鼠李糖（DRhaB）的均聚物；B帶是一種血清型特異性脂多糖，可作為血清分型的依據(jù)，一般是由3～5種不同單糖組成的雜聚物。PAO1菌株的B帶為2-乙酰氨基-3-乙酰氨基-2，3-二脫氧甘露醛酸（Man［2NAc3N］a）、2，3-二乙酰氨基-D-甘露糖酸（2，3-diNAcManA）和2-乙酰氨基-2，6-二脫氧-D-半乳糖（N-乙酰巖藻糖胺；Fuc2NAc）組成的重復(fù)單元[12-13]。OPS通常被認(rèn)為是Pa的主要保護(hù)性抗原，也是細(xì)菌的主要毒力因子，因此可以作為疫苗研發(fā)的靶點(diǎn)[14]。因此，我們對(duì)PAO1的waaL基因進(jìn)行敲除，在缺失株中建立了糖基化系統(tǒng)，將其OPS連入載體蛋白，可用于后期制備Pa的多糖結(jié)合疫苗。

Pa的耐藥機(jī)制較為復(fù)雜，能夠通過(guò)多種方式對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性[15]，給臨床治療用藥的選擇帶來(lái)了困難。目前尚無(wú)安全可靠的抗Pa感染疫苗，亞單位疫苗是研究熱點(diǎn)。有研究者將純化的Pa的OPS分子與Pa外毒素A結(jié)合，合成了八價(jià)多糖結(jié)合疫苗，盡管免疫效果較好，但由于種種原因仍未能上市[14]。多糖結(jié)合疫苗已成為預(yù)防病原菌感染最有效的手段之一，因此它可能會(huì)成為抗Pa傳染的重要手段。糖基化系統(tǒng)的建立是多糖結(jié)合疫苗研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵一步[16]。本研究中，我們應(yīng)用了本實(shí)驗(yàn)室自主構(gòu)建的O-連接糖基化系統(tǒng)，得到了連接有PAO1株OPSPa的糖蛋白。糖基工程載體由PglL和CTB兩個(gè)關(guān)鍵部分組成，PglL寬松的底物特異性已在多個(gè)菌株中得到驗(yàn)證；CTB是已知的最有效的黏膜佐劑之一，具有五聚體結(jié)構(gòu)，可以為抗原提供更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有利于抗原提呈激發(fā)更有效的免疫應(yīng)答[9-10]，我們?cè)贑TB基礎(chǔ)上添加了糖基化識(shí)別位點(diǎn)，成功使其糖基化。PAO1株O-抗原連接酶waaL基因的敲除使得OPS在周間質(zhì)累積，導(dǎo)入糖基工程載體之后，由于缺少waaL的競(jìng)爭(zhēng)，“游離”的OPSPa被PglL轉(zhuǎn)移到rCTB底物蛋白上，糖基化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PAO1野生株，證明了敲除waaL基因的必要性。通過(guò)建立糖基化系統(tǒng)，我們合成了Pa糖蛋白結(jié)合物，下一步將會(huì)對(duì)糖基化產(chǎn)率以及多糖特異性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上，我們敲除了PAO1株的O-抗原連接酶基因，并在菌體內(nèi)表達(dá)了連接有OPS的糖蛋白，為后續(xù)抗體制備、菌株進(jìn)一步減毒以及其他表達(dá)驗(yàn)證做了前期準(zhǔn)備，并驗(yàn)證了O-連接糖基化系統(tǒng)可以在Pa中成功應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)寬了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。雖然尚有一些問(wèn)題需要解決，比如目前還不確定與底物蛋白結(jié)合的OPS為A帶還是B帶，以及糖蛋白結(jié)合疫苗的保護(hù)性仍待評(píng)價(jià)，但缺失株的構(gòu)建以及糖蛋白的成功表達(dá)作為Pa多糖結(jié)合疫苗的前期探索，已經(jīng)為后續(xù)糖蛋白的純化和免疫實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有極大的拓展性。