王麗娟,石正旺,楊 波,麻 園,羅俊聰,萬 穎,宋 銳,田 宏,鄭海學(xué)
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所家畜疫病病原生物學(xué)國家重點實驗室 OIE/國家口蹄疫參考實驗室,蘭州 730046)
非洲豬瘟(African swine fever,ASF)是由非洲豬瘟病毒(African swine fever virus,ASFV)引起的豬的一種高度致死性出血性疾病,病程短,死亡率高。世界動物衛(wèi)生組織將其列為必須報告類疾病,我國將其列為一類動物疫病[1]。20世紀(jì)中葉之前,該病一直局限于非洲,之后逐步向歐洲蔓延[2]。2007年,隨著Ⅱ型ASFV進(jìn)入高加索地區(qū),疫情逐漸擴散至俄羅斯及東歐地區(qū)[3-4],2018年8月,在我國遼寧省沈陽市首次發(fā)現(xiàn)該病,在1年時間內(nèi)傳播至我國32個省份,對我國養(yǎng)豬業(yè)造成重創(chuàng)[5-7]。除我國外,蒙古、越南、柬埔寨、老撾、朝鮮、菲律賓等國家也陸續(xù)出現(xiàn)非洲豬瘟疫情[8],該病毒幾乎造成了全球性蔓延。
ASFV是一種具有囊膜的雙鏈DNA病毒[9],其傳染性和穩(wěn)定性強,可通過受感染的豬肉制品和一些污染品進(jìn)行傳播,具有顯著的接觸傳播特性[10-12]。目前國內(nèi)外無有效的商品化疫苗防控ASFV[13],短期內(nèi)依靠早期診斷與區(qū)域化防控管理來進(jìn)行防治,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所研制了該病毒的基因缺失苗,但該疫苗目前只取得了實驗室階段成果[14],因此,建立該病的快速準(zhǔn)確診斷方法是控制該病的重要前提,而診斷方法的建立則與抗體的研發(fā)密不可分。
抗體是機體免疫系統(tǒng)中重要的免疫分子,也是疫苗和診斷試劑中的核心成分。傳統(tǒng)的抗體多為單克隆抗體,產(chǎn)量高、特異性強,一度成為生物制劑中的重要組成部分[15]。ASFV具有龐大的基因組,約編碼150多個蛋白質(zhì)[16],依據(jù)主要衣殼蛋白P72,又分為24種基因型[17-18],傳統(tǒng)的單克隆抗體已不足以應(yīng)對此病毒,因此迫切需要一種安全有效的新型抗體。單鏈抗體(ScFv)是近些年生物領(lǐng)域里發(fā)展快速的一種新型抗體,只含有重鏈可變區(qū)與輕鏈可變區(qū),由一段Linker序列連接,因此比常規(guī)抗體分子量小很多,是一種具有巨大治療和診斷潛力的分子[19-20]。1996年,Mason等[21]首次報道了A12型口蹄疫病毒ScFv,自此,開啟了ScFv的發(fā)展歷程,后續(xù)研制出了ScFv多聚體、雙特異性ScFv等多種形式抗體[22]。ScFv因其獨特的分子結(jié)構(gòu)而具有廣泛的應(yīng)用價值:較小的分子量使其具有很好的穿透性,易攜帶靶向藥物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,從而為腫瘤診斷與治療開辟了新的途徑[23-24];雙特異性ScFv是一類可以同時特異性結(jié)合兩種不同抗原的人工改造抗體,將其應(yīng)用到診斷技術(shù)上,可以拓展檢測寬度,提高檢測靈敏度;ScFv作為一種人工合成的基因工程抗體,一方面易于進(jìn)行分子的改造,可直接對靶細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用[25-26];另一方面可以在原核表達(dá)系統(tǒng)中大量生產(chǎn),極大地縮短抗體制備周期。ScFv最突出的特點是克服了傳統(tǒng)單克隆抗體鼠源性強的特點,消除了抗體應(yīng)用上的異源性反應(yīng),擴寬了抗體的應(yīng)用范圍。綜上所述,它獨特的生物學(xué)特性與廣泛的應(yīng)用前景,使其有望成為科研攻堅上的新型利器。
本研究通過分離ASFV感染康復(fù)豬外周血淋巴細(xì)胞,擴增豬源ScFv基因,制備了一種分子量小、靈敏度高的抗ASFV單鏈抗體,為ASFV診斷提供新型原材料。
1.1.1 材料與試劑 LTS1110豬外周血淋巴細(xì)胞分離液Kit購自天津灝洋生物制品公司;pMDTM20-T載體、E.coliJM109感受態(tài)、PrimeSTAR?HS DNA Polymerase、RNase-free Water、DL2000 DNA Marker、6×Loading Buffer均購自寶生物公司;Unstained protein MW marker(26610)、Unstained protein MW marker(26616)、6×His Tag Monoclonal Antibody(HIS.H8),HRP、6x-His Tag Monoclonal Antibody (HIS.H8),Alexa Fluor 555均購自Thermo Fisher Scientific公司;Goat Anti-Pig IgG H&L (HRP) (ab6915)購自Abcam公司;BL21(DE3)感受態(tài)購自北京全式金;Trizol、鎳柱親和層析樹脂、DNA片段回收試劑盒和質(zhì)粒提取試劑盒為OMEGA產(chǎn)品;分子生物學(xué)試劑來自Sigma公司;其他生化試劑均為國產(chǎn)分析純;ASFV感染康復(fù)豬、ASFV陰陽性血清及ASFV CN/GS/2018分離株均由國家非洲豬瘟區(qū)域?qū)嶒炇?蘭州)提供。
1.1.2 引物設(shè)計 根據(jù)GenBank上收錄的豬IgG重鏈(AK405798)、輕鏈Kappa鏈(EU683881)、輕鏈Lamda鏈(AF345512)基因序列,參考文獻(xiàn)設(shè)計擴增豬IgG可變區(qū)的引物。引物序列如表1所示,其中 VH-F1、VH-R1,VLκ-F1、VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13,VLλ-F1、VLλ-R1用于第1輪擴增;VH-F1、VH-R2,VLκ-F2、VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13,VLλ-F2、VLλ-R1用于第2輪擴增;VH-F1、VLλ-R1、VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13用于第3輪擴增。引物由大連寶生物有限公司合成。
表1 重鏈及輕鏈目的片段擴增引物Table 1 Primers set used for heavy and light chain variable genes amplification
1.2.1 豬外周血淋巴細(xì)胞提取 采集ASFV感染康復(fù)豬的外周血,用LTS1110豬外周血淋巴細(xì)胞試劑盒進(jìn)行豬外周血淋巴細(xì)胞的分離:①向外周血中加入等量全血稀釋液,混勻。②離心管中量取與稀釋后血液等量的分離液,將稀釋后血液緩慢加入,使其平鋪于分離液液面,1 800 r·min-1,水平離心30 min。③小心吸取第二層白色淋巴細(xì)胞,加入10 mL 清洗液,1 500 r·min-1水平離心10 min。④棄 上清,以5 mL清洗液重懸,1 500 r·min-1水平離心10 min。⑤棄上清,以1 mL RNA Later保存液重懸,置-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 淋巴細(xì)胞總RNA提取 采用Trizol試劑提取法提取淋巴細(xì)胞總RNA,經(jīng)Thermo公司的Thermo Nano Drop One檢測,所提取的總RNA濃度為356 ng·μL-1,OD260 nm/OD280 nm為1.87。
1.3.1VH基因及VH-Linker基因擴增 以提取的淋巴細(xì)胞總RNA為模板,反轉(zhuǎn)錄得到全基因組cDNA。以cDNA為模板,VH-F1和VH-R1為引物,擴增VH基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s、52 ℃ 5 s、72 ℃ 30 s、30個循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集VH。
以VH基因為模板,VH-F1和VH-R2為引物,擴增VH-Linker基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s、56 ℃ 5 s、72 ℃ 30 s、35個循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集VH-Linker。
1.3.2VLλ基因及Linker-VLλ基因擴增 以cDNA為模板,VLλ-F1和VLλ-R1為引物,擴增VLλ基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s、53 ℃ 5 s、72 ℃ 30 s、30個循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集VLλ。
以VLλ基因為模板,VLλ-F2和VLλ-R1為引物,擴增Linker-VLλ基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s、68 ℃ 30 s、35個循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集Linker-VLλ。
1.3.3VLκ基因及Linker-VLκ基因擴增 以cDNA為模板,VLκ-F1和VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13為引物,擴增VLκ基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s,54 ℃ 5 s,72 ℃ 30 s,30個循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集VLκ。
以VLκ基因為模板,VLκ-F2和VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13為引物,擴增Linker-VLκ基因。反應(yīng)程序:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s,68 ℃ 30 s,30個 循環(huán);72 ℃ 10 min;將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集Linker-VLκ。
1.3.4 ScFv(VH-Linker-VL)基因擴增 分別以VH-Linker和Linker-VLλ、VH-Linker和Linker-VLκ為模板,以VH-F1、VLλ-R1和VH-F1、VLκ-R11、VLκ-R12、VLκ-R13為引物,通過SOE-PCR技術(shù)擴增拼接VH-VLκ和VH-VLλ。反應(yīng)程序如下,①無引物:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s,68 ℃ 30 s,10個循環(huán);72 ℃ 10 min。②有引物:98 ℃ 2 min;98 ℃ 10 s、55 ℃ 5 s,72 ℃ 50 s,35個循環(huán);72 ℃ 10 min。將擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,純化收集VH-VLκ和VH-VLλ。
將ScFv(VH-VL)基因連接至pMDTM20-T載體上,進(jìn)行質(zhì)粒PCR鑒定,取PCR擴增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,挑選條帶大小合適的質(zhì)粒送測序。對測序結(jié)果進(jìn)行比對分析,挑選正確的基因序列送武漢金開瑞公司進(jìn)行pET-30a-ScFv質(zhì)粒的構(gòu)建。
將構(gòu)建成功的pET-30a-ScFv質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至BL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞,每50 μL感受態(tài)細(xì)胞分別轉(zhuǎn)化1 μL pET-30a-ScFv質(zhì)粒,將轉(zhuǎn)化的菌液均勻涂布于LB-K+平板上,37 ℃倒置培養(yǎng)12~16 h直至單克隆出現(xiàn),挑取單克隆菌落于LB-K+液體培養(yǎng)基中,37 ℃誘導(dǎo)表達(dá)抗體蛋白,對表達(dá)的抗體蛋白進(jìn)行收集、洗滌、純化,即得抗ASFV ScFv抗體。
1.6.1 VH-VLλ11包被檢測板鑒定ASFV 取純化的ScFv抗體VH-VLλ11(0.1 mg·mL-1),按照1∶4 的比例包被檢測板,包被完成后,加入50 μL 滅活A(yù)SFV,37 ℃溫箱孵育30 min,250 μL PBST洗滌液洗滌4次,拍干,分別加入50 μL 1∶5稀釋的ASFV陽性血清2孔、1∶5稀釋的健康豬血清2孔、血清稀釋液2孔,37 ℃溫箱孵育30 min,250 μL PBST洗滌液洗滌4次,拍干,加入50 μL 1∶15 000稀釋的 HRP標(biāo)記的豬二抗,37 ℃溫箱孵育30 min,250 μL PBST洗滌液洗滌4次,拍干,加入50 μL TMB底物溶液,37 ℃溫箱孵育15 min,加入50 μL終止液(H2SO4),在分光光度儀上讀取反應(yīng)物的OD450 nm值。
1.6.2 ASFV抗原包被檢測板鑒定VH-VLλ11取P73兔抗1∶1 000包被檢測板,4 ℃包被12 h后棄掉,PBST洗滌4次,拍干,再加入1∶1稀釋的ASFV全病毒抗原,包被完成后,分別加入50 μL 1∶16 稀釋的VH- VLλ11抗體蛋白(0.4 mg·mL-1)、稀釋液各2孔,37 ℃溫箱孵育30 min,250 μL PBST洗滌液洗滌4次,拍干,加入50 μL 1∶5 000稀釋的兔抗豬HIS-HRP,37 ℃孵育30 min,250 μL PBST洗滌液洗滌4次,拍干,加入50 μL TMB底物溶液,37 ℃孵育15 min,加入50 μL終止液(H2SO4),于酶標(biāo)儀上讀取OD450 nm值。
以ASFV接種豬PAMS細(xì)胞,同時設(shè)立陰性對照,4%多聚甲醛固定30 min,PBS洗3次,0.1% Triton-100室溫透膜15 min,PBS洗3次,再以5% Blocker BSA室溫封閉15 min后,加入VH-VLλ11抗體(1∶200)4 ℃孵育過夜,PBS洗3次,6×-His Tag Monoclonal Antibody (HIS.H8),Alexa Fluor 555(1∶60)室溫避光染色1 h,PBS洗3次,加入DAPI染核10 min,PBS洗3次,上鏡觀察。
將擴增的VH及VL基因進(jìn)行1%的瓊脂糖凝膠電泳鑒定,由結(jié)果可知在300 bp左右出現(xiàn)了明顯的條帶,條帶大小與預(yù)期的目的條帶大小相一致,見圖1。
A.VH基因擴增產(chǎn)物;B.VLκ基因擴增產(chǎn)物;C.VLλ基因擴增產(chǎn)物;M.DNA相對分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1~2.VH;3.VLκ;4~5.VLλA.VH gene amplification product;B.VLκ gene amplification product;C.VLλ gene amplification product;M.DL2000 DNA marker,1-2.VH;3.VLκ;4-5.VLλ圖1 豬源抗體VH及VL基因擴增Fig.1 Porcine antibody VH and VL gene amplification
將擴增的VH及VL基因進(jìn)行1%的瓊脂糖凝膠電泳鑒定,結(jié)果可見在320 bp左右出現(xiàn)了明顯的條帶,條帶大小與預(yù)期的目的條帶大小相一致,見圖2。
A.VH-Linker基因擴增產(chǎn)物;B.VLκ-Linker基因擴增產(chǎn)物;C.VLλ-Linker基因擴增產(chǎn)物;M.DNA相對分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1.VH-Linker;2~3.VLκ-Linker;4~5.VLλ-LinkerA.VH-Linker gene amplification product;B.VLκ-Linker gene amplification product;C.VLλ gene amplification product;M.DL2000 DNA marker,1.VH-Linker;2-3.VLκ-Linker;4-5.VLλ-Linker圖2 豬源抗體VH-Linker及VL-Linker基因擴增Fig.2 Porcine antibody VH-Linker and VL-Linker gene amplification
將SOE-PCR擴增拼接得到的VH-Linker-VL基因進(jìn)行1%的瓊脂糖凝膠電泳鑒定,結(jié)果可見在約800 bp左右出現(xiàn)了明顯的條帶,條帶大小與預(yù)期的目的條帶大小相一致,見圖3。
A.VH-Linker-VLλ基因擴增產(chǎn)物;B.VH-Linker-VLκ基因擴增產(chǎn)物;M.DNA相對分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1.VH-Linker-VLλ;2.VH-Linker-VLκA.VH-Linker-VLλ gene amplification product;B.VH-Linker-VLκ gene amplification product;M.DL2000 DNA marker;1.VH-Linker-VLλ;2.VH-Linker-VLκ圖3 豬源抗體ScFv(VH-Linker-VL)基因擴增Fig.3 Porcine antibody ScFv(VH-Linker-VL) gene amplification
將構(gòu)建的pMDTM20-T-ScFv(VH-Linker-VL)質(zhì)粒送楊凌天潤奧科生物科技有限公司進(jìn)行測序,共挑選了17個單克隆,經(jīng)測序后發(fā)現(xiàn)其序列與NCBI網(wǎng)站上公布的豬IgG可變區(qū)序列的框架區(qū)基本一致、CDR區(qū)存在差異,符合豬IgG輕重鏈可變區(qū)基因結(jié)構(gòu)。將以上基因序列進(jìn)行pET-30a-ScFv質(zhì)粒的構(gòu)建,VH-Linker-VL位于pET-30a的NdeⅠ和XhoⅠ酶切位點之間。
其中,VH-Linker-VLλ11測序結(jié)果如圖4所示。
圖4 pMDTM20-T-ScFv(VH-VLλ11)質(zhì)粒測序峰圖Fig.4 pMDTM20-T-ScFv (VH-VLλ11) plasmid sequencing peak map
對構(gòu)建的pET-30a-ScFv質(zhì)粒進(jìn)行抗體蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)。結(jié)果顯示:僅pET-30a-VH-VLλ11在37 ℃ 誘導(dǎo)后出現(xiàn)1條27 ku的特異蛋白條帶(包涵體),大小與預(yù)期相符,并在誘導(dǎo)劑濃度為1/1 000,誘導(dǎo)時間為6 h時,ScFv抗體表達(dá)量達(dá)高峰。將表達(dá)的VH-VLλ11抗體進(jìn)行鎳柱純化,結(jié)果如圖5所示。
M.未染色蛋白質(zhì)分子標(biāo)準(zhǔn)(26610);1、2.ScFv抗體(VH- VLλ11)M.Unstained protein MW marker (26610);1,2.ScFv antibody(VH- VLλ11)圖5 pET-30a-ScFv(VH-VLλ11)抗體蛋白純化濃縮Fig.5 pET-30a-ScFv (VH-VLλ11) antibody protein purification concentration map
2.6.1 VH-VLλ11包被檢測板鑒定ASFV 將表達(dá)純化的VH-VLλ11抗體蛋白包被檢測板鑒定其與ASFV的反應(yīng)活性,結(jié)果顯示VH-VLλ11抗體具有ASFV反應(yīng)活性,如圖6所示。
圖6 VH-VLλ11包被檢測板鑒定ASFVFig.6 Identification of ASFV coated with VH-VLλ11
2.6.2 ASFV抗原包被檢測板鑒定VH-VLλ11以P73兔抗捕獲ASFV抗原包被檢測板檢測純化的VH-VLλ11抗體蛋白,結(jié)果顯示,VH-VLλ11抗體蛋白與ASFV具有反應(yīng)性,如圖7所示。
圖7 ASFV包被檢測板鑒定VH-VLλ11Fig.7 Identification of VH-VLλ11 coated with ASFV
2.6.3 VH- VLλ11抗體間接免疫熒光鑒定 以6×-His Tag Monoclonal Antibody (HIS.H8),Alexa Fluor 555進(jìn)行VH-VLλ11抗體的熒光染色,結(jié)果顯示VH-VLλ11可與處于細(xì)胞質(zhì)中的ASFV發(fā)生反應(yīng),如8所示。
目前,ASFV對全球養(yǎng)豬業(yè)造成了巨大威脅,中國作為養(yǎng)豬大國,豬肉更是老百姓的日常肉類主要來源。自2018年我國暴發(fā)非洲豬瘟疫情以來,豬肉價格大幅上漲,給百姓的日常生活帶來了極大的影響??蒲袑W(xué)者夜以繼日,積極進(jìn)行ASFV疫苗的研發(fā),但目前全球還未有商品化的ASFV疫苗,因此,ASF的快速診斷對防控該病至關(guān)重要??贵w作為診斷方法中的核心成分,是決定診斷方法優(yōu)劣的重要因素,在本研究中,主要致力于制備一種分子量小、穿透力強、異源性低的ScFv。
本研究通過分離了ASFV感染康復(fù)豬的外周血淋巴細(xì)胞,從中提取RNA來作為擴增模板,考慮到豬的抗體輕鏈類型有λ型和κ型兩種,作者在設(shè)計引物時分別設(shè)計了兩種輕鏈類型的引物,并通過在引物5′端添加Linker序列(一段由甘氨酸和絲氨酸組成的多肽鏈),利用重疊PCR(SOE-PCR)擴增得到VH-VLκ和VH-VLλ兩種基因。BLAST比對結(jié)果顯示,獲取的基因與NCBI網(wǎng)站上公布的豬IgG重鏈與輕鏈基因的相似性均達(dá)80%以上,后由公司代為構(gòu)建pET-30a-ScFv表達(dá)質(zhì)粒,最終通過大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)得到VH-VLλ11抗體蛋白。
將表達(dá)的蛋白純化后進(jìn)行ELISA檢測技術(shù)及IFA試驗驗證,證實VH-VLλ11抗體蛋白具有ASFV反應(yīng)活性,但反應(yīng)活性較低,這與ScFv親和力低的特性相一致,其主要原因主要有兩點:一是由于ScFv與常規(guī)抗體相比,少了Fc結(jié)構(gòu)域,F(xiàn)c結(jié)構(gòu)域的缺失雖然能夠降低抗體的異源反應(yīng)[27],但也在一定程度上影響了抗體親和力,二是因為ScFv的表達(dá)多選擇大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng),其獨特的還原性環(huán)境,影響了抗體表達(dá)過程中二硫鍵的形成,導(dǎo)致所表達(dá)的抗體蛋白多以包涵體的形式存在[28],從而掩蓋了抗體的部分抗原表位,降低了抗體親和力。當(dāng)然,ScFv親和力低的問題可以通過優(yōu)化表達(dá)系統(tǒng)、增加伴侶蛋白等方式解決[29]。
本研究制備了一種與ASFV具有反應(yīng)性的ScFv,后續(xù)可以應(yīng)用ScFv作為捕獲抗體或者檢測抗體,建立檢測ASFV的ELISA方法,或者包被滅活A(yù)SFV,應(yīng)用抗ASFV ScFv建立競爭或者阻斷ELISA方法。此抗體的成功制備填補了目前市場上ASFV ScFv抗體的空白,克服了單克隆抗體制備周期長、異源性強的問題,為ASF的診斷提供了新的原材料。
圖8 VH-VLλ11的間接免疫熒光試驗Fig.8 Indirect immunofluorescence experiment of VH-VLλ11
通過分離ASFV感染康復(fù)豬外周血淋巴細(xì)胞,提取淋巴細(xì)胞總RNA,應(yīng)用SOE-PCR技術(shù)成功獲得豬源ScFv基因,然后應(yīng)用大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)ScFv基因,經(jīng)過ELISA和IFA鑒定,成功獲得1株具有ASFV反應(yīng)活性的豬源ScFv(VH- VLλ11),為ASF的診斷注入新力量。