歐宇達(dá),李曉晗,陳婧,趙炳樞,陳健芃,毛玎懿,周江飛,周斌
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210095)
日本腦炎病毒(Japanese encephalitis virus,JEV)屬于黃病毒科(Flaviviridae)黃病毒屬(Flavivirus),是一種單股正鏈RNA病毒[1-2]。由JEV感染引起的日本腦炎是一種蚊媒嗜神經(jīng)性人獸共患病毒性傳染病,嚴(yán)重危害畜牧養(yǎng)殖業(yè)和公共衛(wèi)生安全[3]。研究JEV與宿主的互作,有助于發(fā)掘新的抗病毒靶點(diǎn),為研發(fā)有效的抗病毒藥物提供理論基礎(chǔ)。m6A甲基化(N6-methyladenosine)是RNA中腺嘌呤6號(hào)碳原子發(fā)生甲基化修飾,是真核生物mRNA上最重要的表觀(guān)遺傳修飾方式之一,參與調(diào)控mRNA的轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、降解等過(guò)程,在真核生物的生長(zhǎng)、代謝、生殖、疾病發(fā)生發(fā)展等多種生理或病理過(guò)程中起著重要的作用[4]。m6A甲基化修飾是個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的過(guò)程,主要由其相關(guān)蛋白家族如甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(methyltransferase-like protein 3,METTL3),甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白14(methyltransferase-like protein 14,METTL14),去甲基化酶肥胖和脂肪相關(guān)蛋白(fat mass and obesity-associated,F(xiàn)TO),結(jié)合蛋白如YTF家族蛋白(YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3)等發(fā)揮各自的功能而共同完成[5-10]。近年來(lái),關(guān)于m6A及其相關(guān)蛋白影響病毒-宿主互作的研究屢有報(bào)道,它們可通過(guò)對(duì)病毒基因組的修飾直接影響病毒的生命周期,或者通過(guò)調(diào)控宿主免疫、代謝等途徑等間接影響病毒復(fù)制,提示m6A是調(diào)節(jié)抗病毒免疫的潛在靶點(diǎn)。
目前已發(fā)現(xiàn)黃病毒科、黃病毒屬的一些成員如寨卡病毒(Zika virus,ZIKV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)的感染與m6A及其相關(guān)蛋白具有關(guān)聯(lián)性,m6A通過(guò)不相同的機(jī)制,調(diào)控它們的復(fù)制[11-12]。然而對(duì)于JEV是否受到m6A調(diào)控,目前暫未有研究報(bào)道。因此,本研究選擇JEV的易感動(dòng)物C57BL/6小鼠作為體內(nèi)模型,易感細(xì)胞BHK-21作為體外模型,通過(guò)m6A水平檢測(cè)、Western blot、激光共聚焦等試驗(yàn)探究JEV感染在體內(nèi)外兩個(gè)層面的m6A水平的變化及其主要相關(guān)蛋白的表達(dá)水平和亞細(xì)胞定位的變化,對(duì)JEV的感染與m6A的關(guān)系進(jìn)行初步探究,為后續(xù)進(jìn)一步研究m6A對(duì)JEV感染的調(diào)控及其相關(guān)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
乳倉(cāng)鼠腎細(xì)胞(BHK-21)和JEV NJ2008株(GenBank序列號(hào):GQ918133)由本實(shí)驗(yàn)室保存。3周齡SPF級(jí)雌性C57BL/6小鼠購(gòu)自南京青龍山動(dòng)物繁殖場(chǎng)。
鼠源JEV-NS5單克隆抗體由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)曹勝波教授惠贈(zèng);兔源METTL3(15073-1-AP)、METTL14(26158-1-AP)、FTO(27226-1-AP)、YTHDF1(17479-1-AP)、YTHDF2(24744-1-AP)、YTHDF3(25537-1-AP)多克隆抗體購(gòu)自Proteintech公司。
高糖DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清(FBS)、青鏈霉素購(gòu)自Gibco公司;預(yù)染蛋白Marker購(gòu)自南京諾唯贊生物科技股份有限公司;鼠源β-actin單抗,羊抗鼠、羊抗兔IgG HRP,購(gòu)自Santa Cruz公司;TRIzol購(gòu)自TaKaRa公司;羊抗兔 IgG H&L(Alexa Fluor 488)、羊抗鼠IgG H&L(Alexa Fluor 594)購(gòu)自Proteintech公司;EvaGreen 2×qPCR MasterMix、5×All-In-One RT Master Mix快速反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自南京愛(ài)必夢(mèng)生物材料有限公司;增強(qiáng)型ECL化學(xué)發(fā)光檢測(cè)試劑盒購(gòu)自Biosharp公司;AR級(jí)純度化學(xué)試劑購(gòu)自南京壽德試驗(yàn)器材有限公司;RIPA 細(xì)胞裂解液購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;DAPI染色液購(gòu)自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;EpiQuikTMm6A RNA甲基化定量比色法檢測(cè)試劑盒(P-9005)購(gòu)自EpiGentek公司。
A. 生存曲線(xiàn);B.感染第9天;C.感染第13天;D.感染第14天。***表示腎組織與腦組織比較差異極顯著(P<0.001)。
將BHK-21細(xì)胞傳代后均勻鋪至35 mm細(xì)胞碟皿進(jìn)行培養(yǎng),待細(xì)胞密度長(zhǎng)至80%左右時(shí),接種稀釋好的JEV病毒液,感染復(fù)數(shù)(MOI)=0.1,孵育1.5 h后棄去病毒液,用含有2% FBS的DMEM培養(yǎng)基維持,繼續(xù)培養(yǎng)相應(yīng)的時(shí)間,收取樣本用于后續(xù)試驗(yàn)。若收樣用于m6A水平檢測(cè),則提取RNA;若收樣用于Western blot,則提取總蛋白,將35 mm細(xì)胞碟皿棄上清液,用預(yù)冷的1×PBS清洗后加入RIPA裂解液,置于4 ℃搖床孵育30 min,于冰浴中用細(xì)胞刮子刮下殘留團(tuán)塊,將液體轉(zhuǎn)移到離心管,以4 ℃,12 000 r/min離心10 min,棄沉淀,將上清液轉(zhuǎn)移到新的離心管,測(cè)定蛋白濃度,按體積比1∶5的比例加入5×SDS Loading buffer,待上樣用。上樣時(shí)根據(jù)每個(gè)樣品蛋白濃度加入不同體積樣品,以調(diào)齊蛋白上樣量(統(tǒng)一為30 μg)。
將同批次小鼠分別設(shè)置對(duì)照組10只和JEV攻毒組10只,隨機(jī)分籠飼養(yǎng)。為了使腹腔注射的病毒能較完全地進(jìn)入血腦屏障,攻毒前將所有小鼠用微量注射器進(jìn)行破腦處理,并緩慢注射50 μL無(wú)菌1×PBS以保證破腦成功,待小鼠狀態(tài)恢復(fù)后開(kāi)始攻毒。攻毒組每只小鼠腹腔注射稀釋好2×104PFU(0.2 mL毒價(jià)為105PFU/mL的病毒液)的JEV病毒,對(duì)照組腹腔注射等量無(wú)菌1×PBS。每日觀(guān)察小鼠生命體征和精神狀態(tài),攻毒組每次有小鼠出現(xiàn)JEV感染典型癥狀(拒食、離群、精神沉郁、共濟(jì)失調(diào)、顫抖)后,抽取等量同日對(duì)照組小鼠,一同斷頸處死后剖取腦、脾和腎等臟器,迅速凍存于液氮中,待后續(xù)試驗(yàn)取用。若樣本用于m6A水平檢測(cè)或熒光定量PCR(RT-qPCR),則將樣品各切取0.1 g,在冰浴中加入RIPA充分研磨后,在4 ℃、12 000 r/min的條件下離心2 min,棄沉淀將研磨液轉(zhuǎn)至離心管,進(jìn)行RNA的提??;若樣本用于Western blot,則提取總蛋白,加入RIPA裂解液充分研磨,于4 ℃搖床孵育30 min,孵育后每個(gè)樣品超聲破碎10 min,再以4 ℃、12 000 r/min離心10 min,將上清液轉(zhuǎn)移到新的離心管,測(cè)定蛋白濃度,按1∶5比例加入5×SDS Loading buffer,待上樣用。上樣時(shí)根據(jù)每個(gè)樣品蛋白濃度加入不同體積樣品,以調(diào)齊蛋白上樣量(統(tǒng)一為30 μg)。
用TRIzol試劑抽提總RNA,根據(jù)5×All-In-One MasterMix快速反轉(zhuǎn)錄試劑盒配制反轉(zhuǎn)錄體系。體系1:將4 μL提取的RNA和2 μL 4×AccuRT Reaction Mix加入PCR管中,總體系為6 μL,混勻、瞬離,室溫靜置5 min。體系2:將2 μL 5×Accurt Reaction Stopper、4 μL 5×All-In-One RT Master Mix以及6 μL DEPC水同時(shí)加入PCR管中,總體系為12 μL,混勻、瞬離。將體系2與體系1混勻、瞬離。置于PCR儀中進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,反轉(zhuǎn)錄程序:25 ℃ 10 min,42 ℃ 15 min,85 ℃ 5 min(35個(gè)循環(huán))。
選取1.4中每個(gè)發(fā)病日同一只發(fā)病小鼠的腦、脾和腎,各臟器切取等質(zhì)量的3份(均為0.1 g),進(jìn)行樣本處理、RNA的提取和反轉(zhuǎn)錄。設(shè)計(jì)qPCR引物序列,由南京金斯瑞生物科技有限公司合成引物。本研究所使用的引物序列如表1所示。根據(jù)EvaGreen試劑盒說(shuō)明書(shū)配制反應(yīng)體系,設(shè)置qPCR反應(yīng)程序。根據(jù)qPCR試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較各臟器中病毒載量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用相對(duì)定量法進(jìn)行分析,每組數(shù)據(jù)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。將試驗(yàn)得到的JEV的目的基因Ct值與自身內(nèi)參(GAPDH)Ct值相減得到每一組的ΔCt,再將試驗(yàn)組ΔCt與對(duì)照組ΔCt相減可得ΔCt,2-ΔCt表示目的基因表達(dá)水平與對(duì)照組的倍數(shù)差異。
表1 RT-qPCR引物序列
按照1.3的方法在35 mm細(xì)胞碟皿鋪細(xì)胞,同時(shí)設(shè)置對(duì)照組,感染JEV 24 h后,收集和處理樣品,提取RNA;切取1.4中第1個(gè)發(fā)病日(第9天)的感染小鼠和對(duì)照小鼠的腦、腎,處理樣品,將上述樣品提取RNA。按照EpiQuikTMm6A RNA Methylation Quantification Kit說(shuō)明書(shū)中的具體步驟檢測(cè)樣本中m6A水平。
選取1.2中第1個(gè)發(fā)病日(第9天)的JEV感染小鼠和對(duì)照小鼠的腦、腎切取等質(zhì)量(0.1 g)樣品,收取35 mm中細(xì)胞碟皿中JEV(MOI=0.1)感染0、6、12、24和36 h的細(xì)胞樣品,按照1.3和1.4中的方法提取總蛋白。通過(guò)Western blot檢測(cè)組織和細(xì)胞中m6A相關(guān)蛋白水平,以β-actin為內(nèi)參蛋白。
將BHK-21細(xì)胞均勻鋪于共聚焦小皿,待細(xì)胞匯合度為90%左右,感染JEV(MOI=0.1)24 h,設(shè)對(duì)照組和感染組。感染24 h后,收獲細(xì)胞樣本,用4%多聚甲醛室溫固定15 min,并用0.1% Triton X-100室溫透膜處理,然后各組使用METTL3、METTL14、FTO、YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3和JEV NS5抗體4 ℃孵育過(guò)夜,并通過(guò)FITC和TRITC標(biāo)記的熒光二抗染色,使用DAPI染核,使用共聚焦顯微鏡觀(guān)察蛋白在胞內(nèi)的定位分布。
使用GraphPad Prism 8軟件分析,用t檢驗(yàn)方法比較對(duì)照組和試驗(yàn)組中的數(shù)據(jù),各試驗(yàn)均獨(dú)立重復(fù)3次。所有數(shù)據(jù)均表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。
初步建立了JEV感染的C57BL/6小鼠模型,攻毒組部分小鼠分別于攻毒后的第9、13和14 天開(kāi)始出現(xiàn)感染癥狀,第15天后未出現(xiàn)發(fā)病小鼠,最終存活率為30%(圖1A)。每個(gè)發(fā)病日選取同一只發(fā)病鼠的腦、脾和腎3種JEV靶器官,各器官切取等質(zhì)量的3份(均為0.1 g)提取RNA進(jìn)行RT-qPCR。檢測(cè)各器官中病毒載量,以JEV在小鼠中組織嗜性最強(qiáng)的靶器官腦為參照,對(duì)3種器官的病毒載量進(jìn)行比較。結(jié)果顯示,3個(gè)發(fā)病日的樣品中,均只在腦和腎中檢出有病毒,且腦中的病毒載量極顯著高于腎(P<0.001),而脾臟中始終未檢出病毒(圖1B、1C、1D)。因此采用腦和腎進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
采取同一個(gè)發(fā)病日的對(duì)照小鼠和發(fā)病小鼠的腦和腎以及感染JEV(MOI=0.1)的BHK-21細(xì)胞,分別提取RNA并檢測(cè)總體m6A水平。結(jié)果顯示,與對(duì)照組小鼠相比,攻毒組小鼠的腦、腎中帶有m6A修飾的RNA占總RNA的比例極顯著升高(P<0.01,圖2A、2B);同樣地,感染JEV的BHK-21細(xì)胞和未感染細(xì)胞相比,m6A修飾的RNA占比也極顯著升高(P<0.01,圖2C)。結(jié)果說(shuō)明,JEV感染能使小鼠腦、腎以及BHK-21細(xì)胞總體m6A水平上升,推測(cè)JEV的感染可能通過(guò)m6A水平的上升來(lái)觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的某些生物學(xué)變化,這些變化與JEV的感染具有關(guān)聯(lián)性。
**表示差異極顯著(P<0.01)。
通過(guò)Western blot檢測(cè)同一個(gè)發(fā)病日(第9天)的JEV感染小鼠和對(duì)照小鼠腦、腎中METTL3、METTL14、FTO、YTHDF1、YTHDF2和YTHDF3蛋白表達(dá)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,在感染JEV小鼠的腦和腎中,METTL3表達(dá)均顯著增加,且腦中該蛋白與對(duì)照組相比的上升幅度遠(yuǎn)大于腎,而其他蛋白未發(fā)生明顯變化(圖3A)。隨著時(shí)間點(diǎn)的推移,感染JEV(MOI=0.1)的BHK-21細(xì)胞中METTL3表達(dá)量逐漸增加,而其他蛋白未呈現(xiàn)出明顯的或有規(guī)律的變化趨勢(shì)(圖3B、3C)。以上結(jié)果說(shuō)明,JEV感染促進(jìn)了C57BL/6小鼠腦、腎以及BHK-21細(xì)胞中METTL3的表達(dá)。
圖3 JEV感染后小鼠腦、腎(A)和BHK-21細(xì)胞(B)中m6A相關(guān)蛋白的變化
將JEV(MOI=0.1)感染BHK-21細(xì)胞24 h,用共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察。結(jié)果顯示,對(duì)照組細(xì)胞中的METTL3、METTL14、FTO基本分布在細(xì)胞核中,YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3基本分布在細(xì)胞質(zhì)中,而感染JEV后METTL3、METTL14的亞細(xì)胞定位發(fā)生了明顯的改變,從核中往外彌散到細(xì)胞質(zhì),與JEV的NS5蛋白共存于細(xì)胞質(zhì)中(圖4A、4B),但其他蛋白的亞細(xì)胞定位未出現(xiàn)明顯變化(圖4C、4D、4E和4F)。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明JEV具備“招募”甲基轉(zhuǎn)移酶并改變其亞細(xì)胞定位的能力,這樣更多的METTL3和METTL14蛋白出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中,然后與JEV產(chǎn)生某些聯(lián)系,調(diào)控其復(fù)制。
圖4 JEV感染后BHK-21細(xì)胞中m6A相關(guān)蛋白的亞細(xì)胞定位(標(biāo)尺=10 μm)
以JEV、ZIKV、HCV、登革病毒(DENV)、西尼羅河病毒(WNV)和黃熱病毒(YFV)為代表的黃病毒嚴(yán)重危害人類(lèi)和動(dòng)物健康[13],揭示病毒與宿主互作關(guān)系是不斷提升病毒病診斷與防治技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來(lái),學(xué)者們填補(bǔ)了m6A甲基化在黃病毒中作用研究的空白,m6A對(duì)ZIKV和HCV的負(fù)向調(diào)控作用被發(fā)現(xiàn),其通過(guò)加速病毒RNA轉(zhuǎn)錄本的降解抑制ZIKV的復(fù)制,通過(guò)結(jié)合蛋白YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3作用于脂滴影響病毒的裝配、釋放,抑制HCV的復(fù)制[11-12],但仍然存在許多未知的機(jī)制有待發(fā)掘,并且同為黃病毒屬的JEV的m6A相關(guān)研究也仍是一片空白。因此,探究m6A是否調(diào)控以及如何調(diào)控JEV的復(fù)制,揭示m6A修飾在JEV感染中的作用,具有重要意義。
JEV具有強(qiáng)烈的神經(jīng)嗜性,腦是JEV在小鼠體內(nèi)十分重要的靶器官[3,14-15]。除腦外,脾臟、腎臟、肝臟、肺臟和腸也是較為重要的靶器官,且侵染選擇性、侵染效率因毒株、小鼠種類(lèi)、周齡和個(gè)體差異而異[14,16]。本文以C57BL/6小鼠作為JEV體內(nèi)感染模型,在腦和腎臟中檢測(cè)出明顯的病毒載量,而脾臟未檢測(cè)出,說(shuō)明在3周齡雌性C57BL/6小鼠中,JEV在腦和腎臟中具有較強(qiáng)的復(fù)制能力,而在脾臟中的復(fù)制能力極其微弱。隨后發(fā)現(xiàn)感染了JEV的小鼠腦和腎臟以及BHK-21細(xì)胞中總體m6A水平都顯著高于對(duì)照組,說(shuō)明JEV的感染可誘導(dǎo)體內(nèi)外m6A水平上調(diào),這表明JEV的復(fù)制可能受到m6A修飾的調(diào)控。
在m6A修飾的過(guò)程中,METTL3和METTL14等甲基轉(zhuǎn)移酶催化甲基化過(guò)程,F(xiàn)TO等去甲基化酶催化去甲基化過(guò)程,兩過(guò)程動(dòng)態(tài)可逆,而結(jié)合蛋白YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3發(fā)揮了輔助作用,幫助m6A修飾實(shí)現(xiàn)對(duì)靶RNA的生物學(xué)功能,如提高翻譯效率,延緩或加速mRNA的降解,調(diào)控RNA的剪切和核轉(zhuǎn)運(yùn)等[4-10]。而m6A對(duì)不同病毒復(fù)制的促進(jìn)或者抑制,通常由上述蛋白中的1~2種起著決定性作用,如m6A在A549細(xì)胞中正向調(diào)控甲型流感病毒(IAV)復(fù)制由METTL3和YTHDF2主導(dǎo)[16],在小鼠源巨噬細(xì)胞中正向調(diào)控水皰性口炎病毒(VSV)和仙臺(tái)病毒(SeV)由METTL14主導(dǎo)[17-18]。參考Winkler等[19]、李衛(wèi)宇[20]的相關(guān)研究方法進(jìn)一步試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)感染JEV小鼠的腦和腎中METTL3的表達(dá)量相比對(duì)照組有了明顯增加,且病毒載量較高的腦中METTL3表達(dá)量上升幅度顯著高于病毒載量相對(duì)較低的腎臟;感染JEV的BHK-21細(xì)胞中METTL3表達(dá)量隨感染時(shí)間推移而上升,初步推測(cè)JEV感染C57BL/6小鼠和BHK-21細(xì)胞造成的m6A水平上升,是由METTL3主導(dǎo),JEV的感染與METTL3存在較大關(guān)聯(lián)。
與其他黃病毒一樣,JEV復(fù)制的全過(guò)程在細(xì)胞質(zhì)中完成[3]。正常情況下,METTL3、METTL14和FTO定位于細(xì)胞核中表達(dá)[5,7],而YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3則分布在細(xì)胞質(zhì)中[8-10]。因此,在共聚焦顯微鏡下觀(guān)察,理論上感染JEV后如果METTL3、METTL14和FTO不發(fā)生易位,則不會(huì)和病毒蛋白共存于細(xì)胞質(zhì)內(nèi),而YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3能和病毒蛋白共存于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。已有文獻(xiàn)報(bào)道一些在細(xì)胞質(zhì)中復(fù)制的病毒如柯薩奇病毒A組16型(CVA16)、腸病毒71(EV71)、新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染細(xì)胞后,可誘導(dǎo)METTL3、METTL14和FTO定位改變,即大量蛋白由細(xì)胞核被“招募”到了細(xì)胞質(zhì),從而細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)均有彌散分布該蛋白的情況[19-22]。研究者發(fā)現(xiàn),METTL3與EV71的3D蛋白之間存在互作,并通過(guò)降低3D的泛素化和SUMO化修飾提高3D穩(wěn)定性及聚合酶活性進(jìn)而促進(jìn)病毒復(fù)制,這個(gè)過(guò)程卻與m6A修飾沒(méi)有直接關(guān)系[21]。不同的是,SARS-CoV-2的RdRP(RNA依賴(lài)的RNA聚合酶)可反過(guò)來(lái)抑制METTL3的泛素化和SUMO化而促進(jìn)METTL3的表達(dá),進(jìn)而加強(qiáng)SARS-CoV-2自身RNA的m6A修飾,促進(jìn)病毒復(fù)制,這個(gè)發(fā)現(xiàn)的前提是建立在他們已發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2基因組RNA上存在m6A修飾,且m6A修飾促進(jìn)該病毒復(fù)制[23]。本研究的共聚焦顯微鏡結(jié)果表明,在感染JEV的BHK-21細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象,JEV感染“招募”METTL3和METTL14出核,而這種亞細(xì)胞定位改變的具體機(jī)制有待進(jìn)一步探究。
本研究將JEV的感染和m6A甲基化建立起聯(lián)系,JEV感染后在體內(nèi)外引起m6A水平和METTL3蛋白上調(diào),但是m6A調(diào)控JEV復(fù)制的具體機(jī)制是今后試驗(yàn)中需要解決的問(wèn)題??傊?,本文為JEV的感染機(jī)制研究提供了新思路。