孫衛(wèi)國(guó),鄭本獻(xiàn),熊志紅,楊秉芬,劉艷華,張靈霞
1.解放軍第309醫(yī)院 結(jié)核病研究所,全軍結(jié)核病防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,結(jié)核病診療新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091;2.軍事科學(xué)院 第61研究所門診部,北京 100141
血小板衍生生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth?factor,PDGF)是由細(xì)胞產(chǎn)生的肽類生長(zhǎng)因子,與受體結(jié)合后,通過Ras/GTP激活絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路,促進(jìn)細(xì)胞的有絲分裂[1]。PDGF參與機(jī)體組織的生長(zhǎng)發(fā)育、創(chuàng)傷愈合,腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及動(dòng)脈粥樣硬化等[2]。在PDGF所有亞型中,PDGF-BB行使PDGF的主要功能,在創(chuàng)傷愈合的各個(gè)階段發(fā)揮重要作用[3]。PDGF-BB能加速成骨細(xì)胞內(nèi)的DNA合成與修復(fù),刺激成骨細(xì)胞的復(fù)制和膠原降解,從而促進(jìn)骨折造成的創(chuàng)傷愈合[4]。目前利用原核表達(dá)系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)PDGF-BB細(xì)胞因子的主要困難是表達(dá)量非常低,復(fù)性率不高,純化條件不穩(wěn)定,生物活性也不高。本實(shí)驗(yàn)室根據(jù)原核表達(dá)特點(diǎn),參照生物信息學(xué)和軟件Vector NTI suitor7.0分析結(jié)果,提高了PDGF-BB的表達(dá)量,占菌體總蛋白的25%[5]。在此,我們對(duì)基因工程下游技術(shù)進(jìn)行探索,對(duì)PDGF-BB包涵體的變性、復(fù)性方法和條件,以及純化工藝的優(yōu)化進(jìn)行多次嘗試,提高了PDGF-BB包涵體的復(fù)性率達(dá)40%以上,同時(shí)穩(wěn)定了重組蛋白的純化工藝,獲得了純度大于95%且具有良好生物活性的重組PDGF-BB蛋白。
NIH3T3細(xì)胞株、宿主菌株大腸桿菌BL21(DE3)、表達(dá)載體pET-PGDF-BB由本室保存。酵母提取物、胰蛋白胨購(gòu)自O(shè)xoid公司;PDGF-BB標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自中國(guó)藥品生物制品檢定所;PDGF-BB抗體、辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)羊抗兔IgG購(gòu)自Ab?cam公司;層析用填料SP SepharoseFF、分子篩填料Sephacryl S300購(gòu)自GE公司;FPLC蛋白純化分離系統(tǒng)購(gòu)自Bio-Rad公司;其他生化試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純產(chǎn)品。
通過生物信息學(xué)分析,參照生物軟件對(duì)PGDF-BB編碼序列按照同義密碼子原則進(jìn)行置換優(yōu)化,設(shè)計(jì)合成了PDGF-BB全長(zhǎng)序列,3′端終止密碼為TAA,構(gòu)建了原核表達(dá)載體pET-PGDFBB,工程菌接種含卡那霉素的LB培養(yǎng)基,37℃振搖培養(yǎng),當(dāng)菌液D600nm值達(dá)0.5時(shí),加入IPTG至終濃度為0.2mmol/L,37℃誘導(dǎo)表達(dá)7h,離心收集沉淀菌體,加入 50mmolTris-HCl(pH8.0)緩沖液,4℃條件下超聲波破碎,SDS-PAGE分析蛋白的表達(dá)量。
包涵體的初步洗滌對(duì)包涵體的復(fù)性極其重要,可將菌體的外膜蛋白、核酸、質(zhì)粒DNA等雜質(zhì)除去,避免影響隨后的復(fù)性過程。為了增加去垢劑洗滌能力,可在洗滌緩沖液(50mmol/LNaCl,50mmol/LTris,1mmol/LEDTA,0.5% Triton-X100+梯度尿素)內(nèi)加入一定濃度的鹽離子。洗滌后的包涵體用8mol/L尿素加2%巰基乙醇緩沖液充分溶解后,上樣分子篩層析柱Sephacryl S300,收集紫外檢測(cè)下各分離蛋白峰進(jìn)行SDSPAGE,分析初步純化后包涵體溶液的純度。
PDGF-BB成熟肽是由2個(gè)相同的單體蛋白PDGF-B通過二硫鍵形成的同型二聚體。相對(duì)單體蛋白而言,多聚體蛋白因?yàn)榉肿娱g與分子內(nèi)二硫鍵容易錯(cuò)配導(dǎo)致復(fù)性比較困難,針對(duì)不同蛋白需要摸索不同的復(fù)性方法。稀釋復(fù)性是將變性蛋白質(zhì)溶液直接加入復(fù)性緩沖液中,降低單位體積內(nèi)的變性蛋白濃度,減少錯(cuò)配幾率,適合多聚體蛋白的復(fù)性,因而是一種更簡(jiǎn)單和快速的方法。收集經(jīng)初步分子篩純化的包涵體上清液,以1∶100的比例和4mL/h的速度滴加稀釋到pH6.0的復(fù)性液(25mmol/LTris-Cl,0.1mmol/LNaCl,0.5mmol/L EDTA,4mol/L尿 素 ,0.1mmol/L GSSG,0.2mmol/LGSH,1%甘油)中,4℃放置24 h左右,取復(fù)性液按1∶10的比例置入pH6.0的透析 液(25mmol/L Tris-Cl,0.1mmolNaCl,0.5 mmol/LEDTA,2mol/L尿素,0.1mmol/LGSSG,0.2mmol/LGSH)中透析,10h換透析液一次,依次降低尿素濃度至1、0.5、0mol/L,高速離心除去沉淀。取上清液上樣SPSepharoseFF陽離子交換 柱 ,用 0.2 mol/L NaCl、20 mmol/L Tris-Cl(pH6.0)的緩沖液沖洗雜蛋白,用0.5mol/L NaCl、20mmol/LTris-Cl(pH7.4)的緩沖液洗脫目的蛋白;收集目的蛋白,SDS-PAGE分析經(jīng)復(fù)性純化后重組PGDF-BB蛋白的純度。
取純化的PDGF-BB蛋白進(jìn)行14%的SDSPAGE,半干法轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上,用5%脫脂奶粉于37℃封閉1h,兔抗人PDGF-BB抗體于4℃孵育過夜,PBST緩沖液洗滌3次后,室溫條件下與HRP標(biāo)記的羊抗兔IgG結(jié)合2h,PBST緩沖液洗滌4次,每次5min,ECL暗室自動(dòng)曝光顯影驗(yàn)證重組蛋白的抗原性。
將培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期NIH3T3細(xì)胞以含10%小牛血清的DMEM調(diào)成細(xì)胞懸液,按1×104/孔傳入96孔板,37℃孵箱中培養(yǎng)48h,更換成含0.5%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)24h,依次加入用維持培養(yǎng)液稀釋的重組蛋白和對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)品PDGF-BB,每濃度梯度做3個(gè)平行孔,37℃、5%CO2條件下培養(yǎng)72h,MTT法檢測(cè)各孔的D490nm值,繪制對(duì)應(yīng)的D490nm值與PDGF-BB濃度曲線。
參照生物信息學(xué)和生物軟件分析,合成PGDF-BB編碼序列,克隆構(gòu)建原核表達(dá)載體pET-PGDF-BB,重組菌經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá)7h,收集菌體超聲波破碎,SDS-PAGE分析結(jié)果,圖1箭頭示重組蛋白,編碼核酸經(jīng)過優(yōu)化后,重組蛋白表達(dá)水平明顯提高,表達(dá)量從優(yōu)化前的10%(4泳道)上升到25%左右(1、2泳道)。超聲波破碎后,重組蛋白以包涵體的形式存在于菌體沉淀中。
包涵體用 50mmol/LNaCl、50mmol/LTris、1mmol/LEDTA、0.5%Triton-X100洗滌2次,離心收集上清進(jìn)行電泳分析,洗滌后的包涵體分別用2、4、8mol/L尿素加2%巰基乙醇緩沖液充分溶解,離心收集上清進(jìn)行包涵體溶解度檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2,經(jīng)過3次0.5%Triton-X100洗滌后,上清中沒有目的蛋白出現(xiàn),大多數(shù)雜蛋白被除去,包涵體得到富集。梯度尿素溶解后發(fā)現(xiàn)包涵體只能溶解在8mol/L尿素中,這為后續(xù)大規(guī)模純化帶來方便。
圖1 PGDF-BB優(yōu)化序列誘導(dǎo)后的全菌體蛋白SDS-PAGE分析
包涵體用8mol/L尿素加2%巰基乙醇充分溶解,高速離心收集上清上樣過分子篩層析柱Sep?hacrylS300,F(xiàn)PLC檢測(cè)各分離蛋白峰,SDS-PAGE分析經(jīng)初步純化后包涵體溶液的純度,結(jié)果見圖3、4,包涵體溶液得到部分富集。
分別采用透析、稀釋和滴加復(fù)性的方法對(duì)PGDF-BB包涵體復(fù)性,比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)滴加復(fù)性相對(duì)其他方法而言可以獲得更高的復(fù)性率。滴加復(fù)性的方法更適合含有較多分子間或分子內(nèi)二硫鍵的多聚體蛋白,滴加樣品的速度和復(fù)性液的組成都會(huì)影響最終的復(fù)性率。為了便于后續(xù)陽離子交換層析,將復(fù)性液的pH值設(shè)置為6.0左右,復(fù)性液的組成為25mmol/LTris-Cl、0.1 mmol/LNaCl、0.5mmol/LEDTA、4mol/L 尿 素(pH6.0)、0.1mmol/LGSSG、0.2mmol/LGSH,1%甘油。滴加復(fù)性后PDGF-BB的復(fù)性率在40%以上,復(fù)性后溶液高速離心,取上清進(jìn)行SDS-PAGE分析,結(jié)果見圖5。
圖2 PDGF-BB包涵體洗滌、尿素溶解的SDS-PAGE分析
圖3 PDGF-BB包涵體溶液SephacrylS300層析液的UV檢測(cè)
圖4 PDGF-BB包涵體溶液SephacrylS300層析液的SDS-PAGE 1:上樣前;M:蛋白marker;2:出峰前收集液;
參照PDGF-BB的理化特性,采用陽離子交換層析對(duì)復(fù)性后的溶液進(jìn)行二次純化,用0.2mol/LNaCl洗去雜蛋白,0.5mol/LNaCl、20mmol/L Tris-Cl(pH7.4)緩沖液洗脫目的蛋白峰,收集目的蛋白進(jìn)行SDS-PAGE,分析純化后重組PGDF-BB蛋白的純度。結(jié)果如圖6、7,經(jīng)分子篩和離子交換層析后,重組蛋白的純度可達(dá)95%以上。
圖5 PDGF-BB包涵體復(fù)性后的SDS-PAGE
圖6 PDGF-BB包涵體復(fù)性液SPSepharoseFF層析UV檢測(cè)
以PDGF-BB標(biāo)準(zhǔn)品為陽性對(duì)照、PBS為陰性對(duì)照,純化的PDGF-BB蛋白分別與兔抗人PDGFBB一抗和羊抗兔IgG-HRP二抗進(jìn)行孵育、洗滌和暗室曝光,Western印跡結(jié)果表明純化的重組蛋白能與hPDGF-BB抗體結(jié)合,具有強(qiáng)的抗原性。
MTT方法驗(yàn)證重組蛋白的生物活性,以PDGF-BB標(biāo)準(zhǔn)品為陽性對(duì)照,制作D490nm值與PDGF-BB濃度曲線,發(fā)現(xiàn)獲得的重組蛋白具有良好的生物活性,對(duì)NIH3T3細(xì)胞具有明顯的促增殖作用,與標(biāo)準(zhǔn)品表現(xiàn)出一致性,兩者在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析上無差異。
PDGF-BB具有多種生物學(xué)功能,含0.01%重組人PDGF-BB的羧甲基纖維素鈉膠(NaCMC)已在美國(guó)獲準(zhǔn)用于遠(yuǎn)端神經(jīng)性糖尿病潰瘍的治療。在PDGF所有亞型中,PDGF-BB的功能如促進(jìn)創(chuàng)傷愈合、骨組織修復(fù)和重建作用已得到肯定。目前利用原核系統(tǒng)生產(chǎn)重組人PDGF-BB蛋白受制于表達(dá)量低、復(fù)性困難而無法大規(guī)模生產(chǎn)。本研究參照生物軟件分析,從生物信息學(xué)角度對(duì)其mRNA序列進(jìn)行同義密碼子置換,獲得了PDGF-BB在原核系統(tǒng)內(nèi)的高表達(dá),明顯優(yōu)于優(yōu)化前的水平。同時(shí),對(duì)PDGF-BB包涵體洗滌、溶解與復(fù)性嘗試了不同條件,大大提高了包涵體的復(fù)性效率可達(dá)40%。依據(jù)蛋白的理化特性,經(jīng)過不同純化方法的結(jié)合,最終獲得具有良好生物活性和高純度的重組蛋白。本實(shí)驗(yàn)建立了高表達(dá)、易純化的工藝,為大規(guī)模制備原核重組人PDGF-BB蛋白奠定了基礎(chǔ)。
圖7 PDGF-BB復(fù)性液SPSepharoseFF純化的SDS-PAGE M:蛋白marker;1:SP純化后的PDGF-BB重組蛋白
圖8 重組PGDF-BB的Western印跡
圖9 重組PDGF-BB對(duì)NIH3T3細(xì)胞的促增殖作用