張娟,魯明,朱海蓮,何麗存,顧冉,李代英,3,陳俊英,3,潘玥,3,孫強(qiáng)明,3
1.昆明醫(yī)科大學(xué),云南 昆明 650500;2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所云南省重大傳染病疫苗研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650118;3.云南省蟲媒傳染病防控研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 普洱 665000
外泌體最早發(fā)現(xiàn)于體外培養(yǎng)的綿羊紅細(xì)胞上清液中,是由活細(xì)胞分泌的具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的外囊泡,直徑為30~150 nm,密度在1.10~1.20 g/mL之間[1]。起初,外泌體被當(dāng)作細(xì)胞的“代謝廢物”,隨著研究的深入,研究者發(fā)現(xiàn)外泌體在生物體的生理學(xué)和病理學(xué)中發(fā)揮著重要作用[2]。外泌體可包裹蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等生物活性分子,經(jīng)過“內(nèi)吞-融合-外排”等一系列過程到達(dá)機(jī)體各處,進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[3-5]。
登革病毒(Dengue virus,DENV)為單股正鏈RNA病毒,屬于黃病毒科黃病毒屬,包括4種不同的血清型,每一型均具有傳染性且能致?。?-7]。DENV通過白紋伊蚊和埃及伊蚊叮咬后傳播,引發(fā)登革熱,是全球分布最廣、發(fā)病較多、危害較大的一種蟲媒病疾?。?]。乳倉鼠腎細(xì)胞(baby hamster syrian kidney,BHK)是培養(yǎng)和分離DENV的哺乳細(xì)胞系之一,該細(xì)胞易培養(yǎng),增殖快,對病毒易感,在研發(fā)和生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛[9]。
外泌體的形成和釋放依賴多泡體(multivesicular bodies,MVBs)與質(zhì)膜的融合,病毒作為細(xì)胞內(nèi)寄生物,必須在細(xì)胞內(nèi)才能完成復(fù)制周期從而產(chǎn)生新的感染性病毒粒子,該過程需要胞內(nèi)囊泡的參與[10-11]。研究發(fā)現(xiàn),從豬繁殖與呼吸綜合征病毒(porcine reproductive respiratory syndrome,PRRS)、甲型肝炎病毒(hepatitis A virus,HAV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)感染細(xì)胞上清中提取的外泌體中包含病毒核酸,可在受體細(xì)胞中建立新的感染且無法被病毒特異性中和抗體阻斷[12-14]。病毒能利用外泌體在宿主靶細(xì)胞之間自由穿梭和準(zhǔn)確定位的特點(diǎn),將自身基因組和蛋白等病毒組分載入外泌體中,隨體液循環(huán)到達(dá)機(jī)體各處,導(dǎo)致免疫功能的失調(diào),造成病毒擴(kuò)散及產(chǎn)生免疫抑制[15]。越來越多的研究表明,外泌體在DENV感染細(xì)胞過程中發(fā)揮重要作用,ZHU等[16]發(fā)現(xiàn),干擾素誘導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白3(interferoninduced transmembrane protein 3,IFITM3)能夠通過外泌體在細(xì)胞間進(jìn)行交流,從而阻止DENV進(jìn)入細(xì)胞。另有研究證實(shí),DENV感染C6/36細(xì)胞分泌的外泌體中包含病毒核酸和蛋白,這些外泌體可在未感染的細(xì)胞中建立感染[17-18]。
本研究通過構(gòu)建篩選出一種能穩(wěn)定表達(dá)綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)和外泌體標(biāo)志蛋白CD63的BHK-21細(xì)胞系,進(jìn)一步得到GFP標(biāo)記的BHK-21源性外泌體并進(jìn)行鑒定,最后通過共培養(yǎng)和Transwell試驗(yàn)對外泌體進(jìn)行示蹤,觀察外泌體在受體細(xì)胞中的攝取情況以及DENV感染后細(xì)胞外泌體分泌量的變化,為后續(xù)研究外泌體在病毒感染過程中的信號傳遞和細(xì)胞間物質(zhì)轉(zhuǎn)移機(jī)制提供有力的工具。
1.1 毒株、細(xì)胞及質(zhì)粒 Ⅲ型登革病毒株(基因序列號:KR296744)、BHK-21和293T細(xì)胞均由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所分子流行病研究室保存;pCT-CD63-GFP(CYTO120-PA-1)慢病毒表達(dá)質(zhì)粒購自美國SBI公司;pVS-VG(Env)包膜質(zhì)粒和pSPAX(structure)質(zhì)粒由美國馬里蘭大學(xué)Basile John博士惠贈;E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞購自北京擎科生物科技有限公司。
1.2 主要試劑及儀器 聚凝胺、嘌呤霉素和質(zhì)粒小提試劑盒購自天根生化科技(北京)有限公司;UItra-Fection 3.0高效轉(zhuǎn)染試劑購自四正柏生物科技(北京)有限公司;mRNA selective PCR kit購自寶生物工程(大連)有限公司;RNA酶抑制劑和Trizol試劑盒購自美國Invitrogen公司;鼠抗CD63、CD81單克隆抗體購自美國Abcam公司;HRP標(biāo)記的山羊抗鼠IgG和鼠抗GAPDH單克隆抗體購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;DIO染液和BSA購自北京索萊寶科技有限公司;ZetaView儀購自德國Particle Metrix公司。
1.3 質(zhì)粒擴(kuò)增及提取 取100μL冰上融化的E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞,加入目的質(zhì)粒pCT-CD63-GFP,輕輕混勻,冰上靜置30 min;42℃水浴熱激45 s,迅速轉(zhuǎn)移至冰浴中,靜置2 min;向離心管中加入500μL無抗性LB培養(yǎng)液,37℃,200 r/min復(fù)蘇60 min;取合適體積的復(fù)蘇液均勻涂布至氨芐抗性(100μg/mL)的LB固體培養(yǎng)基上,37℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)過夜;待培養(yǎng)基上長出明顯的菌落,挑取單個(gè)菌落,在LB(Amp+)液體培養(yǎng)基中混勻,37℃,200 r/min振蕩培養(yǎng)12~13 h后,用質(zhì)粒小提試劑盒提取質(zhì)粒。
1.4 慢病毒包裝及滴度測定 以2.5×106個(gè)/皿的密度將293T細(xì)胞接種至10 cm培養(yǎng)皿,待細(xì)胞長成單層后,利用UItraFection 3.0高效轉(zhuǎn)染試劑將pVSVG(Env)包膜質(zhì)粒、pSPAX(structure)質(zhì)粒和pCTCD63-GFP表達(dá)質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞。轉(zhuǎn)染8 h后,棄去含有轉(zhuǎn)染混合液的培養(yǎng)基,加入新鮮完全培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),分別于更換培養(yǎng)基24、48和72 h后收集富含慢病毒顆粒的細(xì)胞上清,使用0.22μm濾膜對病毒液進(jìn)行過濾后,分裝保存至-80℃冰箱。滴度檢測前24 h,將狀態(tài)良好的293T細(xì)胞接種至96孔板,培養(yǎng)24 h后,將收獲的病毒原液連續(xù)10倍系列稀釋(10-1~10-5),加入板中,100μL/孔,同時(shí)設(shè)空白對照組,培養(yǎng)48 h;加入100μL新鮮培養(yǎng)基,37℃,5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)4 d。熒光顯微鏡下觀察,利用倍比稀釋法檢測慢病毒滴度,對熒光比例合適(10%~30%)的孔進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù),按下式計(jì)算病毒滴度。
1.5 慢病毒感染BHK-21細(xì)胞 取生長狀態(tài)良好的BHK-21細(xì)胞,胰酶消化后加入新鮮培養(yǎng)基,鋪入6孔板中,2 mL/孔,37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12~18 h;待細(xì)胞密度長至80%時(shí),加入慢病毒和聚凝胺,輕輕混勻,至細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)過夜;48和72 h后熒光顯微鏡下觀察熒光信號。
1.6 穩(wěn)定表達(dá)GFP-CD63 BHK-21細(xì)胞株的篩選將BHK-21細(xì)胞按4×104個(gè)/孔的密度接種24孔板,待其長至單層,依次加入終濃度為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10μg/mL的嘌呤霉素,37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。每日觀察細(xì)胞存活率,確定抗生素篩選開始4~6 d內(nèi)有效殺死非轉(zhuǎn)染細(xì)胞的藥物最低濃度。
取出經(jīng)慢病毒感染的靶細(xì)胞,加入最佳濃度的嘌呤霉素,每隔3 d更換新的含嘌呤霉素的細(xì)胞培養(yǎng)液,繼續(xù)篩選。篩選2周后出現(xiàn)細(xì)胞克隆,熒光顯微鏡下挑取單個(gè)綠色熒光標(biāo)記的細(xì)胞株,進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。
1.7 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株中CD63蛋白表達(dá)的檢測 采用Western blot法。收取GFP-CD63-BHK-21和BHK-21細(xì)胞總蛋白,經(jīng)12% SDS-PAGE分離后,轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,用5%脫脂奶粉室溫封閉2 h;分別加入抗CD63和GAPDH單克隆抗體(均1∶1 000稀釋),4℃孵育過夜;TBST洗膜3次,加入山羊抗鼠IgG(1∶2 000稀釋),室溫孵育1 h。經(jīng)ECL系統(tǒng)曝光顯影后獲得相應(yīng)條帶。
1.8 外泌體提取 取穩(wěn)定表達(dá)GFP的BHK-21細(xì)胞株,用10%不含外泌體血清的DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng),36 h后收集細(xì)胞上清100 mL,按照以下步驟提取外泌體:4℃,300×g離心10 min去除細(xì)胞;2 000×g離心10 min去除死細(xì)胞;10 000×g離心30 min去除細(xì)胞碎片;100 000×g超速離心70 min,100μL PBS重懸沉淀,-80℃保存。
1.9 外泌體鑒定
1.9.1 標(biāo)志蛋白CD63和CD81的檢測 采用Western blot法。使用RIPA裂解液(含1% PMSF)裂解外泌體,測定蛋白濃度,確定上樣量。樣品與5×SDS變性緩沖液煮沸變性后,經(jīng)12%SDS-PAGE分離蛋白,電轉(zhuǎn)移至0.22μm PVDF膜上,以5%脫脂奶粉室溫封閉2 h;加入鼠抗CD63和CD81單克隆抗體(1∶1 000稀釋),4℃過夜;加入山羊抗鼠IgG(1∶2 000稀釋),室溫孵育1 h;ECL顯影。以GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞裂解液作為陽性對照。
1.9.2 形態(tài)特征觀察 取10μL新鮮提取的外泌體,3%磷鎢酸負(fù)染1~2 min,室溫干燥后用透射顯微鏡觀察外泌體形態(tài)。
1.9.3 粒徑分析 將提取的外泌體沉淀用PBS稀釋至合適濃度,使用Zetaview儀,通過納米顆粒示蹤分析(nanoparticle tracking analysis,NTA)技術(shù)檢測外泌體粒子分布大小。
1.9.4 熒光顯微鏡觀察 將20μL提取的外泌體樣品,用PBS稀釋至100μL,滴至載玻片上,熒光顯微鏡下觀察熒光狀態(tài)。
1.10 外泌體攝取試驗(yàn) 將BHK-21細(xì)胞接種至6孔板,置37℃,5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h;取20μg提取的GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞源外泌體,與BHK-21細(xì)胞共培養(yǎng)6 h,同時(shí)以DIO標(biāo)記的BSA作為對照;孵育結(jié)束后,DAPI染色5 min,熒光顯微鏡觀察BHK-21細(xì)胞攝取外泌體情況。
1.11 DENV感染對外泌體釋放影響的檢測 采用Transwell法。將GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞置于孔徑為0.4μm的Transwell小室上室,下室為BHK-21細(xì)胞。DENV按MOI=1感染上室細(xì)胞,同時(shí)設(shè)PBS對照組,24 h后,通過熒光顯微鏡觀察下室細(xì)胞的熒光強(qiáng)度,評估上室細(xì)胞外泌體的釋放量。模式圖見圖1。
為了驗(yàn)證Transwell法的準(zhǔn)確性,將GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞接種至T75瓶中培養(yǎng),待細(xì)胞融合度達(dá)80%時(shí),按MOI=1接種DENV,同時(shí)設(shè)PBS對照組,感染2 h后,更換為含2%無外泌體血清的細(xì)胞維持液培養(yǎng)24 h,收集細(xì)胞上清液,提取外泌體。通過NTA和Western blot法檢測外泌體濃度。
圖1 Transwell法檢測外泌體釋放的模式圖Fig.1 Pattern diagram of determination of exosome release by Transwell assay
1.12 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 實(shí)驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差(mean±SEM)表示,通過Graphpad Prism 6軟件,采用Student-t檢驗(yàn)分析組間差異,以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。每項(xiàng)試驗(yàn)重復(fù)3次。胞團(tuán),見圖6B。挑取單個(gè)細(xì)胞擴(kuò)大培養(yǎng),重復(fù)篩選3次,最終獲得1株可穩(wěn)定表達(dá)GFP-CD63融合蛋白的BHK-21單克隆細(xì)胞株,命名為GFP-CD63-BHK-21。
圖2 轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞包裝病毒的熒光顯微鏡觀察(×100)Fig.2 Fluorescence microscopy of 293T cells transfected with packaged virus(×100)
圖3 慢病毒滴度檢測(熒光顯微鏡,×100)Fig.3 Determination of lentivirus titer(fluorescence microscopy,×100)
2.1 重組慢病毒的包裝及滴度 熒光顯微鏡下觀察可見,重組慢病毒表達(dá)質(zhì)粒pCT-CD63-GFP與輔助質(zhì)粒pVS-VG(Env)、pSPAX(structure)共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞后24 h,GFP已表達(dá);48 h時(shí),GFP表達(dá)增多;72 h收集病毒液。見圖2。慢病毒稀釋至10-3時(shí),熒光比例為20%,細(xì)胞總數(shù)為2×103個(gè),病毒滴度=2×103×20%×103/0.01=4×107(TU/mL),見圖3。
2.2 穩(wěn)定表達(dá)GFP-CD63融合蛋白細(xì)胞株的篩選加入嘌呤霉素第5天,嘌呤霉素濃度為0μg/mL時(shí),BHK-21細(xì)胞存活率為95%,形態(tài)正常;嘌呤霉素濃度為2μg/mL時(shí),部分細(xì)胞皺縮變圓;嘌呤霉素濃度為3μg/mL時(shí),細(xì)胞存活率為0%。見圖4。因此確定在BHK-21細(xì)胞中,嘌呤霉素最佳篩選濃度為3μg/mL。重組慢病毒感染BHK-21細(xì)胞72 h后,熒光顯微鏡下觀察可見,80%~90%的細(xì)胞表達(dá)綠色熒光,見圖5。之后加入3μg/mL的嘌呤霉素進(jìn)行篩選,36 h后細(xì)胞大量死亡,見圖6A,攜帶嘌呤霉素抗性基因的細(xì)胞存活;經(jīng)2周篩選,得到單克隆細(xì)
圖4 BHK-21細(xì)胞加入不同濃度嘌呤霉素5 d后的倒置相差顯微鏡觀察(×100)Fig.4 Inverted phase contrast microscopy of BHK-21 cells 5 d after addition with different concentrations of puromycin(×100)
圖5 慢病毒感染BHK-21細(xì)胞的熒光顯微鏡觀察(×100)Fig.5 Fluorescence microscopy of BHK-21 cells infected with lentivirus(×100)
圖6 穩(wěn)定表達(dá)GFP-CD63融合蛋白細(xì)胞系的篩選Fig.6 Screening of cell lines stably expressing GFP-CD63 fusion protein
2.3 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株中CD63蛋白的表達(dá)Western blot分析顯示,與BHK-21細(xì)胞相比,GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞內(nèi)CD63蛋白的表達(dá)量明顯升高(t=-4.524,P=0.001),見圖7。
圖7 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株的Western blot鑒定Fig.7 Western blotting of stably transfected cell lines
2.4 GFP-CD63-BHK-21源性外泌體的鑒定
2.4.1 標(biāo)志蛋白CD63和CD81的檢測Western blot分析顯示,外泌體存在特異性標(biāo)志蛋白CD63和CD81,見圖8。
圖8 Western blot檢測外泌體標(biāo)志蛋白CD63和CD81Fig.8 Western blotting of exosome marker proteins CD63 and CD81
2.4.2 形態(tài)特征 透射電鏡觀察可見,外泌體呈橢圓形,具有雙凹圓盤狀膜結(jié)構(gòu),直徑在30~200 nm之間,見圖9。
圖9 外泌體的透射電鏡觀察(×20 000)Fig.9 Transmission electron microscopy of exosomes(×20 000)
2.4.3 粒徑分析NTA檢測顯示,外泌體在110.2 nm處有峰值,見圖10。
2.4.4 熒光顯微鏡觀察 提純后的外泌體發(fā)出強(qiáng)烈的綠色熒光信號,見圖11。
2.5 外泌體攝取GFP-CD63-BHK-21細(xì)胞分離得到的外泌體與BHK-21細(xì)胞共培養(yǎng)6 h后,BHK-21細(xì)胞質(zhì)內(nèi)呈現(xiàn)綠色熒光顆粒,而DIO標(biāo)記的BSA未觀察到綠色熒光,表明外泌體可作為載體在細(xì)胞間進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。見圖12。
2.6 DENV感染對外泌體釋放的影響 試驗(yàn)結(jié)果顯示,DENV感染24 h后,感染組的熒光強(qiáng)度高于PBS組,見圖13。表明DENV可刺激細(xì)胞分泌外泌體,且供體細(xì)胞(GFP-CD63-BHK-21)產(chǎn)生的外泌體可被受體細(xì)胞(BHK-21)有效攝取。
NTA檢測結(jié)果顯示,DENV感染細(xì)胞上清中外泌體顆粒含量約為2.5×105個(gè)/mL,PBS組為1.2×105個(gè)/mL,病毒感染誘導(dǎo)外泌體釋放量增加了2倍。Western blot結(jié)果同樣證實(shí)了DENV感染可促進(jìn)GFPCD63-BHK-21細(xì)胞外泌體的釋放(t=13.816,P=0.000),見圖14。
圖10 粒徑分析檢測外泌體直徑Fig.10 Exosome diameter determined by particlesize analysis
圖11 熒光顯微鏡下觀察提純的外泌體(×100)Fig.11 Fluorescence microscopy of purified exosomes(×100)
圖12 BHK-21細(xì)胞攝取外泌體的熒光顯微鏡觀察(×400)Fig.12 Fluorescence microscopy of uptake of exosomes in BHK-21 cells(×400)
圖13 熒光顯微鏡觀察Transwell小室下室細(xì)胞的熒光強(qiáng)度(×100)Fig.13 Fluorescence microscopy of fluorescence intensity of cells in lower chamber of Transwell(×100)
圖14 Western blot檢測外泌體標(biāo)志蛋白CD63的表達(dá)Fig.14 Western blotting of expression of exosome marker protein CD63
外泌體是一類由細(xì)胞分泌的直徑為30~150 nm的細(xì)胞外囊泡,可轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等多種生物活性分子,介導(dǎo)細(xì)胞間信息交流[19]。由于外泌體屬于納米顆粒,常規(guī)檢測技術(shù)難以直接觀測到,因此,在追蹤外泌體在細(xì)胞間活動或活體動物體內(nèi)行為時(shí),需對外泌體進(jìn)行標(biāo)記。目前常用熒光染料、熒光蛋白、熒光素酶和物理標(biāo)記等多種標(biāo)記方法,不同的標(biāo)記方法各有特點(diǎn)[20-22]。GFP是一種常用的報(bào)告蛋白,可利用自身結(jié)構(gòu)催化形成生色團(tuán),將外泌體膜內(nèi)外的蛋白分子與熒光蛋白偶聯(lián),構(gòu)建出特定的融合蛋白,帶熒光的膜蛋白會表達(dá)至外泌體膜上,通過檢測融合蛋白發(fā)出的熒光信號對外泌體進(jìn)行示蹤分析[23]。與熒光染料法相比,GFP在標(biāo)記活細(xì)胞和活性組織時(shí)無細(xì)胞毒性,靈敏度高,半衰期長,熒光性質(zhì)穩(wěn)定[24-25]。用GFP標(biāo)記外泌體,易于熒光顯微鏡觀察,更適用于實(shí)驗(yàn)周期較長的細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)。
本研究構(gòu)建了能夠融合表達(dá)CD63外泌體標(biāo)記蛋白和GFP的BHK-21細(xì)胞株,并進(jìn)行外泌體的提取和鑒定。熒光顯微鏡觀察可見,提取的外泌體均能發(fā)出綠色熒光。將外泌體與BHK-21細(xì)胞共培養(yǎng),6 h后可在BHK-21細(xì)胞質(zhì)內(nèi)觀察到大量綠色熒光顆粒,表明外泌體可被受體細(xì)胞所攝取。相對NTA和Western blot法,利用Transwell法檢測外泌體釋放量,通過檢測下室受體細(xì)胞的熒光強(qiáng)度來評估上室細(xì)胞外泌體分泌量,操作簡單且便于觀察。研究顯示,許多病毒可將自身蛋白、核酸或完整的病毒顆粒載入外泌體中在細(xì)胞間進(jìn)行傳播,在宿主細(xì)胞中進(jìn)行感染和擴(kuò)散。EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)、輪狀病毒(rotavirus,RV)、新城疫病毒(Newcastle disease virus,NDV)等病毒可利用外泌體釋放通路完成自身的復(fù)制與釋放,而病毒感染會導(dǎo)致細(xì)胞代謝活動發(fā)生改變進(jìn)而影響外泌體的釋放,調(diào)控機(jī)體的免疫、凋亡、代謝等生理病理過程[26-27]。為了探討外泌體在DENV中的作用,后續(xù)我們將提純出DENV感染GFP-CD63-BHK-21來源的外泌體,與受體細(xì)胞共培養(yǎng),并將外泌體注射入小鼠進(jìn)行示蹤,研究外泌體在機(jī)體內(nèi)外的攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。由于GFP在體內(nèi)外示蹤的優(yōu)越性,以及外泌體在病毒感染中起著重要作用,GFP標(biāo)記的外泌體將可能成為病毒傳播機(jī)制研究中的有力工具。