李文良,毛 立,鄧加武,郝 飛,李基棕,楊蕾蕾,張紋紋,江杰元
(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院獸醫(yī)研究所,農(nóng)業(yè)部獸用生物制品工程技術(shù)重點實驗室,南京 210014)
Ⅰ型干擾素與特異受體結(jié)合后誘導(dǎo)產(chǎn)生的干擾素刺激基因(interferon stimulate genes, ISGs)是先天免疫系統(tǒng)的重要組成成分和效應(yīng)分子,在機體抵抗感染過程中發(fā)揮重要作用。Viperin(virus inhibitory protein,endoplasmic reticulum-associated,interferon-inducible)是一種ISG編碼的抗病毒蛋白,最早于2001年由K. C. Chin等鑒定并報道[1]。Viperin在正常細胞中的基礎(chǔ)表達水平很低,但可以被Ⅰ型干擾素、脂多糖(LPS)、poly(I:C)以及多種病毒誘導(dǎo)產(chǎn)生,且Viperin的表達可以通過干擾素依賴和非依賴的兩種途徑實現(xiàn)[2-3]。研究證明它對不同病毒科的多種病毒具有抗病毒活性,如單純皰疹病毒[4]、H1N1流感病毒[5]、乙型肝炎病毒[6]、狂犬病病毒[7]、人副流感病毒3型[8]等,近年有報道證明馬源Viperin對馬傳貧病毒[9]、猴源和豬源Viperin對豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)[10-11]具有抑制作用。
豬瘟(classical swine fever,CSF)是由豬瘟病毒(classical swine fever virus,CSFV)引起的高度接觸性傳染病,CSFV屬于黃病毒科(Flaviviridae)瘟病毒屬(Pestivirus),基因組為單股正鏈RNA,長約12.3 kb。該病是危害養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展的重要病毒性疾病,是OIE規(guī)定的必須報告的疫病,我國目前依靠高強度的疫苗免疫等綜合防控策略控制該病[12]。深入研究CSFV與宿主細胞的相互作用具有重要意義。已有研究發(fā)現(xiàn)豬Mx1蛋白、鳥苷酸結(jié)合蛋白1(GBP1)能夠顯著降低CSFV在細胞和豬體內(nèi)的增殖水平[13-14]。
為了探討豬源Viperin對CSFV復(fù)制的作用,本研究在穩(wěn)定表達Viperin的PK-15細胞系上研究Viperin對CSFV復(fù)制的抑制作用,并研究其發(fā)揮作用的機制,豐富了Viperin抗病毒譜,為豬瘟與Viperin相互作用研究奠定了基礎(chǔ)。
RNA提取試劑TransZol UP、一步法熒光定量RT-PCR檢測試劑盒、Taq酶、預(yù)染蛋白質(zhì)Marker、HRP標記羊抗小鼠/兔IgG(H+L)、DH5α感受態(tài)細胞購自北京全式金生物技術(shù)有限公司;質(zhì)粒提取試劑盒和瓊脂糖凝膠回收試劑盒購自Axygen公司;轉(zhuǎn)染試劑Lipofectamine 2000購自Invitrogen公司;ECL化學(xué)發(fā)光顯色試劑盒購自南京諾維贊生物科技有限公司;WH303抗體購自AHVLA;FITC/Cy3標記的羊抗小鼠IgG購自武漢博士德生物技術(shù)公司;flag/HA標簽單抗、兔抗flag/HA標簽多抗、Alexa Fluor 555標記的驢抗小鼠IgG、Alexa Fluor 488標記的羊抗兔IgG、DAPI、Western及IP細胞裂解液、Protein G Agarose、免疫染色固定液及封閉液購自碧云天生物技術(shù)研究所。
豬瘟病毒石門株購自中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所。
PK-15、293T細胞由本實驗室保存。穩(wěn)定表達Viperin的細胞系PK-Vi及對照細胞系PK-C1由本實驗室構(gòu)建[15]。
將PK-Vi及對照細胞系PK-C1鋪于24孔細胞培養(yǎng)板,待細胞達到80%融合度時接種豬瘟石門株病毒(MOI=0.05),在12、24、48、72 h后分別收獲全細胞培養(yǎng)物、培養(yǎng)上清和細胞裂解物。通過熒光定量RT-PCR和TCID50檢測不同樣品中的病毒含量。
設(shè)計并合成針對Viperin的siRNA(siVi,5′-GGAAGAAGAUAUGACAGAATT-3′)及陰性對照siRNA(siNC,5′-UUCUCCGAACGUGUCACGUTT-3′)。使用Lipofectamine 2000,按照說明書將siVi和siNC(50 nmol·L-1)分別轉(zhuǎn)染PK-Vi細胞。12 h后收獲細胞通過熒光定量RT-PCR和Western blot 檢測Viperin表達的變化。同時接種CSFV,于48 h后收獲細胞樣品檢測病毒含量變化。
使用Transzol UP試劑按照說明書提取樣品中總RNA。采用相對定量RT-PCR檢測樣品中Viperin或CSFV基因表達水平,按照TransScript Green one-step qRT-PCR supermix說明書操作:總反應(yīng)體系為20 μL,包含10 μL 2×Supermix、20 pmol·L-1的引物(表1,CSFV:qE2F和qE2R;Viperin:qViF和qViR;β-actin:actin qF和actin qR)、0.5 μL E-Mix、0.4 μL passive reference Dye、4 μL RNA。在ABI Step One熒光定量PCR儀上進行擴增反應(yīng):45 ℃反轉(zhuǎn)錄5 min;94 ℃變性30 s,然后按94 ℃5 s、60 ℃30 s進行40個循環(huán)。以β-actin為內(nèi)參計算各處理組目的基因相對于陰性對照組的轉(zhuǎn)錄量變化并以-ΔΔCt表示。
表1PCR及熒光定量RT-PCR引物
Table1PrimersusedinPCRandqRT-PCR
引物名Primername序列SequenceVF25'-ATAAAGCTTCGCCACCATGTGGACACTGGTAC-3'VR25'-ATTCTCGAGTCAAGCGTAATCTGGAACATCGTATGGGTACCAGTCCAGCTTCA-3'qE2F5'-GCTCCCTGGGTGGTCTAAGTC-3'qE2R5'-GGCTTCTGCTCACGTCGAA-3'qViF5'-AAGCAGAGCAGTTTGTTATCAGC-3'qViR5'-TTCCGCCCGTTTCTACAGT-3'actinqF5'-TCTGGCACCACACCTTCT-3'actinqR5'-TGATCTGGGTCATCTTCTCAC-3'
將PK-15細胞接種96孔板,待長成單層后,用維持液將病毒樣品做10倍倍比稀釋后,接種細胞單層,每孔100 μL,做4個重復(fù),37 ℃培養(yǎng)3 d。棄去細胞培養(yǎng)基,加入免疫染色固定液固定細胞15 min,然后加入封閉液孵育1 h。加入1∶200稀釋的WH303抗體,37 ℃孵育1 h,洗滌后加入1∶200稀釋的FITC標記的羊抗小鼠IgG,37 ℃孵育30 min。洗滌后置熒光顯微鏡下觀察每個稀釋度出現(xiàn)熒光信號的陽性孔數(shù)。按Reed-Muench方法計算病毒TCID50。
試驗1:將PK-Vi細胞接種于24孔板中的蓋玻片培養(yǎng)24 h,待細胞達到80%融合度時接種CSFV,48 h后棄去細胞培養(yǎng)基,加入免疫染色固定液固定細胞15 min,然后加入封閉液孵育1 h。加入1∶200稀釋W(xué)H303(針對E2蛋白)抗體,37 ℃孵育1 h,洗滌后加入1∶200稀釋的Cy3標記的羊抗小鼠IgG,最后加入DAPI染色5 min,置于激光共聚焦顯微鏡(PE, Ultra View VOX)下觀察,檢測Viperin與感染病毒E2蛋白的定位情況。
試驗2:合成CSFV的E2基因序列并在3′端引入flag標簽,克隆入的真核表達質(zhì)粒pCMV 中獲得重組質(zhì)粒pCMV-E2。通過PCR擴增(引物VF2、VR2,表1)在Viperin基因3′端引入HA標簽,并克隆入pcDNA3.1中獲得重組質(zhì)粒pcDNA-Vi。質(zhì)粒經(jīng)酶切、測序驗證,提取質(zhì)粒并測定濃度。將293T細胞接種于24孔板中的蓋玻片培養(yǎng)24 h,待細胞長滿單層后進行質(zhì)粒轉(zhuǎn)染,24 h后棄去細胞培養(yǎng)基,加入免疫染色固定液固定細胞15 min,然后加入封閉液孵育1 h。加入1∶1 000稀釋的flag抗體37 ℃孵育1 h,洗滌后加入1∶500稀釋的Alexa Fluor 555標記的驢抗小鼠IgG,37 ℃孵育30 min;之后加入1∶1 000稀釋的HA抗體37 ℃孵育1 h,洗滌后加入1∶500稀釋的Alexa Fluor 488標記的羊抗兔IgG,37 ℃孵育30 min。最后加入DAPI染色5 min,置于激光共聚焦顯微鏡(PE, Ultra View VOX)下觀察,檢測Viperin與E2蛋白的定位情況。
將293T細胞接種于6孔細胞培養(yǎng)板中,待細胞長滿單層后進行pCMV-E2和pcDNA-Vi質(zhì)粒轉(zhuǎn)染。48 h后棄去細胞培養(yǎng)基,用預(yù)冷的PBS洗滌細胞2次,加入細胞裂解液裂解細胞,細胞樣品經(jīng)10 000 r·min-1離心10 min后加入1 μg HA抗體4 ℃孵育過夜,之后加入30 μL Protein G Agarose,4 ℃緩慢搖動孵育3 h。離心棄去上清,使用細胞裂解液洗滌3次,加入PBS重懸沉淀并加入加樣緩沖液煮沸10 min后進行SDS-PAGE,轉(zhuǎn)印后分別使用flag和HA抗體進行Western blot檢測。
熒光定量RT-PCR及病毒滴度測定試驗均進行三次重復(fù),各組數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS v.16軟件分析其差異性(*.P<0.05;**.P<0.01)。
在PK-Vi和PK-C1細胞上分別接種CSFV后,收獲全細胞裂解物通過熒光定量RT-PCR檢測病毒含量。如圖1所示,與PK-C1組相比,除12 h外,PK-Vi組的病毒基因組相對含量在24、48、72 h時均顯著(P<0.05或P<0.01)下降,分別降低68.75%、83.61%和77.27%(圖1A)。病毒滴度檢測也顯示相似的結(jié)果,在24、48、72 h時分別降低68.75%、87.5%和80.39%(圖1B)。
*.P<0.05;**.P<0.01圖1 過表達Viperin抑制CSFV的復(fù)制Fig.1 Over-expression of Viperin inhibits CSFV replication in PK-Vi cell line
為進一步證實Viperin作用的特異性,通過RNAi技術(shù)將siRNA轉(zhuǎn)染PK-Vi及PK-C1細胞,進而檢測CSFV含量的差異。如圖2所示,特異的siVi轉(zhuǎn)染后Viperin mRNA和蛋白質(zhì)表達水平均顯著(P<0.05)下降,而siNC轉(zhuǎn)染細胞Viperin表達水平與未轉(zhuǎn)染細胞一致;siVi與siNC轉(zhuǎn)染的PK-C1細胞中Viperin含量均無顯著變化(圖2A、B)。接種病毒48 h后檢測發(fā)現(xiàn)siVi轉(zhuǎn)染的PK-Vi中病毒基因組含量和病毒滴度均顯著(P<0.05)升高,雖然仍低于對照細胞。而轉(zhuǎn)染前后的PK-C1細胞中病毒含量均無顯著差異(圖2C、D)。
如圖3所示,通過檢測CSFV感染后24、48、72 h細胞培養(yǎng)上清和細胞沉淀中的病毒含量,發(fā)現(xiàn)其均同等程度地受到抑制,降低的比例之間沒有顯著差異,說明Viperin的過表達對病毒的釋放沒有影響。
將CSFV感染的PK-Vi細胞固定后加入針對E2蛋白的單抗WH303及熒光二抗孵育后進行共聚焦檢測,發(fā)現(xiàn)二者存在共定位(圖4A,黑白圖中未能顯示顏色)。進而通過構(gòu)建E2與Viperin的真核表達質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染293T細胞,固定后進行共聚焦檢測,E2蛋白的紅色熒光能夠與Viperin的綠色熒光重合顯示橙黃色,說明兩種蛋白存在共定位(圖4B,黑白圖中未能顯示本來顏色)。免疫共沉淀試驗顯示E2蛋白能夠與Viperin相互作用(圖5)。
A.qRT-PCR檢測Viperin mRNA水平的變化;B. Western blot檢測Viperin蛋白水平的變化;C. 病毒基因含量的檢測;D. 病毒滴度(TCID50)的檢測;*. P<0.05A.Viperin mRNA expression levels detected by real-time qRT-PCR; B. Viperin protein expression levels; C. CSFV genome copy numbers detected by qRT-PCR; D. Viral load (TCID50) detected by virus titration; *. P<0.05圖2 抑制Viperin表達對CSFV復(fù)制的影響Fig.2 Knockdown ofViperin in PK-Vi cells impaired its antiviral activity
*.P<0.05;**.P<0.01圖3 Viperin表達對CSFV釋放的影響Fig.3 The effect of Viperin over-expression on the release of CSFV in PK-15 cells
A.Viperin在CSFV感染PK-15細胞中與E2蛋白共定位(100×);B. Viperin在轉(zhuǎn)染的293T細胞中與E2蛋白共定位(400×)A.Viperin co-localized with E2 in CSFV infected PK-15 cells (100×); B. Viperin co-localized with E2 protein in transfected 293T cells (400×)圖4 共聚焦檢測Viperin蛋白與CSFV E2蛋白的共定位情況Fig.4 Confocal microscopy examination of Viperin with CSFV E2 protein
圖5 免疫共沉淀試驗檢測Viperin蛋白與E2蛋白之間的相互作用Fig.5 The interaction between Viperin and E2 protein in transfected 293T cells by co-IP assay
CSFV感染能夠引起免疫抑制和細胞凋亡,并且形成了獨特的干擾宿主免疫反應(yīng)的機制。研究證實其Npro蛋白能夠與IRF3相互作用,誘導(dǎo)IRF3經(jīng)蛋白酶體途徑降解,從而發(fā)揮抑制靶細胞IFN-α和IFN-β產(chǎn)生的作用[16]。另有報道糖蛋白Erns對IFN-β啟動子具有抑制作用,同時對NDV誘導(dǎo)的IFN-β產(chǎn)生具有抑制作用[17]。深入研究CSFV與宿主先天免疫反應(yīng)的相互作用對于CSFV致病機制及防控技術(shù)研究具有重要意義。已有報道證明人源MxA、豬源Mx1蛋白能夠顯著降低CSFV在細胞和豬體內(nèi)的增殖水平[13-14,18]。Viperin作為一種抗病毒蛋白,對多種病毒具有抑制作用,尤其是黃病毒科黃病毒屬的成員,如日本腦炎病毒[19]、西尼羅病毒(WNV)[20]、登革病毒(DENV)[20-21]、蜱傳腦炎病毒[22]以及寨卡病毒[23]。
本研究利用前期試驗構(gòu)建的穩(wěn)定表達Viperin的PK-15細胞系,研究Viperin對CSFV復(fù)制的抑制作用。通過檢測接種病毒后不同時間病毒基因水平與滴度的差異證實Viperin的抗CSFV作用,在感染48 h抑制作用最強。在該細胞系上進一步轉(zhuǎn)染特異的siRNA干擾Viperin的表達,CSFV的復(fù)制水平得到顯著恢復(fù),雖然與對照組相比仍有一定差異。這可能是由于siRNA的轉(zhuǎn)染效率偏低導(dǎo)致Viperin的表達沒有被完全抑制所致(從圖2A、B中可以看出)。但是,這仍能夠證明Viperin可以特異性抑制CSFV復(fù)制的結(jié)論。
與其他ISG不同的是,Viperin抗病毒沒有統(tǒng)一的機制,對于不同病毒其發(fā)揮作用的機制不盡相同。Viperin包含N端雙親α螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)、SAM區(qū)和C端三個功能區(qū),N端結(jié)構(gòu)域是Viperin細胞定位的關(guān)鍵,對流感病毒[24]的抑制發(fā)揮關(guān)鍵作用;SAM區(qū)具有radical SAM酶活性[25],在蜱傳腦炎病毒[16]起作用;C端是Viperin最為保守的區(qū)域,在對DENV 2型[21]、HCV[26]作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Viperin對HCMV可能是通過影響病毒復(fù)制晚期的成熟和組裝發(fā)揮作用[1]。Viperin對流感病毒的抑制是通過影響脂筏結(jié)構(gòu),抑制病毒的出芽釋放發(fā)揮作用的[24]。Viperin對呼吸道合胞病毒的抑制作用是發(fā)生在病毒復(fù)制的后期[27]。本研究在證明Viperin在基因組水平及病毒滴度水平抑制CSFV復(fù)制后,參考流感病毒的研究方法,通過檢測細胞培養(yǎng)上清和細胞內(nèi)病毒含量,發(fā)現(xiàn)其均同等程度地受到抑制,從而證明Viperin不影響病毒的組裝釋放。此外,通過激光共聚焦和免疫共沉淀檢測發(fā)現(xiàn)Viperin與病毒E2蛋白存在共定位,兩種蛋白質(zhì)間存在相互作用,E2蛋白是病毒重要的結(jié)構(gòu)蛋白,是囊膜的組成成分,推測Viperin有可能通過與E2蛋白(但不排除還有其他病毒蛋白,如非結(jié)構(gòu)蛋白中的NS3、NS5B、NS5A等)相互作用影響蛋白質(zhì)的加工、轉(zhuǎn)運或病毒的組裝來發(fā)揮抑制病毒的作用。
本研究證實Viperin具有抗CSFV作用,該作用可能是通過與病毒E2蛋白相互作用實現(xiàn)。本研究豐富了Viperin的抗病毒譜,為豬瘟與Viperin及其與宿主免疫反應(yīng)相互作用的研究提供了理論基礎(chǔ)。
[1] CHIN K C, CRESSWELL P. Viperin (cig5), an IFN-inducible antiviral protein directly induced by human cytomegalovirus[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2001, 98(26): 15125-15130.
[2] MATTIJSSEN S, PRUIJN G J M. Viperin, a key player in the antiviral response[J].MicrobesInfect, 2012, 14(5): 419-426.
[3] SEO J Y, YANEVA R, CRESSWELL P, et al. Viperin: a multifunctional, interferon-inducible protein that regulates virus replication[J].CellHostMicrobe, 2011, 10(6): 534-539.
[4] SHEN G H, WANG K Z, WANG S, et al. Herpes simplex virus 1 counteracts viperin via its virion host shutoff protein UL41[J].JVirol, 2014, 88(20): 12163-12166.
[5] TAN K S, OLFAT F, PHOON M C, et al.Invivoandinvitrostudies on the antiviral activities of viperin against influenza H1N1 virus infection[J].JGenVirol, 2012, 93(Pt 6): 1269-1277.
[6] BAI X X, YANG H Y, WAN L X, et al. Involvement of viperin in prevention of intrauterine transmission of hepatitis B virus[J].APMIS, 2017, 125(2): 170-175.
[7] TANG H B, LU Z L, WEI X K, et al. Viperin inhibits rabies virus replication via reduced cholesterol and sphingomyelin and is regulated upstream by TLR4[J].SciRep, 2016, 6: 30529.
[8] RABBANI M A G, RIBAUDO M, GUO J T, et al. Identification of interferon-stimulated gene proteins that inhibit human parainfluenza virus type 3[J].JVirol, 2016, 90(24): 11145-11156.
[9] TANG Y D, NA L, ZHU C H, et al. Equine viperin restricts equine infectious anemia virus replication by inhibiting the production and/or release of viral Gag, Env, and receptor via distortion of the endoplasmic reticulum[J].JVirol, 2014, 88(21): 12296-12310.
[10] FANG J Y, WANG H Y, BAI J, et al. Monkey viperin restricts porcine reproductive and respiratory syndrome virus replication[J].PLoSOne, 2016, 11(5): e0156513.
[11] 方劍玉, 白 娟, 郭小參, 等. 豬源Viperin蛋白抑制豬繁殖與呼吸綜合征病毒感染MARC-145細胞[J]. 病毒學(xué)報, 2017, 33(2): 216-223.
FANG J Y, BAI J, GUO X C, et al. Swine Viperin restricts replication of the porcine reproductive and respiratory syndrome virus[J].ChineseJournalofVirology, 2017, 33(2): 216-223. (in Chinese)
[12] LUO Y Z, LI S, SUN Y, et al. Classical swine fever in China: a minireview[J].VetMicrobiol, 2014, 172(1-2): 1-6.
[13] ZHANG X M, JING J, LI W L, et al. Porcine Mx1 fused to HIV Tat protein transduction domain (PTD) inhibits classical swine fever virus infectioninvitroandinvivo[J].BMCVetRes, 2015, 11: 264.
[14] LI L F, YU J H, LI Y F, et al. Guanylate-binding protein 1, an interferon-induced GTPase, exerts an antiviral activity against classical swine fever virus depending on its GTPase activity[J].JVirol, 2016, 90(9): 4412-4426.
[15] 李文良, 毛 立, 楊蕾蕾, 等. 穩(wěn)定表達豬Viperin的PK-15細胞系的構(gòu)建與鑒定[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2016, 32(1): 128-132.
LI W L, MAO L, YANG L L, et al. Construction and identification of PK-15 cell line stably expressing porcine Viperin[J].JiangsuJournalofAgriculturalScience, 2016, 32(1): 128-132. (in Chinese)
[16] BAUHOFER O, SUMMERFIELD A, SAKODA Y, et al. Classical swine fever virus Nprointeracts with interferon regulatory factor 3 and induces its proteasomal degradation[J].JVirol, 2007, 81(7): 3087-3096.
[17] XIAY H, CHEN L, PAN Z S, et al. A novel role of classical swine fever virus Ernsglycoprotein in counteracting the Newcastle disease virus (NDV)-mediated IFN-β induction[J].JBiochemMolBiol, 2007, 40(5): 611-616.
[18] ZHAO Y C, PANG D X, WANG T D, et al. Human MxA protein inhibits the replication of classical swine fever virus[J].VirusRes, 2011, 156(1-2): 151-155.
[19] CHAN Y L, CHANG T H, LIAO C L, et al. The cellular antiviral protein viperin is attenuated by proteasome-mediated protein degradation in Japanese encephalitis virus-infected cells[J].JVirol, 2008, 82(21): 10455-10464.
[20] JIANG D, WEIDNER J M, QING M, et al. Identification of five interferon-induced cellular proteins that inhibit west nile virus and dengue virus infections[J].JVirol, 2010, 84(16): 8332-8341.
[21] HELBIGK J, CARR J M, CALVERT J K, et al. Viperin is induced following dengue virus type-2 (DENV-2) infection and has anti-viral actions requiring the C-terminal end of Viperin[J].PLoSNeglTropDis, 2013, 7(4): e2178.
[22] UPADHYAY A S, VONDERSTEIN K, PICHLMAIR A, et al. Viperin is an iron-sulfur protein that inhibits genome synthesis of tick-borne encephalitis virus via radical SAM domain activity[J].CellMicrobiol, 2014, 16(6): 834-848.
[23] VAN DER HOEK K H, EYRE N S, SHUE B, et al. Viperin is an important host restriction factor in control of Zika virus infection[J].SciRep, 2017, 7: 4475.
[24] WANG X Y, HINSON E R, CRESSWELL P. The interferon-inducible protein viperin inhibits influenza virus release by perturbing lipid rafts[J].CellHostMicrobe, 2007, 2(2): 96-105.
[25] FENWICK M K, LI Y, CRESSWELL P, et al. Structural studies of viperin, an antiviral radical SAM enzyme[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2017, 114(26): 6806-6811.
[26] HELBIG K J, EYRE N S, YIP E, et al. The antiviral protein viperin inhibits hepatitis C virus replication via interaction with nonstructural protein 5A[J].Hepatology, 2011, 54(5): 1506-1517.
[27] JUMAT M R, HUONG T N, RAVI L I, et al. Viperin protein expression inhibits the late stage of respiratory syncytial virus morphogenesis[J].AntiviralRes, 2015, 114: 11-20.