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        鮰愛(ài)德華氏菌的紅色熒光蛋白標(biāo)記及其應(yīng)用

        2019-09-10 07:22:44劉春陳曉虹姜蘭曹際振李凱彬王英英常藕琴王芳石存斌林明輝王慶
        關(guān)鍵詞:巨噬細(xì)胞斑馬魚(yú)

        劉春 陳曉虹 姜蘭 曹際振 李凱彬 王英英 常藕琴 王芳石存斌 林明輝 王慶

        摘要:為研究鲴愛(ài)德華氏菌與宿主的相互作用關(guān)系,本研究構(gòu)建帶有紅色熒光蛋白基因的pMDmCherry表達(dá)載體,通過(guò)電擊轉(zhuǎn)化法將載體成功導(dǎo)人鮰愛(ài)德華氏菌zb1141菌株中,獲得了紅色熒光蛋白標(biāo)記的鲴愛(ài)德華氏菌菌株。在倒置熒光顯微鏡下觀察,重組鲴愛(ài)德華氏菌顯示特異性紅色熒光。穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果表明,標(biāo)記菌株傳至28代,重組質(zhì)粒穩(wěn)定率仍為100%。用標(biāo)記菌株感染斑馬魚(yú)仔魚(yú)后,能在激光共聚焦顯微鏡下實(shí)時(shí)觀察到細(xì)菌在魚(yú)體內(nèi)的分布情況;標(biāo)記菌株體外感染小鼠巨噬細(xì)胞后,也能觀察到病原菌與巨噬細(xì)胞的相互作用情況。說(shuō)明標(biāo)記菌株具有良好的特異性和可視性,為鮰愛(ài)德華氏菌對(duì)宿主的致病性研究提供了一種良好的生物材料。

        關(guān)鍵詞:鮰愛(ài)德華氏菌;紅色熒光蛋白;斑馬魚(yú);巨噬細(xì)胞

        中圖分類號(hào): S917.1

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào): 1000-4440( 2019) 03-0661-06

        鮰愛(ài)德華氏菌(Edwardsiella ictaluri)隸屬腸桿菌科、愛(ài)德華氏菌屬,是一種兼性的胞內(nèi)寄生菌,可感染斑點(diǎn)叉尾鲴等多種名特魚(yú)類[1]。魚(yú)體感染后表現(xiàn)為內(nèi)臟器官的充血、出血、炎癥、變性和壞死,嚴(yán)重的在頭部形成開(kāi)放性的潰瘍?cè)頪2]。自1979年,Hawke首次報(bào)道鮰愛(ài)德華氏菌感染斑點(diǎn)叉尾鮰以來(lái),該細(xì)菌在世界各地迅速蔓延,目前已在澳大利亞、泰國(guó)、越南、日本、中國(guó)等相繼發(fā)現(xiàn)鮰愛(ài)德華氏菌感染魚(yú)類發(fā)病,感染對(duì)象包括南方大口鲇、斑點(diǎn)叉尾鲴、黃顙魚(yú)、長(zhǎng)吻鮠、鰻鯰和虹鱒等,發(fā)病率和死亡率均較高,嚴(yán)重影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[3-6]。為了有效地預(yù)防和控制鮰愛(ài)德華氏菌病的發(fā)生與傳播,研究鮰愛(ài)德華氏菌對(duì)宿主的致病性及感染途徑,深刻認(rèn)識(shí)其致病機(jī)理顯得尤為重要。

        熒光蛋白是部分生物體產(chǎn)生的在特定波長(zhǎng)光照射下可激發(fā)對(duì)應(yīng)顏色熒光的蛋白質(zhì)。熒光蛋白激發(fā)的熒光具有檢測(cè)靈敏性高、特異性強(qiáng)和細(xì)胞毒性小等優(yōu)點(diǎn)[7],大量研究結(jié)果顯示,熒光蛋白是理想的熒光標(biāo)記物,利用熒光蛋白標(biāo)記病原菌,對(duì)其進(jìn)行定位和示蹤,可實(shí)現(xiàn)細(xì)菌在體內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),研究病原菌入侵的動(dòng)態(tài)過(guò)程[8]。目前在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,已有相關(guān)用熒光蛋白標(biāo)記遲緩愛(ài)德華氏菌(Edwardsiellatarda)、嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophila)、殺鮭氣單胞菌(Aeromonas salmonicida)等致病菌及其對(duì)宿主的侵染途徑的研究報(bào)道[9-11]。

        本研究從患病斑馬魚(yú)體內(nèi)分離出l株高致病性的鮰愛(ài)德華氏菌,構(gòu)建帶有mCherry基因的pMDmCherry載體,通過(guò)電擊轉(zhuǎn)化到鲴愛(ài)德華氏菌中。進(jìn)一步將mCherry基因標(biāo)記的鲴愛(ài)德華氏菌感染斑馬魚(yú)仔魚(yú)和小鼠巨噬細(xì)胞RAW264.7,利用激光共聚焦顯微鏡觀察標(biāo)記細(xì)菌在魚(yú)體內(nèi)的擴(kuò)散分布情況及標(biāo)記細(xì)菌與體外巨噬細(xì)胞的相互作用關(guān)系。本研究為mCherry標(biāo)簽進(jìn)行細(xì)菌標(biāo)記使菌落觀察更具可視性和特異性提供數(shù)據(jù)支持,也為鮰愛(ài)德華氏菌對(duì)宿主的致病性及感染途徑研究提供更加便捷、可行的方法。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        鮰愛(ài)德華氏菌菌株zbl141由本實(shí)驗(yàn)室分離保存,含啟動(dòng)子的質(zhì)粒PRUAL和含紅色熒光蛋白基因的質(zhì)粒pLVX-PAnzCherry-C1由本實(shí)驗(yàn)室保存。小鼠巨噬細(xì)胞RAW264.7購(gòu)自廣州市哈藍(lán)生物科技有限公司,胎牛血清和DMEM培養(yǎng)基均購(gòu)自美國(guó)Gibco公司,間氨基苯甲酸乙酯甲烷磺酸鹽(MS-222)、1-苯基-2-硫脲為Sigma公司產(chǎn)品,大腸桿菌DH5a由本實(shí)驗(yàn)室保存。膠回收試劑盒Agarose GelDNA Purification Kit Ver.2.0、DNA Taq酶、dNTP、DNA分子Marker為寶生物工程(大連)有限公司產(chǎn)品,Plasmid Mini Kit I為Omega公司產(chǎn)品,基因組提取試劑盒(細(xì)菌)購(gòu)自天根生化科技(北京)有限公司。

        1.2 重組表達(dá)質(zhì)粒pMDmCherry的構(gòu)建

        1.2.1 啟動(dòng)子和mCherry連接片段的擴(kuò)增根據(jù)啟動(dòng)子和mCherry基因序列,利用Primer5.O軟件設(shè)計(jì)2對(duì)擴(kuò)增引物,由上海生工生物工程有限公司合成。用于擴(kuò)增啟動(dòng)子基因的上游引物為PPS:5’-CGC-CTAGGATACGCACACCGTGGAAAC-3',下游引物為PPA:5’_CCrITGCTCACCArITITITCrITCCTCCA_3’;擴(kuò)增mCherry基因的上游引物為MCS:5’-AG-GAAGAAAAAATGGTGAGCAAGGGTGA-3’,下游弓l物為MCA:5’-GCGTTCGAATTACTACTTGTACAGC-T-3’。

        以質(zhì)粒PRUAL為模板,PPS/PPA為引物,按照常規(guī)PCR方法擴(kuò)增啟動(dòng)子基因序列,反應(yīng)條件為95 cC 2 min;94℃30 s,56℃40 s和72℃90 s,35個(gè)循環(huán),72 cc延伸10 min。以質(zhì)粒pLVX-PAmCher-ry-CI為模板,MCS/MCA為引物,PCR擴(kuò)增mCherry基因序列。瓊脂糖凝膠電泳純化回收PCR產(chǎn)物。

        采用融合PCR方法,由于設(shè)計(jì)時(shí)PPA和MCS引物有一段重復(fù)序列,因而PCR擴(kuò)增的啟動(dòng)子和mCherry基因就含有互補(bǔ)片段。以純化的的啟動(dòng)子和mCherry產(chǎn)物1:1混合作為模板,常規(guī)PCR方法不加引物擴(kuò)增10個(gè)循環(huán),結(jié)束后直接添加PPS、MCA作為上下游引物,PCR方法擴(kuò)增30個(gè)循環(huán)。瓊脂糖凝膠電泳純化回收PCR產(chǎn)物。

        1.2.2 重組質(zhì)粒連接、轉(zhuǎn)化與鑒定 將方法1.2.1純化回收的啟動(dòng)子和mCherry連接片段與pMD18-TVector克隆載體(TaKaRa) 16℃連接2h后,轉(zhuǎn)化至DH5a感受態(tài)細(xì)胞,挑取陽(yáng)性單菌落,送至上海生工生物工程有限公司測(cè)序確認(rèn),構(gòu)建好的pMDmCherry質(zhì)粒保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3 重組鮰愛(ài)德華氏菌的構(gòu)建

        參照杜以帥等[91的方法制備鮰愛(ài)德華氏菌電轉(zhuǎn)感受態(tài)細(xì)胞。分別取100 ng構(gòu)建的pMDmCherry質(zhì)粒和70μl鮰愛(ài)德華氏菌感受態(tài)細(xì)胞于預(yù)冷的1mm電轉(zhuǎn)杯中混勻,在2.1 kV、25 μF、400 Q條件下,快速電脈沖,脈沖時(shí)間為5 ms。電擊結(jié)束后加入l ml BHI培養(yǎng)液,在28℃100 r/min條件下振蕩培養(yǎng)3h。4℃.5 000 r/min離心10 min,棄掉800μl上清液,重懸細(xì)菌沉淀,取200μl轉(zhuǎn)化產(chǎn)物涂布于含羧芐青霉素( Amp)抗性的BHI瓊脂平板上,28℃培養(yǎng)48 h。

        1.4 mCherry標(biāo)記的鮰愛(ài)德華氏菌的篩選與鑒定

        1.4.1 熒光檢測(cè)取20μl的陽(yáng)性克隆菌菌液均勻涂布在載玻片上,用TI-S熒光顯微鏡(Nikon,日本)下觀察,同時(shí)以野生菌株作為陰性對(duì)照,挑選能發(fā)出強(qiáng)烈紅色熒光信號(hào)的菌株。

        1.4.2 PCR鑒定挑取發(fā)紅色熒光的菌株,用引物MCS/MCA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)條件同方法1.2.1,PCR產(chǎn)物在1.0%瓊脂糖凝膠電泳回收后測(cè)序確認(rèn)。

        1.4.3 質(zhì)粒穩(wěn)定性試驗(yàn)參照李靜等[1O]的方法并改進(jìn),將標(biāo)記好的細(xì)菌在含有Amp的BHI中28℃培養(yǎng)過(guò)夜,接種量為111 000(體積比),每24 h轉(zhuǎn)接1次。同時(shí)取200μl涂布于含Amp抗性的BHI瓊脂平板上,28℃培養(yǎng)24 h后,分別挑取單菌落在熒光顯微鏡下檢測(cè),記錄熒光數(shù)。質(zhì)粒穩(wěn)定率=發(fā)紅色熒光菌落數(shù)/總菌落數(shù)×100%。

        1.5 標(biāo)記的鮰愛(ài)德華氏菌在感染斑馬魚(yú)仔魚(yú)體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布檢測(cè)

        健康的雌性斑馬魚(yú)與雄性斑馬魚(yú)進(jìn)行交配,收集所產(chǎn)的受精卵。受精后12 h的受精卵用0.20mmol/L的1一苯基-2-硫脲浸泡,抑制黑色素生成。取剛孵化出膜的仔魚(yú),經(jīng)0. 020-/0 MS-222麻醉后,顯微注射標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌菌液(lx10CFU/ml),控制顯微注射液滴大小使注射體積為1 nl(即每尾仔魚(yú)100 CFU),分別在感染后Oh、12 h、24 h用激光共聚焦顯微鏡觀察標(biāo)記細(xì)菌在魚(yú)體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布情況,另外設(shè)一個(gè)未感染組作為陰性對(duì)照。

        1.6標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌與小鼠巨噬細(xì)胞體外的相互作用

        RAW264.7傳代至8孔腔室載玻片中,每孔加入300μl新鮮DMEM細(xì)胞培養(yǎng)液(含10%胎牛血清),在5% CO2、37℃條件下培養(yǎng)20 h。為了便于觀察,細(xì)胞貼壁50%左右時(shí),加入30μl經(jīng)麥?zhǔn)媳葷岱ㄏ♂尩臉?biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌,終濃度為1×10CFU/ml,侵染時(shí)間分別為Oh、4h、24 h、48 h、72 h。侵染完成后用FluoView FV1200激光掃描共聚焦顯微鏡(Olympus Japan)進(jìn)行觀察,另外設(shè)一個(gè)未感染組作為陰性對(duì)照。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 重組表達(dá)質(zhì)粒pMDmCherry的構(gòu)建

        以質(zhì)粒PRUAL為模板,用特異性引物擴(kuò)增啟動(dòng)子基因,長(zhǎng)度約300 bp(圖1)。以質(zhì)粒pLVX-PAmCherry-C1為模板,用特異性引物擴(kuò)增mCherry基因,長(zhǎng)度約700 bp;2個(gè)片段連接擴(kuò)增長(zhǎng)度為1 000bp左右(圖1)。連接片段克隆至質(zhì)粒pMD18-T,重組質(zhì)粒雙酶切后,切出大小約為1000 bp和2 700bp 2條DNA片段,分別與pMD18-T和連接片段基因大小一致(圖1)。測(cè)序結(jié)果也顯示連接片段堿基沒(méi)有發(fā)生任何突變,即成功構(gòu)建重組質(zhì)粒pMDmCherry,構(gòu)建圖譜見(jiàn)圖2。

        2.2 mCherry標(biāo)記的鮰愛(ài)德華氏菌的篩選與鑒定

        陽(yáng)性克隆菌用熒光顯微鏡觀察,篩選出了穩(wěn)定高效表達(dá)紅色熒光蛋白的菌株(圖3)。以篩選出的重組菌株為模板,用引物MCS/MCA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,獲得700 bp左右的片段,經(jīng)過(guò)測(cè)序確認(rèn)為mCherry基因片段;目前標(biāo)記菌株已傳至28代,所有菌落均發(fā)紅色熒光,質(zhì)粒穩(wěn)定率可達(dá)100%。這些結(jié)果表明,重組質(zhì)粒能夠在鲴愛(ài)德華氏菌中穩(wěn)定表達(dá),紅色熒光標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌構(gòu)建成功。

        2.3 標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌在感染斑馬魚(yú)仔魚(yú)體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布

        標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌顯微注射感染斑馬魚(yú)仔魚(yú)后,在感染部位及附近血管中呈現(xiàn)紅色熒光(圖4B);感染12 h,紅色熒光增多,出現(xiàn)在仔魚(yú)內(nèi)臟部位(圖4C);感染24 h,在內(nèi)臟、肌肉及血液中都有大量紅色熒光出現(xiàn)(圖4D)。陰性對(duì)照組無(wú)熒光(圖4A)。

        2.4 標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌與小鼠巨噬細(xì)胞在體外的相互作用

        激光共聚焦顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),陰性對(duì)照組巨噬細(xì)胞貼壁生長(zhǎng),細(xì)胞形態(tài)呈較規(guī)則的圓形或橢圓形(圖SA);感染Oh觀察到紅色標(biāo)記細(xì)菌游離在培養(yǎng)基中,少量貼壁細(xì)胞開(kāi)始變形,出現(xiàn)梭形細(xì)胞和多角形(圖SB);感染4h,游離紅色標(biāo)記細(xì)菌聚集增多,少量巨噬細(xì)胞開(kāi)始吞噬標(biāo)記細(xì)菌(圖5C);感染24 h游離標(biāo)記細(xì)菌大量增加,部分巨噬細(xì)胞吞噬病原菌(圖SD);感染48 h,游離標(biāo)記細(xì)菌減少,巨噬細(xì)胞內(nèi)標(biāo)記細(xì)菌大量增殖,有少量細(xì)胞破裂死亡(圖SE);感染72 h,標(biāo)記細(xì)菌明顯減少,巨噬細(xì)胞大量脫落死亡(圖SF)。

        3 討論

        應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)病原進(jìn)行標(biāo)記,觀察病原侵染軌跡,是研究病原致病過(guò)程,了解病原宿主相互作用機(jī)理的有效手段[12]。本研究目的是探討鮰愛(ài)德華氏菌在宿主體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化,研究病原菌與宿主的相互作用關(guān)系。為了跟蹤病原菌活體狀態(tài)下的致病過(guò)程,就需要選擇一種既穩(wěn)定又可靠的標(biāo)記物。mCherry是一種來(lái)自于蘑菇珊瑚的紅色熒光蛋白,相對(duì)于其他熒光蛋白,mCherry具有對(duì)光致漂白作用耐受、熒光亮度高、光穩(wěn)定性卓越、可與綠色熒光蛋白共同標(biāo)記研究對(duì)象等諸多優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛的應(yīng)用[13-15]。本研究利用電轉(zhuǎn)化法將紅色熒光蛋白基因mCherry導(dǎo)入zbl141菌株,得到的轉(zhuǎn)化菌株保持了和野生型相似的菌落形態(tài),插入基因能穩(wěn)定遺傳,能使mCherry蛋白在入侵巨噬細(xì)胞及宿主的菌株中表現(xiàn)出高強(qiáng)度表達(dá),使鮰愛(ài)德華氏菌致病機(jī)理的相關(guān)研究變得更加便捷。

        合適的質(zhì)粒載體和啟動(dòng)子是決定mCherry重組質(zhì)粒能否在鲴愛(ài)德華氏菌中高效穩(wěn)定表達(dá)的關(guān)鍵因素。pMD18-T是一種廣泛應(yīng)用于高效克隆PCR產(chǎn)物的專用載體,這種載體拷貝數(shù)高,分子量較小,易于轉(zhuǎn)化,但其自身不帶啟動(dòng)子。啟動(dòng)子活性高低在很大程度上影響外源蛋白質(zhì)的表達(dá),研究結(jié)果表明慶大霉素抗性啟動(dòng)子( Gentamycin-resistancepromoter)能高效啟動(dòng)GFP在諾卡氏菌(ⅣocardLabrasiliensis)中的表達(dá)[16-17]。本試驗(yàn)中使用pMD18-T作為載體,利用慶大霉素抗性啟動(dòng)子融合mCherry基因構(gòu)建重組表達(dá)質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化至鮰愛(ài)德華氏菌中。熒光檢測(cè)結(jié)果表明,構(gòu)建的質(zhì)粒能在鮰愛(ài)德華氏菌中高效表達(dá),且多次傳代后,標(biāo)記細(xì)菌依然能夠發(fā)出較強(qiáng)的紅色熒光。

        傳統(tǒng)的研究病原菌在動(dòng)物體內(nèi)侵染的動(dòng)力學(xué)方法,主要是通過(guò)病原菌感染動(dòng)物后,用平板培養(yǎng)活菌計(jì)數(shù)測(cè)定不同器官中病原菌含量,這是一種間接的方法,不能直觀反映病原菌的入侵情況,試驗(yàn)動(dòng)物間個(gè)體差異也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[9];放射性標(biāo)記的方法可以定量檢測(cè)細(xì)菌,但是放射性物質(zhì)對(duì)生物體有毒性,且這種方法也不能區(qū)分死亡的和活的細(xì)菌[18]。本研究中利用構(gòu)建的紅色熒光標(biāo)記鮰愛(ài)德華氏菌后,通過(guò)顯微注射感染斑馬魚(yú)仔魚(yú),由于斑馬魚(yú)仔魚(yú)身體是透明的,在激光共聚焦顯微鏡下借助綠色激光,可清晰觀察到斑馬魚(yú)體內(nèi)的紅色標(biāo)記細(xì)菌,在不處死動(dòng)物的情況下可對(duì)魚(yú)體內(nèi)病原菌的變化進(jìn)行連續(xù)觀察,在同一動(dòng)物身上能獲得一系列的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù),更為直觀、綜合地了解整個(gè)感染過(guò)程,提高研究的效率。

        巨噬細(xì)胞是天然免疫應(yīng)答的主要效應(yīng)細(xì)胞,可以有效吞噬和消化外來(lái)物質(zhì),它是機(jī)體抵御外來(lái)微生物侵襲的第一道防線[19-20]。有研究報(bào)道鮰愛(ài)德華氏菌是一種兼性細(xì)胞內(nèi)寄生菌,它可以在斑點(diǎn)叉尾鲴和南方鲇等魚(yú)類宿主巨噬細(xì)胞中生存、繁殖[6,12],因而了解鮰愛(ài)德華氏菌與巨噬細(xì)胞的相互作用關(guān)系,特別是研究鮰愛(ài)德華氏菌在巨噬細(xì)胞內(nèi)入侵、存活及繁殖機(jī)制是研究鮰愛(ài)德華氏菌致病性的關(guān)鍵。馬慧等[22]將布魯氏菌(Brucella melitensis)體外感染小鼠巨噬細(xì)胞后,利用綠色熒光標(biāo)記的菌株結(jié)合紅色熒光探針標(biāo)記的溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器,研究測(cè)定了侵染細(xì)菌與胞內(nèi)各細(xì)胞器結(jié)合的時(shí)間,為布魯氏菌在細(xì)胞內(nèi)的生存繁殖及其分子機(jī)制提供了理論參考。目前有學(xué)者建立了與鮰愛(ài)德華氏菌同屬的遲緩愛(ài)德華氏菌小鼠巨噬細(xì)胞感染模型,并用小鼠巨噬細(xì)胞進(jìn)行了病原與宿主互作關(guān)系研究,發(fā)現(xiàn)了遲緩愛(ài)德華氏菌與宿主互作的新機(jī)制[ 23-24]。

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