高婉俊,王 靜,林 鷙,曹偉偉,張彥明
(西北農林科技大學動物醫(yī)學院,陜西楊凌712100)
輪狀病毒(Rotavirus,RV)屬于呼腸病毒科(Reoviridae)輪狀病毒屬(Rotavirus),是引起嬰幼兒和多種幼齡動物急性病毒性腹瀉的主要病原體[1]。仔豬輪狀病毒性腹瀉是由豬輪狀病毒(Porcine rotavirus,PoRV)引起的,感染PoRV的仔豬會出現(xiàn)厭食、嘔吐、腹瀉、脫水和酸堿平衡紊亂等癥狀[2],而且容易繼發(fā)其他細菌性感染[3],導致仔豬病死率升高,給養(yǎng)豬業(yè)造成巨大的損失。近幾年的研究發(fā)現(xiàn),PoRV與人的非典型RV有密切的關系[4-6],豬可能會成為人類新型RV的“貯存器”。
PoRV的基因組由11個雙鏈RNA節(jié)段構成,分別編碼6個結構蛋白(VP1~VP4、VP6、VP7)和6個非結構蛋白(NSP1~NSP6)。其中,VP6由第6基因編碼,占病毒蛋白總量的51%,是內層衣殼的主要組成成分,并且具有轉錄酶活性,在RV的復制過程中發(fā)揮重要作用[7]。根據RV抗原VP6的差異可將其分為7個組(A~G),其中A、B、C、E組RV可感染豬,且在豬群中感染最為普遍的是A組RV。VP6具有很強的免疫原性,可刺激機體產生Ig A、IgG,并且具有組特異性,因此,VP6在輪狀病毒感染的診斷上是一個重要的檢測指標[8],而且在疫苗開發(fā)方面有潛在的應用價值[9-10]。
目前,RV的檢測方法主要有電鏡觀察、ELISA[11-12]、核酸聚丙烯酰胺凝膠電泳[13]、核酸雜交和 RT-PCR[14],以及實時熒光定量 PCR[15]。經典的病原檢測方法是電鏡技術(EM)和分離培養(yǎng)。但是EM技術設備昂貴,病料處理繁瑣,并且要求每毫升樣品中至少包含約106個病毒顆粒[16],敏感性不高,不適合大規(guī)模臨床檢測。ELISA方法雖然操作簡單,可肉眼判斷結果,但特異性和靈敏性相對較低,且不能有效地進行定量檢測[17]。檢測病毒基因組RNA的PAGE電泳方法特異性和靈敏度較好,能在基因水平上對不同毒株間的異同進行初步分析,但是這種方法操作繁瑣且所需時間較長,容易造成RNA的降解,從而影響檢測結果。RT-PCR方法雖然是目前RV檢測方法中特異性較強的方法,但不能夠準確定量,而且反應結果需要電泳后才能判斷。實時熒光定量PCR與常規(guī)PCR相比,除了靈敏度更高和特異性更強外,自動化程度高,無污染、實時性好,能實現(xiàn)多重反應,而且結果準確可靠。目前實時熒光定量PCR技術已得到廣泛應用,成為病毒檢測的有效手段。本試驗擬建立一種基于VP6基因的有效檢測PoRV的SYBR GreenⅠ實時熒光定量PCR方法,并與常規(guī)RTPCR方法進行了比較,旨在為PoRV的檢測提供有效手段。
1.1.1 主要儀器與試劑 冷凍離心機,德國Eppendorf公司產品;iQ5熒光定量PCR儀,美國Bio-Rad公司產品;普通PCR儀,Bio-Rad公司產品;NanoDrop ND-1000型紫外分光光度計,美國Thermo Scientific公司產品;凝膠成像系統(tǒng),英國Syngene公司產品。p MD 19-T Vector、PrimeScript RT reagent Kit 和SYBR Premix Ex TaqTMⅡ,寶生物工程(大連)有限公司產品;Trizol Reagent,Invitrogen公司產品;柱離心型DNA凝膠回收與純化試劑盒和高純質粒小量提取試劑盒,威格拉斯生物技術(北京)有限公司產品。
1.1.2 病毒株及細胞系 豬輪狀病毒OSU株(G5型)和羅猴腎細胞系(MA-104)均購自中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所;豬瘟病毒石門株(CSFV)、豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)、豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)、豬圓環(huán)病毒-2型(PCV-2)均由西北農林科技大學預防獸醫(yī)學平臺實驗室保存;永生化豬小腸黏膜上皮細胞系(SIEC),由本實驗室建立并保存。
1.2.1 引物的設計與合成 根據GenBank中登錄的PoRV OSU株 VP6基因序列(AF317123.1)用Primer Premier 5軟件設計了一對擴增VP6基因片段的特異性引物,上游引物 P1:5′-TGCTGGATCAGAAATTCAGG-3′,下游引物P2:5′-TAGTGGCACGACATGTTCAA-3′,預期擴增產物長度為94 bp,該引物由南京金斯瑞生物科技公司合成。
1.2.2 質粒標準品的制備
1.2.2.1 病毒 RNA 的提取 復蘇 MA-104細胞于直徑60 mm的細胞培養(yǎng)皿中,至細胞鋪滿皿底的80%時,用無血清的MEM培養(yǎng)基沖洗3次,接入事先用胰酶激活的豬輪狀病毒稀釋液,37℃吸附1 h。吸附結束后吸出病毒液,用無血清的MEM培養(yǎng)基于37℃、5%的CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,收取細胞培養(yǎng)物。取200μL培養(yǎng)物加入1 mL Trizol Reagent混勻,室溫靜置5 min;加入200μL氯仿,顛倒混勻30 s,4℃、12 000 r/min離心15 min,小心吸取上清液,加入等體積的異丙醇,震蕩混勻,室溫靜置10 min;4℃、14 000 r/min離心10 min,棄上清;沉淀用800μL 750 mL/L的乙醇于4℃、8 500 r/min離心5 min洗滌兩次,棄上清,沉淀干燥5 min;以20μL DEPC水溶解RNA。
1.2.2.2 cDNA的逆轉錄合成 按照寶生物工程(大連)有限公司生產的PrimeScript RT Reagent Kit說明書進行,采用20μL體系:5×PrimeScript buffer 4μL,PrimeScript RT Enzyme MixⅠ1μL,Oligo d T primer(50 μmol/L)1μL,Random 6 mers(100μmol/L)1μL,RNA Template 6μL,最后用 RNase Free d H2O補足20μL;按以下程序進行反轉錄反應:37℃15 min,85℃5 s。合成的cDNA于-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2.3 PoRV標準品的制備與鑒定 以cDNA為模板進行PCR反應,采用25μL反應體系:2×Taq Master Mix 12.5μL,上、下游引物各0.5μL,反轉錄產物4μL,滅菌雙蒸水7.5μL。PCR反應條件為:94℃5 min;94℃30 s,58℃30 s,72℃15 s,35個循環(huán);72℃10 min;12℃終止反應。取擴增產物于20 g/L瓊脂糖凝膠中電泳,觀察結果。切取目的片段用DNA凝膠回收與純化試劑盒純化回收,與p MD 19-T Vector連接后轉化 DH5α感受態(tài)細胞。在含氨芐青霉素的培養(yǎng)板上37℃培養(yǎng)12 h~16 h,挑取單個菌落,增菌后用質粒小量提取試劑盒提取質粒進行PCR鑒定,將篩選的陽性重組質粒送北京六合華大基因科技股份有限公司測序。用DNA Star軟件與GenBank上已有的OSU株VP6基因序列進行比對分析。挑取序列正確的質粒作為標準品,用紫外分光光度計測濃度后根據公式計算拷貝數[17]。
1.2.3 熒光定量PCR檢測方法的建立
1.2.3.1 熒光定量PCR反應條件的優(yōu)化 為了得到更高的熒光增幅并使反應有最小的循環(huán)數(Ct),對熒光定量PCR的循環(huán)條件進行兩步法和三步法摸索,并將退火溫度從55℃依次遞增至60℃,遞增步長為1℃,對退火溫度進行優(yōu)化。
1.2.3.2 熒光定量PCR敏感性試驗及標準曲線的建立 將質粒標準品10倍系列稀釋,使其濃度在1.0×101~1.0×109拷貝/μL之間,按1.2.3.1中優(yōu)化后的反應條件進行PCR反應,并設置以d H2O為模板的陰性對照,觀察該方法的敏感性,標準曲線由iQ5熒光定量PCR儀自動生成,X軸代表每個濃度標準品模板中所含病毒起始含量以10為底的對數,Y軸代表各個梯度質粒標準品擴增時達到閾值所需的循環(huán)數。
1.2.3.3 特異性試驗 用豬輪狀病毒OSU株(PoRV)、豬瘟病毒石門株(CSFV)、豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)、豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)的cDNA以及豬圓環(huán)病毒2型(PCV-2)的基因組DNA為模板進行熒光定量PCR,并以稀釋度為1.0×108拷貝/μL的質粒標準品為陽性對照,并設置以dd H2O為模板的陰性對照,檢驗該方法的特異性。
1.2.3.4 重復性試驗 選取1.0×106拷貝/μL的質粒標準品,在同一批次內重復10次,計算批內變異系數;并在不同時期將該質粒標準品分別再重復10個批次,每次3個重復,取平均值,計算批間變異系數,檢驗該方法的重復性。
1.2.4 熒光定量PCR與普通RT-PCR的比較 將1.0×1010~1.0×101拷貝/μL的質粒標準品分別進行常規(guī)RT-PCR和熒光定量PCR,對比2種方法的靈敏度。
1.2.5 熒光定量PCR的初步應用 給永生化豬小腸黏膜上皮細胞(SIEC)接種病毒(MOI=30),分別在感染后24、48、72 h收獲細胞以及上清液,用Trizol法提取細胞總RNA以及病毒液的基因組RNA,測濃度后進行反轉錄,用已建立的SYBR GreenⅠ實時熒光定量PCR方法檢測細胞內以及上清液中Po RV的含量。
經RT-PCR擴增,得到大小約為94 bp的目的片段,與預期結果相符(圖1)。將此特異性片段與p MD 19-T Vector連接,并對重組質粒p MD 19-TVP6進行測序,測序結果經BLAST分析,結果顯示,擴增的目的片段與PoRV OSU株VP6基因序列的一致性為100%,并且與NCBI數據庫中其他豬A組輪狀病毒毒株,如豬A組輪狀病毒Wa株同源性大于90%,說明對該毒株進行檢測對其他豬A組輪狀病毒具有參考意義。
圖1 PoRV引物特異性的RT-PCR鑒定Fig.1 Specificity of primers for PoRV detected by RT-PCR
用紫外分光光度計測得重組質粒DNA的濃度為178 ng/μL,根據公式[18],經過計算得出其拷貝數約為1.0×1011拷貝/μL,對該質粒進行10倍梯度稀釋,選擇1.0×109~1.0×101拷貝/μL的質粒作為模板,按照優(yōu)化的最佳反應條件:SYBR Premix Ex TaqⅡ10μL,上、下游引物各0.8μL,模板1μL,滅菌雙蒸水7.4μL,總體積20μL;最佳反應條件為:95℃30 s;95℃5 s,58℃20 s,72℃15 s,40個循環(huán)進行SYBR GreenⅠ實時熒光定量PCR反應,從圖2可以看出,本研究建立的熒光定量PCR方法的檢測靈敏度最低可達到1.0×101拷貝/μL。在1.0×109~1.0×102拷貝/μL范圍內線性關系良好,經iQ5熒光定量PCR儀軟件自動分析得到了熒光定量PCR方法的標準曲線(圖3)。擴增效率E=95.7%,相關系數R2=0.999。
圖2 Po RV熒光定量PCR方法的敏感性試驗結果Fig.2 Sensitivity test of real time fluorescent quantitative PCR for PoRV detection
圖3 實時熒光定量PCR方法的標準曲線Fig.3 The standard curve forreal time fluorescent quantitative PCR
從熔解曲線分析可知,在熔解溫度Tm=81℃±0.5℃出現(xiàn)單一的特異性峰,表明該反應特異性良好(圖4)。
圖4 實時熒光定量PCR熔解曲線的建立Fig.4 The melting curve for real time fluorescent quantitative PCR
采用SYBR GreenⅠ實時熒光定量PCR方法檢測PoRV、CSFV、PRRSV、TGEV 和PCV-2,用1.0×108拷貝/μL的質粒標準品作為陽性對照,只有陽性對照和PoRV出現(xiàn)有效擴增的熒光信號(圖5),表明本研究建立的熒光定量PCR方法對Po RV有良好的特異性。
圖5 PoRV熒光定量PCR方法的特異性試驗結果Fig.5 Speciality test of real time fluorescent quantitative PCR for PoRV detection
取1.0×106拷貝/μL的質粒標準品進行重復10次的批內試驗,從擴增曲線(圖6)及對應的Ct值(表1)可以看出,該質粒標準品的批內變異系數為0.43%;將其分為不同的時期測定10次,每次3個重復,結果顯示該質粒標準品的批間變異系數為1.42%,說明本研究建立的熒光定量PCR方法具有良好的重復性(表1)。
圖6 PoRV熒光定量PCR方法的重復性試驗結果Fig.6 Pepeatability test of real time fluorescent quantitative PCR for PoRV detection
以1.0×1010~1.0×101拷貝/μL的質粒標準品為模板,每個濃度取1.0μL分別進行SYBR GreenⅠ熒光定量PCR和普通RT-PCR。SYBR GreenⅠ熒光定量PCR對質粒標準品的檢測下限為1.0×101拷貝/μL,而普通RT-PCR的檢測下限為1.0×103拷貝/μL(圖7),表明SYBR GreenⅠ熒光定量PCR比普通RT-PCR靈敏度高出2個數量級。
用本試驗所建立的SYBR GreenⅠ熒光定量PCR方法對永生化豬小腸黏膜上皮細胞(SIEC)感染了PoRV OSU株(MOI=30)24、48、72 h的細胞內及上清液中的病毒含量進行檢測,結果見表2。
表1 實時熒光定量RT-PCR檢測PoRV的組內及組間統(tǒng)計結果Table1 The intragroup and intergroup statistical results of PoRV detection by florescence quantitative real time fluorescent quantitative RT-PCR
圖7 10倍梯度稀釋的質粒標準品常規(guī)PCR擴增結果Fig.7 Amplification results of standard plasmid of 10 fold's serial dilution through the conventional PCR
表2 PoRV感染SIEC不同時間段細胞內及上清液中病毒量的檢測結果Table2 The results of real-time PCR of viral loads in SIEC and supernatant at different periods after infection with PoRV
輪狀病毒是引起人和各種幼齡動物病毒性腹瀉的主要病原,在世界范圍內威脅著人類的健康和影響?zhàn)B殖業(yè)的發(fā)展[18]。豬輪狀病毒常呈地方流行性,常與豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)、豬流行性腹瀉病毒(PEDV)、大腸埃希菌、沙門菌等混合感染,造成仔豬死亡率升高。許多成年豬往往會發(fā)生隱性感染并不斷向外排毒,成為主要的傳染源,因此,迫切需要建立一種能夠在Po RV感染初期進行檢測的方法。
近年來,熒光定量PCR結合熔解曲線分析方法在病原體檢測方面得到了廣泛的應用[19-21],該技術可實現(xiàn)定量檢測,比傳統(tǒng)的PCR方法具有更高的靈敏度和特異性,其應用價值已得到廣泛的認可。熒光定量PCR技術有探針法和SYBR GreenⅠ染料法兩種方法。探針法較SYBR GreenⅠ染料法特異性高、敏感性好,但探針區(qū)域若發(fā)生變異將會導致假陰性結果,對于極易發(fā)生變異的區(qū)域,雖采用多個探針可以避免這一缺陷,但探針設計、標記及純化成本高,技術上的困難較難克服,雙重探針尤為困難,因此探針法不適合大規(guī)模的臨床應用。相反,基于SYBR GreenⅠ染料的熒光定量PCR技術成本低廉,只需要設計出特異性的引物即可有效地進行病毒拷貝數的檢測,雖然引物二聚體及非特異性擴增可能會影響檢測結果的特異性,但結合熔解曲線分析后便可有效克服這一缺陷,因此SYBR GreenⅠ染料法對于臨床樣品的檢測更具實際意義。
目前將實時熒光定量PCR技術用于檢測人輪狀病毒的研究比較普遍,而用于動物輪狀病毒的研究較為少見。Pang X L等[22]針對人A組輪狀病毒的NSP3基因保守區(qū)設計引物,建立了SYBR GreenⅠ熒光定量PCR檢測方法,并將該方法與傳統(tǒng)的電鏡技術和普通套式PCR方法進行比較,證明熒光定量PCR檢測技術比上述兩種檢測方法高出4個數量級,而且用時更少、操作更簡便,不容易造成污染。陳小金等[23]根據豬輪狀病毒OSU株的VP7基因序列設計了一對特異性引物,建立了豬輪狀病毒SYBR GreenⅠ實時熒光定量PCR檢測方法,并對該方法的敏感性、特異性和重復性進行了評價,但是作為檢測的靶標,作為組抗原并且含量最為豐富的VP6是更好的選擇。因為VP7決定病毒的G血清型,Coulson B S等[24]經序列分析比較發(fā)現(xiàn),VP7氨基酸序列中存在6個高變區(qū)(A~F)。Green K等的研究確定了VP7氨基酸序列中存在9個高變區(qū)(VR1~VR9)[25],這些高變區(qū)與中和抗原決定簇位點的形成關系密切,以上的研究結果均表明,VP7基因容易發(fā)生變異,從而形成新的血清型,造成輪狀病毒性腹瀉的反復流行。因此,若針對VP7基因設計引物,只能檢測同一血清型的輪狀病毒,而目前在人和動物中間流行的輪狀病毒往往不是單一的血清型,這就給輪狀病毒的檢測增加了難度。而且從基因序列來看,VP7基因重疊序列較多,給引物設計造成了極大的困難,本實驗室亦嘗試過針對PoRV OSU株的VP7基因序列設計特異性引物,但是均得不到理想的PCR擴增產物,因此改用在A組RV中高度保守的VP6作為檢測的靶標,而且考慮到VP6在病毒感染的早期就開始合成,參與病毒粒子的組裝,因此更適合A組輪狀病毒早期感染的檢測。
本試驗以SYBR GreenⅠ作為熒光染料,以RV保守序列VP6基因為擴增靶標,建立了檢測A組豬輪狀病毒的熒光定量PCR方法。該方法對豬輪狀病毒具有很好的特異性,在1.0×102~1.0×109拷貝/μL范圍內具有很好的線性關系(R2=0.999),擴增效率為95.7%,最低檢測病毒拷貝數為1.0×101拷貝/μL,比普通RT-PCR敏感性高出2個數量級,并且重復性良好,批內和批間變異系數均小于2%,說明該方法具備很好的穩(wěn)定性。更重要的是,本試驗首次檢測了PoRV OSU株在永生化豬小腸上皮細胞(SIEC)中的增殖情況。目前Po RV致病機理的研究一直沒有很大的突破,主要原因就是缺少理想的靶細胞。研究人輪狀病毒致病機理所用的細胞系主要有恒河猴腎細胞系MA104、人結腸腺癌細胞系Caco-2和人結腸癌細胞系 HT-29,而Po RV主要侵害豬的小腸上皮細胞,用上述細胞研究PoRV的致病機理說服力不夠強,我們用豬輪狀病毒OSU株感染永生化豬小腸黏膜上皮細胞(SIEC),用熒光定量PCR方法對感染了PoRV 24、48、72 h的SIEC內以及上清液中的病毒含量進行了定量檢測,結果表明所建立的實時熒光定量PCR方法可用于A組Po RV早期感染的診斷和定量分析及流行病學監(jiān)測,更為重要的是,本試驗表明PoRV可以很好地在SIEC中增殖,因此SIEC可以作為下一步開展Po RV致病機理研究較為理想的細胞材料。
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