張爽,郝鵬飛,伊立超1,,姜宇航,郝嘉翼,李樂天,時小雙,徐鵬,金寧一,賈立軍,李昌*
(1. 延邊大學農學院,吉林 延吉 133000;2. 中國農業(yè)科學院長春獸醫(yī)研究所/中國醫(yī)學科學院人獸共患病毒病防控關鍵技術研究創(chuàng)新單元,吉林 長春 130122)
豬δ冠狀病毒(porcine delta corona virus,PDCoV)是套式病毒目(Nidovirales)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、冠狀病毒亞科(Coronavirinae)、δ冠狀病毒屬(Deltacoronavirus)成員[1],是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種豬腸道致病性冠狀病毒,可以感染各年齡段豬群,哺乳期仔豬最易感。臨床癥狀表現(xiàn)為急性水樣腹瀉、嘔吐、脫水等[2],具有較強的致病性,哺乳仔豬感染后死亡率可高達30%~40%[3]。PDCoV在2012年由Woo等[4]在我國香港家豬的糞便樣本中首次發(fā)現(xiàn),2014年在美國俄亥俄州腹瀉仔豬和母豬的糞便中再次檢測到PDCoV,并迅速波及美國多洲及加拿大部分地區(qū)。之后在韓國、中國大陸、日本、越南、泰國等地也檢測到了PDCoV毒株,對世界養(yǎng)豬業(yè)造成重大經濟損失[5-9],但目前關于PDCoV的致病機制及其與宿主細胞的相互作用關系仍不是很清楚。
PDCoV是一種有囊膜的單股正鏈RNA病毒,基因組大小約為25.4 kb,其病毒粒子直徑約為60~180 nm,呈球形或橢圓形,外層有冠狀纖突囊膜包裹,整體呈“皇冠”狀[10]。與其他冠狀病毒一樣,PDCoV由4種主要結構蛋白構成:即刺突蛋白(spike protein,S)、包膜蛋白(envelope protein,E)、膜蛋白(membrane protein,M)、核衣殼蛋白(nuecleocapsid protein,N)。其中S蛋白是Ⅰ型跨膜糖蛋白,能夠介導細胞黏附、促進病毒與細胞膜融合,從而介導病毒入侵,此外S蛋白還能介導某些中和抗體的產生。S蛋白包括S1和S2兩個部分,S1主要負責與受體細胞的識別與結合,S2則與膜融合相關。冠狀病毒受體結合結構域(receptor-binding domain,RBD)是S1區(qū)域高度保守的一段序列,位于其結構域殘基的318~510處[11],理論上RBD結合功能性受體(ACE2)的親和力高于完整S1結合功能受體的親和力[12],RBD區(qū)域決定病毒的宿主范圍及嗜性,也是影響病毒與受體之間相互作用的重要因素。
目前尚無有效的藥物和疫苗針對PDCoV,因此,本試驗以PDCoV受體結合結構域RBD蛋白為研究對象,通過Bac-to-Bac桿狀病毒表達系統(tǒng)表達RBD蛋白,為今后PDCoV的診斷和新型疫苗研究奠定基礎。
桿狀病毒雙表達載體pFastBacTM、DH10 Bac感受態(tài)大腸桿菌購自Thermo Scientific公司;SF9昆蟲細胞由中國農業(yè)科學院長春獸醫(yī)研究所保存。
昆蟲細胞培養(yǎng)基SF900 Ⅱ SFM購自GIBCO公司;轉染試劑CellfectinTMⅡ Reagent購自Thermo Fisher公司;2×PCR mix buffer、T4-DNA連接酶、DNA Marker、Trans1-T1感受態(tài)細胞均購自大連TaKaRa公司;pFastBacTM雙載體、EcoRⅠ、XbaⅠ均購自Thermo Scientific公司;BCA蛋白定量試劑盒購自Beyotime公司;Anti-strep tag抗體購自Abcam公司;HRP標記山羊抗鼠IgG、Cy3標記山羊抗鼠IgG購自碧云天生物技術公司。
根據PDCoV的S蛋白氨基酸序列(GenBank:QAA06990.1),選取其受體結合域RBD基因序列,并在N端插入Strep-tag標簽,上下游分別添加EcoRⅠ和XbaⅠ兩個酶切位點,將該段序列進行桿狀病毒表達偏愛密碼子優(yōu)化,交由南京金斯瑞公司合成。
依據pFast Bac Dual載體序列設計合成檢測重組桿狀病毒的通用引物。引物由吉林省庫美生物技術有限公司合成。
將合成并測序正確的的基因PDCoV-RBD亞克隆至桿狀病毒雙表達載體的PH啟動子下游,命名為pFBD-PDR(圖1),提取質粒后利用EcoRⅠ、XbaⅠ進行雙酶切鑒定。
圖1 pFBD-PDR重組質粒設計示意
將重組質粒pFBD-PDR轉化到DH10BacTM感受態(tài)細胞中,并涂布于藍白斑篩選平板:含有四環(huán)素(10 mg/L)、硫酸卡鈉霉素(50 mg/L)、慶大霉素(7 mg/L)、IPTG(40 mg/L)、X-Gal(100 mg/L)的LB固體培養(yǎng)基,37 ℃避光培養(yǎng)48 h以上。挑取較大的白色菌落在上述固體培養(yǎng)基上進行劃線接種,37 ℃避光培養(yǎng)48 h以上。挑取劃線平板上較大的白色菌落接種至含四環(huán)素(10 mg/L)、硫酸卡鈉霉素(50 mg/L)、慶大霉素(7 mg/L)的三抗液體培養(yǎng)基中,37 ℃,220 r/min振蕩培養(yǎng)12 h。以PH-F和M13-R游引物進行菌液PCR鑒定(上游引物5′-TTCATACCGTCCCACCAT-3′;下游引物:5′-AGCGGATAACAATTTCACACAGG-3′),驗證桿狀病毒基因組是否轉座成功。并提取驗證正確的菌株桿粒,命名為Bacmid-PDR。
提前準備細胞密度為1.5×106~2.5×106個/mL且狀態(tài)良好的SF9細胞6孔板,將培養(yǎng)基更換為1 mL雙無Grace’s培養(yǎng)基。并另取2個100 μL雙無Grace’s培養(yǎng)基,分別加入4 μL CellfectinTMⅡ Reagent 轉染試和4 μg陽性重組桿粒,并輕輕混勻后靜置15 min,再將二者輕輕混勻,靜置20 min后緩慢、均勻加入到6孔板中。27 ℃培養(yǎng)6 h后更換培養(yǎng)基為2 mL SF9Ⅱ完全培養(yǎng)基。27 ℃培養(yǎng)5~7 d,待大部分細胞出現(xiàn)明顯病變(CPE)后收取細胞上清液為第一代重組桿狀病毒,命名為rBV-PDR,后繼續(xù)盲傳3代。
取生長狀態(tài)良好的SF9細胞均勻鋪入6孔板,待細胞長至60%~70%,每孔接種20 μL的P2代rBV-PDR,27 ℃培養(yǎng)48 h后棄掉培養(yǎng)基。用PBS輕洗3次,加入細胞固定液固定30 min,PBS洗3次;Trion X-100透化處理10 min,PBS清洗1次;5%脫脂乳封閉1 h,PBST洗3次;1∶1 000稀釋Anti-strep tag一抗37 ℃孵育2 h,PBST洗3次;1∶2 000稀釋Cy3-標記的山羊抗鼠IgG室溫避光孵育40 min,PBST洗2次。熒光顯微鏡觀察。
PDCoV-RBD蛋白表達4 000 r/min離心5 min收集感染第3代rBV-PDR的SF9細胞,加入適量IP裂解液裂解破碎后12 000 r/min離心3 min,收取上清后制備蛋白樣品。通過SDS-PAGE,將蛋白轉印至硝酸纖維膜上,以1∶1 000稀釋的Anti-strep tag為一抗,1∶5 000稀釋的山羊抗鼠IgG為二抗,進行Western blot鑒定。
PDCoV-RBD氨基酸同源性分析與序列比對見圖2。
圖2 PDCoV-RBD氨基酸同源性分析(A)與序列比對(B)
選取的目的氨基酸序列來自于中國南方流行株CC-HN2K-02株S蛋白(GenBank:QAA06990.1)的302~422 aa處,將其與NCBI上我國其他已知典型毒株S蛋白上對應的RBD氨基酸序列(23條)進行同源性分析,結果顯示,該氨基酸序列完全一致(圖略);將其與國外流行株進行對比(圖2),同源性介于98.3%~100%,除泰國的3株毒株氨基酸序列(ANK58278.1 Thailand 2015、AMN91712.1 Thailand 2015、AMN91700.1 Thailand 2015)第46位與48位分別突變?yōu)長與R外,其余毒株均未發(fā)生變化,表明RBD氨基酸序列具有高度保守性。
利用EcoRⅠ、XbaⅠ對重組質粒pFBD-PDR進行雙酶切鑒定,經1%瓊脂糖電泳,結果顯示,得到1條636 bp左右的目的條帶(圖3),與預期合成片段大小一致;膠回收DNA片段后測序,驗證該序列為目的序列,表明重組質粒構建成功。
M.DL5000 Marker;1.重組質粒;2.重組質粒雙酶切
利用PH-F和M13-R引物對Bacmid-PDR 菌液進行PCR擴增,結果得到1條1 200 bp左右的條帶(圖4),與預期結果一致,表明重組桿粒Bacmid-PDR構建成功。
重組桿粒rBV-PDR轉染SF9細胞產生P1代毒。與正常SF9細胞(圖5A)相比,轉染P3代毒的細胞在72~96 h后與出現(xiàn)典型CPE(圖5B、5C)出現(xiàn)變大、變圓、細胞邊界模糊、貼壁細胞數量減少、部分細胞破碎漂浮等情況,表明重組桿狀病毒rBV-PDR拯救成功。
利用Strep-tag抗體對感染重組桿狀病毒rBV-PDR的SF9細胞進行IFA檢測,結果顯示,正常SF9細胞未出現(xiàn)特異性熒光,而感染重組桿狀病毒rBV-PDR的SF9細胞出現(xiàn)特異性紅色熒光(圖6),表明成功表達外源蛋白且表達的外源蛋白位于細胞核外。
A.正常SF9細胞;B.重組桿粒Bacmid-PDR轉染72 h的SF9細胞;C.P3代重組桿狀病毒感染120 h的SF9細胞
圖6 IFA鑒定PDCoV-RBD蛋白的表達(400×)
收集感染rBV-PDR的SF9細胞沉淀,進行裂解和破碎,12 000 r/min離心3 min后取上清裂解液制備蛋白樣品。SDS-PAGE后,以Strep-tag抗體為一抗進行Western blot檢測。結果顯示,與正常SF9細胞裂解液相比,感染rBV-PDR的SF9細胞裂解液中檢測到約22 kDa的蛋白條帶(圖7),與預期蛋白大小一致。進一步表明桿狀病毒表達系統(tǒng)能夠表達PDCoV-RBD蛋白。
M.蛋白Marker;1.正常細胞;2.重組病毒感染細胞
PDCoV作為一種2012年新發(fā)現(xiàn)的豬腹瀉病毒,常與豬流行性腹瀉病毒(PEDV)、豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)等其他病原發(fā)生混合或繼發(fā)感染的情況,給多國養(yǎng)豬業(yè)帶來嚴重經濟損失[13-15]。冠狀病毒的S蛋白具有識別受體、介導病毒侵入宿主細胞的功能,同時S蛋白也是決定病毒宿主范圍及組織趨向性的關鍵結構[16-18]。另外,S蛋白作為重要抗原,能夠刺激天然宿主產生中和抗體[19-21]。S蛋白由受體結合亞結構S1蛋白和膜融合亞結構S2蛋白組成,其中,S1結構域不止包含多個能夠誘導產生中和抗體的中和表位[22],同時也具有識別受體、結合細胞的重要作用。候林杉等[23]以PDCoVHB-BD株的S1蛋白為基礎,利用pET-32a載體構建了pET-32a-S1重組質粒,轉化到BL21 (DE3) 感受態(tài)細胞中,誘導表達后利用His標簽純化蛋白,Western blot結果表明該方法表達的S1蛋白具有良好的免疫反應活性。Thachil等[24]利用真核表達載體成功表達了S1-Fc融合蛋白,在純化后去除Fc標簽,得到了PDCoV IA2014-1株(GenBank:KM613173)S1蛋白(氨基酸序列1~573),該蛋白具有良好的反應原性。S1結構域因其參與病毒入侵受體細胞、誘導產生中和抗體,成為PDCoV的重點研究區(qū)域。理論上PDCoV RBD結構域是S1蛋白的截短表達,含有多個抗原表位,是重要的免疫原性區(qū)域。Shang等[25]發(fā)現(xiàn)PDCoVS蛋白的S1-CTD區(qū)域能夠與宿主表面的未識別受體結合,推測該段包含主要RBD,為PDCoV RBD的研究奠定了基礎。
昆蟲細胞-桿狀病毒表達系統(tǒng)是以桿狀病毒為載體、在昆蟲細胞內表達外源蛋白的真核表達系統(tǒng)。該表達系統(tǒng)不但能對表達的重組蛋白進行糖基化、乙?;⒘蛩峄?、寡聚化、折疊等多種翻譯后修飾,還因為具有高度的種屬特異性,對包括人在內的哺乳動物無致病性的優(yōu)點,具有良好的生物安全性[26-28]。因此,桿狀病毒表達系統(tǒng)是以桿狀病毒為載體的一種成熟、高效、安全的真核表達系統(tǒng)。本試驗利用分子克隆技術將修飾后的PDCoV-RBD基因重組到桿狀病毒表達載體中,構建了pFBD-PDR質粒,將獲得的穿梭質粒轉染到SF9昆蟲細胞,獲得重組桿狀病毒。經間接免疫熒光和Western blot證明了感染rBac-PDR的SF9細胞能夠正確表達PDCoV-RBD蛋白。
綜上,本試驗利用昆蟲桿狀病毒真核表達系統(tǒng)成功表達了PDCoV-RBD蛋白,為進一步研究PDCoV-RBD蛋白的生物學特性奠定了基礎,也為后續(xù)PDCoV診斷試劑的研發(fā)、亞單位疫苗的制備等提供了新的思路。