王顯赫,徐梧皓,張鑫林,馬大宇,雷亞峰,鄭亮,2,郭德軒,吳志軍,2,3,張華,2,3,曹宏偉,2,3
(1.黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院,大慶 163000;2.黑龍江八一農墾大學動物科技學院;3.黑龍江八一農墾大學生物技術中心)
豬流行性腹瀉病毒(Porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)是引起豬流行性腹瀉(Porcine epidemic diarrhea,PED)的一種單股正鏈RNA 病毒,屬于尼多病毒目(Nidovirales)冠狀病毒科(Coronaviridae)α 冠狀病毒屬(Coronavirus)的成員之一[1]。該病對各年齡段的豬皆易感,并且能夠引起仔豬的嘔吐,腹瀉,脫水而死,感染仔豬死亡率高達百分之九十[2]。雖然目前全球的科研工作者已經(jīng)對PEDV 病毒有了較為廣泛的認知與研究,但由于其RNA 病毒具有高變異性等特點,導致一直以來并沒有特別有效的方法控制其增殖,任由其肆虐全球。
E 基因是PEDV 編碼最小的一個結構蛋白基因,全長為231 bp,其編碼蛋白大小約為7 kD,由76 個氨基酸組成,為II 型膜蛋白[3]。E 蛋白也是病毒粒子囊膜的組成成分之一,其C 端朝向病毒粒子的內部,N 端朝向病毒粒子的外部,并且包埋在脂質雙分子層中[4]。與其他結構蛋白類似,E 蛋白也是一個多功能的蛋白,參與病毒囊膜的形成,在病毒復制和出芽過程中起重要作用[5]。
內質網(wǎng)(Endoplasmic reticulum,ER)是真核細胞的重要細胞器,主要負責蛋白質折疊和修飾、脂質生物合成和鈣穩(wěn)態(tài)[6-9]。當病原體入侵時,未折疊或錯誤折疊的蛋白質在內質網(wǎng)中積累,常常會導致內質網(wǎng)應激,內質網(wǎng)應激與宿主抗病毒天然免疫有著密切關系,內質網(wǎng)應激往往能夠激活天然免疫信號通路來抑制病毒的復制[9-11]。在內質網(wǎng)應激下,能夠激活一種叫做未折疊蛋白反應(Unfold protein response,UPR)的信號通路。UPR 通過減弱蛋白質合成、上調蛋白質折疊和轉運機制以及激活ER 相關降解系統(tǒng)來恢復ER 穩(wěn)態(tài)。當內質網(wǎng)應激時間過長且嚴重到內質網(wǎng)功能無法恢復時,UPR 會通過激活細胞凋亡來清除受損細胞[12-16]。研究以PEDV E 蛋白的真核表達載體感染宿主細胞,驗證其正確表達和亞細胞定位,并通過利用免疫印跡技術檢測UPR 反應的關鍵蛋白GRP78 表達水平,研究PEDV E 蛋白對內質網(wǎng)應激與未折疊蛋白反應的影響,為PEDV 與內質網(wǎng)應激之間的關系提供參考。
1.1.1 細胞與質粒
人腎上皮細胞(HEK-293T)、豬腎上皮細胞(PK15)由實驗室保存。細胞用Gibco 生物公司DMEM 培養(yǎng)基,加入10%胎牛血清以及100 μg·mL-1的青霉素與鏈霉素,在含5% CO2的37 ℃二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
pCMV-Myc 質粒和pCMV-Myc-E 質粒(PEDV E基因連接至pCMV-Myc 載體)由實驗室構建保存。
1.1.2 抗體與試劑
鼠抗β-actin(TA-09)、山羊抗小鼠辣根酶標記IgG(ZB-2305)、山羊抗兔辣根酶標記IgG(ZB-2301)、鼠抗Myc 單克隆抗體(TA-01)、兔抗β-actin單克隆抗體(ZM-0001)、TRITC 標記的山羊抗小鼠IgG(ZF-0313)購自北京中杉金橋生物技術有限公司;兔抗GRP78 抗體(AF-0171)購自碧云天生物技術公司;轉染試劑脂質體Lipo 2000(11668019)購自Invitrogen 公司;質粒小提試劑盒(D6943-02)和膠回收試劑盒(D2500-02)購自Omega 公司;毒胡蘿卜素Thapsigargin(T9033)購自Sigma 公司。
1.2.1 PEDV E 蛋白轉染細胞
在轉染質粒的前一天將HEK-293T 和PK15 細胞接種到24 孔板中,待細胞長滿每孔的80%時,用PBS 緩沖液清洗細胞培養(yǎng)板,每孔加入400 μL 不含胎牛血清的DMEM 培養(yǎng)基,放入含5%CO2的37 ℃二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 min 。將對應的pCMV-Myc質粒和pCMV-Myc-E 質粒以800 ng 劑量與轉染試劑脂質體Lipo 2000 混合,靜置20 min 后,加入到相應的孔中分別培養(yǎng)12、24 h 和48 h 后收集細胞。
1.2.2 PEDV E 蛋白間接免疫熒光(IFA)鑒定
取出已經(jīng)培養(yǎng)HEK-293T 和PK15 細胞24 h 后的細胞培養(yǎng)板,棄掉細胞培養(yǎng)液,用PBS 緩沖液清洗兩次細胞培養(yǎng)孔,每孔500 μL 4%多聚甲醛固定細胞20 min,利用預冷PBS 清洗細胞孔3 次,每孔加入250 μL 濃度為0.1%的Triton X-100 溶液,透膜20 min,再次利用PBS 緩沖液清洗細胞孔3 次,每孔加入500 μL 現(xiàn)用現(xiàn)配的5%BSA 封閉2 h,再次利用PBS 緩沖液清洗細胞孔3 次,每孔加入250 μL 鼠抗Myc 單克隆抗體(1∶500)作為一抗室溫孵育2 h,利用PBS 緩沖液清洗細胞孔3 次,每孔加入250 μL 的TRITC 標記的山羊抗小鼠IgG(1∶500)作為二抗室溫避光孵育2 h,利用PBS 緩沖液清洗細胞孔3 次,DAPI 染色劑染色10 min 后用免疫熒光顯微鏡觀察PEDV E 蛋白表達。
1.2.3 Western Blot 檢測PEDV E 蛋白對內質網(wǎng)應激關鍵蛋白GRP78 的影響
將已經(jīng)分別轉染12、24 h 和48 h 后的細胞培養(yǎng)板取出,每孔用PBS 緩沖液清洗3 次,每孔加入35 μL 含1∶100 PMSF 的RIPA 裂解液在冰上裂解細胞30 min,用細胞刮刀將細胞刮下并且收集到1.5 ml EP 管中,4 ℃,12 000×g 離心10 min。取新的1.5 mL EP 管加入8.75 μL 的5×Loading Buffer,與上清混勻后沸水浴變性10 min,再次12 000×g 離心10 min。配置SDS-PAGE 凝膠,每孔上樣10 μL,濃縮膠和分離膠分別用80 V 和120 V 電壓進行電泳,對應Marker 剪下條帶(GRP78:72 KDa;β-actin:42 KDa;Myc-E:15 KDa)。恒定電流0.2 A 轉膜150 min,用5%脫脂奶粉封閉2 h。分別以兔抗GRP78 抗體(1∶1 000),鼠抗β-actin(1∶1 000)和鼠抗Myc(1∶1 000)為一抗孵育2 h,用TBST 緩沖液清洗8 次,每次15 min;山羊抗兔辣根酶標記IgG(1∶3 000)和山羊抗小鼠辣根酶標記IgG 為二抗孵育2 h,用TBST 緩沖液清洗8 次,每次15 min,最后曝光得出結果。進行Western Blot 檢測PEDV E 蛋白時間和劑量梯度對UPR 反應關鍵蛋白GRP78 表達的影響。
將pCMV-Myc-E 質粒和空白組分別轉染HEK-293T 和PK15 細胞系24 h 后收樣,通過Western Blot檢測PEDV E 蛋白表達情況,結果顯示,轉染pCMVMyc-E 質粒的實驗組檢測到了PEDV E 蛋白的條帶,而轉染pCMV-Myc 質粒以及空白對照實驗組沒有檢測到PEDV E 蛋白的表達(圖1),以上結果說明pCMV-Myc-E 質粒能夠在HEK-293T、PK15 細胞系內表達E 蛋白。
圖1 Western Blot 檢測證實PEDV E 蛋白表達Fig.1 Western Blot test confirmed PEDV E protein expression
利用pCMV-Myc-E 質粒分別轉染HEK-293T、PK15 細胞系24 h 后收樣,運用IFA 方法檢測PEDVE 蛋白,結果顯示,在HEK-293T 細胞系內,轉染pCMV-Myc-E 質粒的實驗組檢測到了定位在細胞質上的PEDV E 蛋白,而轉染pCMV-Myc 質粒以及空白對照實驗組并沒有檢測到PEDV E 蛋白的表達,在PK15 細胞系內有同樣的結果(圖2),以上結果同樣說明pCMV-Myc-E 質粒能夠在HEK-293T、PK15 細胞系內表達E 蛋白。
圖2 間接免疫熒光(IFA)檢測PEDV E 蛋白表達Fig.2 Indirect immunofluorescence detection of PEDV E protein expression
將pCMV-Myc-E 質粒分別轉染HEK-293T、PK15 細胞系24 h 后收樣,運用Western Blot 檢測內質網(wǎng)應激關鍵蛋白GRP78 的變化,結果顯示,轉染pCMV-Myc-E 重組質粒實驗組和毒胡蘿卜素Thapsigargin(TG)處理組的GRP78 蛋白表達量與空白對照組相比有非常明顯的增加,而轉染pCMV-Myc 質粒實驗組的GRP78 蛋白表達量與空白對照組相比則無明顯差異(圖3)。以上結果表明,PEDV E 蛋白轉染HEK-293T、PK15 細胞能夠引起GRP78 蛋白表達量的上調,進而引起UPR 反應和內質網(wǎng)應激。而pCMV-Myc 質粒轉染HEK-293T、PK15 細胞并不能夠引起GRP78 蛋白表達量的上調。
圖3 PEDV E 蛋白能夠引起UPR 關鍵蛋白GRP78 的上調Fig.3 PEDV E protein can cause the up-regulation of UPR key protein GRP78
利用pCMV-Myc-E 質粒以及pCMV-Myc 質粒以劑量梯度(800、1 200、1 600 ng)分別轉染HEK-293T、PK15 細胞24 h 后收樣。Western Blot 檢測結果顯示,UPR 關鍵蛋白GRP78 蛋白表達量隨著轉染pCMVMyc-E 質粒濃度的升高而表達量逐漸上調,而PEDV E 蛋白的表達量也逐漸增加;而GRP78 蛋白的表達量并不隨著pCMV-Myc 質粒轉染濃度的提升而增加(圖4),以上結果表明,隨著PEDV E 蛋白轉染劑量的增多,GRP78 蛋白的表達量也隨之增加,UPR 反應逐漸加劇,而隨著pCMV-Myc 質粒轉染劑量的增加,GRP78 蛋白的表達量無明顯變化,這進一步說明pCMV-Myc 不能夠引起內質網(wǎng)應激。
圖4 PEDV E 蛋白劑量梯度引起UPR 關鍵蛋白GRP78 表達上調Fig.4 PEDV E protein dose gradient causes up-regulation of UPR key protein GRP78 expression
利用pCMV-Myc-E 質粒以及pCMV-Myc 質粒以時間梯度(12、24、48 h),800 ng 分別轉染HEK-293T、PK15 細胞收樣。Western Blot 檢測結果顯示,內質網(wǎng)應激關鍵蛋白GRP78 蛋白表達量隨著轉染pCMVMyc-E 質粒轉染時間的延長而表達量逐漸上調,而PEDV E 蛋白的表達量也逐漸增加;而GRP78 蛋白的表達量并不隨著pCMV-Myc 質粒轉染時間的延長而增加(圖5),以上結果表明,隨著PEDV E 蛋白轉染時間的增加,GRP78 蛋白的表達量也隨之增加,內質網(wǎng)應激反應逐漸加劇,而隨著pCMV-Myc 質粒轉染時間的增加,GRP78 蛋白的表達量無明顯變化,這說明pCMV-Myc 不能夠引起內質網(wǎng)應激。
圖5 PEDV E 蛋白時間梯度引起內質網(wǎng)應激關鍵蛋白GRP78 表達上調Fig.5 The time gradient of PEDV E protein causes up-regulation of the expression of GRP78,a key protein of endoplasmic reticulum stress
內質網(wǎng)是真核細胞內合成與運輸?shù)鞍踪|重要的細胞器,當外界環(huán)境發(fā)生變化,如:紫外滅活,與葡萄糖剝奪、缺氧、異常Ca2+的調節(jié),以及病原體的入侵等等,內質網(wǎng)腔內會累積大量的未折疊或錯誤折疊蛋白質。這些未折疊蛋白質能夠引起結合在未折疊蛋白反應(UPR)效應器上的葡萄糖調節(jié)蛋白78(GRP78)解離并且與未折疊蛋白質結合,激活UPR反應,進而激活內質網(wǎng)應激。目前已有研究發(fā)現(xiàn)多種病毒感染能夠激活UPR 反應,如:TGEV 病毒感染細胞會激活全部的三種UPR 信號通路,并且PERKeIF2α 信號通路可以負調控TGEV 病毒的復制[17];陳全鋼的研究發(fā)現(xiàn)豬繁殖與呼吸綜合征病毒感染MARC-145 細胞能夠激活PERK 和IRE-1 信號通路,但不激活ATF6 信號通路[18];腸道病毒EV71 感染細胞能夠激活IRE1-XBP1 和PERK 信號通路,而且抑制磷酸化的IRE1 時,病毒的復制能力增強,抑制IRE1 核酸內切酶活性會導致EV71 病毒復制能力的減弱[19]。
PEDV 自2010 年在我國大規(guī)模爆發(fā)以來,由于其對仔豬高致死率以及高突變性,給我國養(yǎng)豬業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。而E 蛋白又是構成PEDV 的結構蛋白之一,能夠參與病毒囊膜的形成并且在病毒復制與出芽過程中發(fā)揮重要作用[20]。因此,研究PEDV E 蛋白對內質網(wǎng)的刺激以及內質網(wǎng)應激下游分子調控PEDV 的復制就顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn),PEDV E 蛋白能夠引起內質網(wǎng)應激標志性蛋白GRP78 的增加,說明PEDV E 蛋白能夠引起內質網(wǎng)應激反應,由于PEDV E 蛋白定位在細胞質上,當PEDV E 蛋白表達量隨著轉染劑量和轉染時間的增加而增加,導致內質網(wǎng)中未折疊或者錯誤折疊蛋白數(shù)量上升,GRP78 蛋白與UPR 反應效應器分離,激活了UPR 反應,但是具體是激活UPR 反應的哪幾條信號通路,對內質網(wǎng)應激下游分子的調控還需后續(xù)研究證明,以其為研制出PEDV 與宿主互作提供理論基礎。