馬立婷,田忠慧,李 楊
(復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,上海 200438)
1998年Fire等[1]首次在秀麗隱桿線蟲中發(fā)現(xiàn)RNA干擾(RNA interference,RNAi)現(xiàn)象,他們發(fā)現(xiàn)向線蟲體內(nèi)注入雙鏈RNA(double-stranded RNA,dsRNA)可以抑制同源基因的表達。這種現(xiàn)象發(fā)生在轉(zhuǎn)錄之后,所以RNAi又被稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默現(xiàn)象[2]。經(jīng)過多年的研究,科學(xué)家陸續(xù)在植物、昆蟲、真菌以及哺乳動物中發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象[3-11]。RNA酶Ⅲ家族成員Dicer蛋白切割dsRNA,產(chǎn)生具有3’端2 nt懸掛末端的21~23 nt小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA),雙鏈siRNA解鏈后進入RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA-Induced Silencing C omplex,RISC)的核心蛋白Argonaute(AGO)蛋白,介導(dǎo)對同源mRNA的切割作用[12]。然而,研究發(fā)現(xiàn)向哺乳動物細(xì)胞導(dǎo)入dsRNA時,較長的dsRNA會激活干擾素反應(yīng),還可能會抑制非特異性基因的表達,產(chǎn)生脫靶效應(yīng)[13-15]。
2001年,Elbashir等[16]首次揭露體外合成的siRNA可以在人源293T細(xì)胞和He La細(xì)胞中誘導(dǎo)基因沉默。同年Caplen等[17]發(fā)現(xiàn)siRNA能夠直接在哺乳動物細(xì)胞中介導(dǎo)RNAi作用,而不會引發(fā)脫靶效應(yīng)。這些研究成果證明21~25 nt的siRNA是哺乳動物RNAi的重要中間效應(yīng)因子,因此開發(fā)出高效的siRNA遞送系統(tǒng)是促進RNAi技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
隨著siRNA遞送系統(tǒng)不斷發(fā)展,如何將siRNA安全高效地導(dǎo)入靶細(xì)胞依然是該項技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵[18-19]。病毒載體具有感染效率高、感染對象廣泛等優(yōu)點,因此常作為核酸運載工具介導(dǎo)體內(nèi)或者體外基因沉默[20-22]。常用的病毒載體類型包括逆轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒、腺相關(guān)病毒、慢病毒。逆轉(zhuǎn)錄病毒具有宿主范圍廣泛、持續(xù)表達外源基因、轉(zhuǎn)染效率高等優(yōu)勢,但是它不能感染非分裂的細(xì)胞,且轉(zhuǎn)移基因片段的容量較小[23];腺病毒宿主范圍廣,表達效率高,但是存在很大的免疫原性問題,注射到機體后很快會被免疫系統(tǒng)識別并清除[24];腺相關(guān)病毒介導(dǎo)的外源基因可以持續(xù)穩(wěn)定表達,但是病毒包裝容量小,且純化和給藥方式仍需改進[25];慢病毒能夠感染分裂細(xì)胞及非分裂細(xì)胞,轉(zhuǎn)移基因片段的容量較大,但是存在生物安全性和包裝效率低等問題[26]。DNA病毒在復(fù)制過程中能夠?qū)⑼庠椿螂S機整合到宿主的基因組內(nèi),存在引起癌變的風(fēng)險[26],相比之下RNA病毒風(fēng)險較小[27],這使得RNA病毒載體在應(yīng)用上具有更大的潛力。
野田村病毒(Nodamura Virus,No V)是Nodaviridae家族的成員,其基因組由兩條正鏈RNA組成:RNA1編碼病毒RNA依賴的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA Polymerase,Rd RP)的重要催化亞基蛋白A,RNA2編碼衣殼蛋白前體。在病毒復(fù)制過程中,RNA1可以轉(zhuǎn)錄出亞基因組RNA3,其編碼非結(jié)構(gòu)蛋白B1和B2[28]。No V能夠感染庫蚊、乳鼠、豬等動物,是目前同屬病毒中唯一在自然狀態(tài)下既能感染昆蟲又能感染哺乳動物的病毒[29-31]。No V基因組結(jié)構(gòu)簡單,易于進行反向遺傳學(xué)操作,感染的宿主范圍廣,現(xiàn)已作為良好的病毒工具被廣泛應(yīng)用于各種研究[32-35]。
研究表明No V感染鼠源BHK-21細(xì)胞時不引起細(xì)胞病變[36-37],向BHK-21細(xì)胞中轉(zhuǎn)染RNA1和RNA2即可獲得No V病毒粒子[35,38]。前期實驗證明當(dāng)向乳鼠腹腔注射野生型No V時,乳鼠在5天后全部死亡,而注射B2缺陷型野田村病毒(No V(ΔB2))后,乳鼠一直保持健康狀態(tài),而且No V(ΔB2)感染的BHK-21細(xì)胞和乳鼠中可以檢測到大量病毒來源的siRNAs(virus-derived siRNAs,vsiRNAs),這些vsiRNAs可以結(jié)合AGO蛋白切割同源病毒基因,從而使No V(ΔB2)被快速清除[39-40]?;谇捌趯嶒灲Y(jié)果,本實驗旨在以No V(ΔB2)作為病毒載體,攜帶目的基因片段,產(chǎn)生靶向目的基因的siRNA從而抑制其表達。
本研究以EGFP為靶基因,結(jié)合病毒基因組的大小,考慮到病毒包裝容量等因素,因此選擇EGFP的部分基因片段作為嘗試,將EGFP基因5'端不包含起始密碼子的214 bp片段(E214)作為目的基因片段包裝入病毒載體中,從而構(gòu)建出以No V(ΔB2)為載體的siRNA遞送系統(tǒng),并通過深度測序證明該系統(tǒng)能在哺乳動物體內(nèi)產(chǎn)生靶向EGFP的siRNA。
1.1.1 細(xì)胞
本研究使用的細(xì)胞BHK-No V_B2,BHK-Ebola_VP35由本實驗室保存,使用高糖DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng),添加10%胎牛血清(FBS)及1%的青霉素-鏈霉素雙抗,于5%CO2,37℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)。
1.1.2 試劑
實驗中所用抗體均由本實驗室保存,大腸桿菌E.coliTrans5α感受態(tài)細(xì)胞購自Trangene公司,Ifnar1/2雙缺陷型C57BL/6鼠(AG6)由中國科學(xué)院上海巴斯德研究所冷啟彬教授饋贈,高保真PCR聚合酶,反轉(zhuǎn)錄試劑,熒光定量試劑,同源重組試劑均購自南京諾唯贊生物科技有限公司;TransIT?-mRNA Transfection Kit購于Mirus公司;Vaccinia Capping System,NheⅠ-HF酶購于New England Biolabs公司。
1.2.1 p MT-RNA1-E214及p MT-RNA1(ΔB2)-E214重組載體的構(gòu)建
No V(ΔB2)是通過將RNA1的P2745、P2754、P2757三處進行點突變得到的B2蛋白表達缺陷型病毒,其突變位點不影響重組載體構(gòu)建。將E214基因片段構(gòu)建至RNA1的序列末端(圖1)。
圖1 重組質(zhì)粒構(gòu)建Fig.1 Construction of recombinant plasmid
通過PCR法在p MT-RNA1和p MT-RNA1(ΔB2)的序列末端引入NheⅠ酶切位點(圖1(a),引物序列見表1中p MT-No V_RNA1-NheⅠ-F和p MT-No V_RNA1-NheⅠ-R);通過PCR法擴增得到E214片段(圖1(b),引物序列見表1中EGFP-F和EGFP-R);將NheⅠ酶切線性化的載體與E214片段同源重組構(gòu)建出p MT-RNA1-E214及p MT-RNA1(ΔB2)-E214重組質(zhì)粒。
表1 PCR引物Tab.1 Primers for PCR
1.2.2 體外轉(zhuǎn)錄獲得RNA1-E214、RNA1(ΔB2)-E214以及RNA2
通過PCR法,以p MT-RNA1-E214,p MT-RNA1(ΔB2)-E214,p MT-RNA2為模板,擴增得到含有T7啟動子序列的DNA片段T7-RNA1-E214,T7-RNA1(ΔB2)-E214,T7-RNA2(引物序列見表1中T7-No V_RNA1-F和T7-No V_RNA1-R;T7-No V_RNA2-F和T7-No V_RNA2-R),以上述DNA片段為體外轉(zhuǎn)錄模板,使用Invitrogen公司的MEGAscript?Kit進行體外轉(zhuǎn)錄和純化(方法見產(chǎn)品說明書),使用New England Bio Labs公司的Vaccinia Capping System對體外轉(zhuǎn)錄得到的RNA進行加帽(方法見產(chǎn)品說明書)得到重組病毒的基因組RNA:RNA1-E214,RNA1(ΔB2)-E214以及RNA2。
1.2.3 RNA轉(zhuǎn)染
提前18~24 h鋪細(xì)胞于六孔板,實驗方法見試劑(TransIT?-m RNA Transfection Kit)說明書。
1.2.4 反轉(zhuǎn)錄和熒光定量PCR檢測病毒核酸水平
使用TRIzol法提取樣品總RNA,取1μg RNA使用Vazyme公司的HiScript?Ⅲ1st Strand cDNA Synthesis Kit進行反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,將cDNA稀釋并使用ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix進行qPCR檢測,使用基因特異性引物進行擴增,以Actin基因作為內(nèi)參,引物序列見表2。
表2 熒光定量引物Tab.2 Primers for fluorescent quantitative
1.2.5 Western blot
用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測相關(guān)蛋白表達,轉(zhuǎn)膜,封閉,加入一抗,二抗,結(jié)束后加入顯影液,用Bio-Rad凝膠成像系統(tǒng)進行顯影。
1.2.6 在BHK-No V_B2細(xì)胞,BHK-Ebola_VP35細(xì)胞中包裝重組病毒
(1) 向細(xì)胞轉(zhuǎn)染1μg RNA1-E214/RNA1(ΔB2)-E214和2μg RNA2,轉(zhuǎn)染8 h后補加3 m L完全培養(yǎng)基,置于30℃,5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。4 d后收樣,樣品記為第1代。
(2)Western blot檢測第1代樣品中Rd RP,Capsid,B2蛋白表達情況。
(3) 將第1代樣品提取的總RNA再次轉(zhuǎn)染細(xì)胞進行病毒包裝,4 d后收樣,樣品記為第2代。
(4) 重復(fù)RNA提取和轉(zhuǎn)染,直到Western blot檢測到明顯的Rd RP,Capsid,B2蛋白表達為止。
(5) 對相應(yīng)代數(shù)的總RNA樣品進行RT-PCR,通過設(shè)計B2-E214上下游附近引物對E214片段進行檢測(序列見表1中No V_B2-E214-F和No V_B2-E214-R),TA克隆測序驗證重組序列。
1.2.7 小鼠感染重組病毒,方法及劑量參考前期實驗結(jié)果[35]
(1) 收集含包裝好的重組病毒的細(xì)胞培養(yǎng)液,凍融3次,12 000g離心10 min取上清病毒液。
(2) 通過腹腔注射,將50μL病毒液(含7×106拷貝的No V RNA1)的注射到7日齡AG6乳鼠中。
(3) 觀察小鼠狀態(tài),取后腿肌肉組織,TRIzol法提取RNA和蛋白質(zhì)。
(4)Western blot檢測病毒蛋白表達情況;RT-qPCR對病毒基因組進行定量,引物序列見表2;RTPCR檢測E214重組情況。
用限制性內(nèi)切酶NheⅠ酶切質(zhì)粒p MT-RNA1和p MT-RNA1(ΔB2),并通過瓊脂糖凝膠電泳鑒定酶切產(chǎn)物(圖2(a)),PCR擴增產(chǎn)物E214(圖2(b))。通過將上述DNA片段進行同源重組得到質(zhì)粒p MTNo V_RNA1-E214,p MT-No V_RNA1(ΔB2)-E214質(zhì)粒。重組質(zhì)粒經(jīng)測序確認(rèn)正確。
圖2 重組片段鑒定Fig.2 Identification of recombinant fragments
p MT-No V_RNA1-E214,p MT-No V_RNA1(ΔB2)-E214,p MT-No V_RNA2經(jīng)過PCR、體外轉(zhuǎn)錄、RNA純化、加帽修飾、RNA純化得到基因組RNA1-E214,RNA1(ΔB2)-E214以及RNA2。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳(圖3)檢測,轉(zhuǎn)錄出的RNA在每一個過程中均保持完整未降解。
圖3 體外轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物鑒定Fig.3 Identification of in-vitro transcripts
將體外轉(zhuǎn)錄加帽后得到的RNA1(ΔB2)-E214和RNA2,RNA1-E214和RNA2共轉(zhuǎn)染到穩(wěn)定表達No V-B2蛋白的BHK細(xì)胞系(BHK-No V_B2細(xì)胞)中,進行兩輪擴增得到重組病毒(No V(ΔB2)-E214-FB2和No V-E214-FB2),均檢測到了No V的RdRp,Capsid蛋白,以及細(xì)胞穩(wěn)定表達的B2蛋白,拯救RNA1-E214和RNA2的細(xì)胞中還檢測到了B2-E214融合蛋白(圖4)。上述實驗結(jié)果表明在BHK-No V_B2細(xì)胞中成功拯救重組病毒。
圖4 在BHK-No V_B2細(xì)胞中拯救No V(ΔB2)-E214-FB2和No V-E214-FB2Fig.4 Rescue of No V(ΔB2)-E214-FB2 and No V-E214-FB2 in BHK-No V_B2 cells Western blot檢測NoV的RdRp,Capsid,B2蛋白表達情況.
將BHK-No V_B2細(xì)胞第2輪拯救出的No V(ΔB2)-E214-FB2培養(yǎng)上清液腹腔注射到AG6鼠中,兩只鼠均第4天死亡,在其后腿肌肉組織中檢測到Rd Rp,Capsid蛋白,但同時還檢測出No V(ΔB2)-E214-FB2無法表達的B2蛋白(圖5(a)),這些野生型B2可能來自于細(xì)胞源的B2 mRNA和重組病毒發(fā)生了重組所致。同樣將BHK-No V_B2細(xì)胞第2輪拯救出的No V-E214-FB2培養(yǎng)上清液腹腔注射到AG6鼠中,分別在第2天和第5天取樣,第2天檢測到微弱的B2-E214表達;第5天檢測到RdRp,Capsid以及B2-E214重組蛋白,同時檢測到缺失了E214片段的B2蛋白(圖5(b))。
圖5 AG6乳鼠注射BHK-No V_B2細(xì)胞來源重組病毒的蛋白水平Fig.5 Protein level of AG6 suckling mice injected with recombinant virus from BHK-No V_B2 cell
為了防止病毒通過重組細(xì)胞來源的B2 m RNA而恢復(fù)成野生型病毒,我們將RNA1(ΔB2)-E214和RNA2轉(zhuǎn)染到穩(wěn)定表達Ebola_VP35蛋白的BHK細(xì)胞系(BHK-Ebola_VP35)中,做兩個重復(fù)組(#1和#2),直到第3輪擴增之后才檢測到Rd Rp,Capsid蛋白,并且沒有檢測到B2蛋白(圖6,見第632頁)。將第3輪擴增No V(ΔB2)-E214-FVP35的BHK-Ebola_VP35細(xì)胞培養(yǎng)上清液腹腔注射到7日齡AG6乳鼠中,分別于第2,3,5,6,7天取乳鼠后腿肌肉樣本,然后對后腿肌肉組織中No V基因組RNA1進行熒光定量檢測,結(jié)果顯示乳鼠在接毒后第2天后有較高的病毒積累量,第3,5,6,7天檢測到的病毒積累量較低(圖7,見第632頁)。因為該重組病毒為B2缺陷型病毒,當(dāng)去除病毒的抑制蛋白B2時,小鼠體內(nèi)的抗病毒RNAi系統(tǒng)會將病毒逐步清除,因此后續(xù)病毒積累量較低。
圖6 在BHK-Ebola_VP35細(xì)胞中拯救No V(ΔB2)-E214-FVP35Fig.6 Rescue of No V(ΔB2)-E214-FVP35 in BHK-Ebola_VP35 cells Western blot檢測No V的RdRp,Capsid,B2蛋白表達情況。
圖7 AG6鼠注射No V(ΔB2)-E214-FVP35(BHKEbola_VP35細(xì)胞來源)的熒光定量結(jié)果Fig.7 RT-qPCR results of AG6 suckling mice injected with No V(ΔB2)-E214-FVP35
前面實驗結(jié)果已經(jīng)確定了重組病毒的病毒感染情況,我們對感染重組病毒No V(ΔB2)-E214-FVP35第2天的乳鼠肌肉組織樣品進行小RNAs深度測序。經(jīng)生物信息學(xué)分析,后腿肌肉樣品的總siRNA分布符合標(biāo)準(zhǔn)特征(圖8(a),見第632頁),vsiRNA具有22 nt長度富集且正負(fù)鏈來源的vsiRNAs的數(shù)量接近(圖8(b)),將21~23 nt的vsiRNA匹配到病毒基因組后,我們發(fā)現(xiàn)E214片段可以產(chǎn)生vsiRNA(圖8(c)),經(jīng)分析靶向EGFP的vsiRNA占總21~23 nt vsiRNA的15.19%。以上結(jié)果表明,重組病毒No V(ΔB2)-E214-FVP35感染乳鼠能夠檢測到vsiRNA,且含有匹配到外源E214片段的vsiRNA。
圖8 感染No V(ΔB2)-E214-FVP35的AG6乳鼠后腿組織中sRNAs的特征Fig.8 Characteristics of sRNAs in hind leg tissue of AG6 suckling mice infected with No V(ΔB2)-E214-FVP35
在E214基因片段的上下游設(shè)計引物,對細(xì)胞和乳鼠組織樣品進行RT-PCR,選取PCR產(chǎn)物進行TA克隆,判斷E214重組情況。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測,BHK-NoV_B2細(xì)胞拯救的重組病毒NoV-E214-FB2第1代和第2代均含有完整的E214片段(圖9(a),泳道6~7),感染對應(yīng)病毒的AG6乳鼠,第2天的樣品含有完整的E214片段(圖9(b),泳道1),但是第5天出現(xiàn)了不同程度的缺失(圖9(b),泳道2)。BHK-Ebola_VP35細(xì)胞拯救的No V(ΔB2)-E214-FVP35重組病毒在細(xì)胞水平未出現(xiàn)片段缺失(圖9(a),泳道3~5),AG6乳鼠僅在接毒后第2天檢測到E214片段(圖9(b),泳道3),第3~7天均未檢測到明顯片段(圖9(b),泳道4~7)。我們將上述出現(xiàn)片段缺失的樣品(圖9(b)中的泳道1,2對應(yīng)的樣品)進行TA克隆后測序,發(fā)現(xiàn)片段缺失的區(qū)域集中在E214片段以及插入位點的上游(圖9(c))。感染小鼠組織中檢測到NoV重組病毒在插入位點附近產(chǎn)生的缺失現(xiàn)象可能是病毒具有某種自我修復(fù)機制,控制著病毒的結(jié)構(gòu)和基因組的長度。
圖9 重組病毒No V(ΔB2)-E214-FVP35和No V-E214-FB2的重組片段完整性的檢測Fig.9 Detection of the integrity of No V(ΔB2)-E214-FVP35 and No V-E214-FB2
目前RNAi逐漸發(fā)展為一項成熟的基因沉默技術(shù),在植物、昆蟲中能產(chǎn)生序列特異性的RNAi抑制現(xiàn)象[1,11],然而在哺乳動物中dsRNA雖然能誘發(fā)RNAi,但是它還能通過啟動干擾素、蛋白激酶R等途徑非特異性關(guān)閉蛋白表達甚至導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[41-43]。2001年Elbashir等[16]通過直接轉(zhuǎn)染siRNA成功抑制目的基因的表達,自此siRNA成為哺乳動物中應(yīng)用最廣泛的RNAi效應(yīng)物。目前常用的病毒載體包裝操作復(fù)雜且存在潛在的致癌風(fēng)險,現(xiàn)有的siRNA遞送技術(shù)仍然不夠成熟。
野田村病毒屬的病毒基因組簡單且感染宿主類型多樣,被廣泛用于病毒相關(guān)的研究,其中具有代表性的是Flock House Virus(FHV),FHV可以作為載體在植物、昆蟲等細(xì)胞中表達外源基因:Dasgupta等[44-45]成功以FHV基因組為載體,在果蠅細(xì)胞和成年蚊子中表達GFP,證明了基于FHV的載體在蚊子和其他昆蟲中表達外源基因的潛力,Taning等[46]發(fā)現(xiàn)在FHV基因組中插入外源序列可在受感染的細(xì)胞中產(chǎn)生特異性的RNAi效應(yīng)。由于FHV不能感染哺乳動物,而No V是同屬病毒中唯一能夠感染哺乳動物的病毒[30],因此我們選用No V作為siRNA遞送系統(tǒng)的病毒載體。前期結(jié)果表明No V(ΔB2)病毒感染新生乳鼠時,在乳鼠體內(nèi)可以產(chǎn)生大量的vsiRNAs,這些vsiRNAs進入AGO蛋白,可以特異性抑制同源病毒復(fù)制[35,40]。目前重組外源基因的No V拯救實驗還未見報道,本研究構(gòu)建了以No V、No V(ΔB2)為載體的新型siRNA呈遞系統(tǒng),在BHK-No V_B2和BHK-Ebola_VP35細(xì)胞中成功拯救出重組病毒No VE214和No V(ΔB2)-E214,且重組病毒能夠有效感染AG6乳鼠;在感染No V(ΔB2)-E214-FVP35的AG6乳鼠肌肉組織中可以檢測到匹配到外源E214片段上的vsiRNA,證明該系統(tǒng)具有特異性抑制目的基因表達的良好潛力。
在我們初期的實驗中,從穩(wěn)定表達B2抑制子的細(xì)胞中成功拯救出No V-E214-FB2和No V(ΔB2)-E214-FB2重組病毒,但是在感染乳鼠后都能檢測到野生型的B2蛋白,這些野生型B2可能來自于細(xì)胞源的B2 m RNA和重組病毒發(fā)生了重組所致,這種恢復(fù)突變往往會對后續(xù)試驗造成影響。該現(xiàn)象可以通過表達異源的抑制子蛋白得到改善。確實,當(dāng)我們在穩(wěn)定表達異源抑制子蛋白VP35蛋白的細(xì)胞中拯救No V(ΔB2)-E214-FVP35重組病毒成功后,沒有檢測出野生型的B2蛋白,說明異源抑制子的拯救系統(tǒng)是合理可行的。野生型病毒中插入異源RNA片段,會對病毒本身的一些基因組二級結(jié)構(gòu)或者功能造成某些影響,病毒會在復(fù)制過程中進行一定的自我修復(fù)。我們的實驗結(jié)果也證實了這一點,從感染小鼠組織中可以檢測到重組的No V病毒在插入位點附近產(chǎn)生了一定的缺失現(xiàn)象,這種缺失會影響到插入外源片段的完整性,從而造成產(chǎn)生目的siRNA的豐度變低。那么在野生型No V病毒中插入異源片段的大小和位置都需要進行大量的嘗試,最終找到一些最優(yōu)的插入位點和適合的插入長度范圍,最大程度提高外源siRNA的遞送能力。另外,No V病毒本身的一些生物學(xué)特征也需要進一步了解,比如病毒特異性感染的組織,感染效率等,這些都會影響到遞送載體的靶向性和效率。