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沙門氏菌(Salmonella)是一種重要的人獸共患病原菌,在醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)學(xué)和公共衛(wèi)生方面均具有重要意義。該菌為兼性胞內(nèi)寄生菌,其致病性主要與基因組上成簇分布的編碼致病相關(guān)基因的特定區(qū)域—毒力島(Salmonellapathogenicity island,SPI)有關(guān)。目前在沙門氏菌基因組上發(fā)現(xiàn)了約39個SPI,分別以SPI-1~SPI-39表示,其中SPI-1和SPI-2與致病性密切相關(guān)[1-2]。有研究報道,位于SPI-1上hilD基因編碼的HilD在體外環(huán)境下,能對SPI-1的基因表達起調(diào)控作用,并且可以與位于SPI-2上的ssrAB啟動子區(qū)域結(jié)合,誘導(dǎo)SPI-2上基因的表達,實現(xiàn)調(diào)控沙門氏菌SPI-1和SPI-2的作用[3-4]。然而,有關(guān)在體內(nèi)環(huán)境中HilD對ssrAB表達調(diào)控的研究尚未見報道。
綠色熒光蛋白(green fluorescent protein, GFP)因具有無細胞毒性、熒光性質(zhì)穩(wěn)定、分子量小、操作簡單等特點,作為分子標(biāo)記被廣泛用于研究特定的環(huán)境下生物體的基因表達和蛋白定位監(jiān)控等[5-6]。本試驗以鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)為研究對象,秀麗隱桿線蟲為模式生物,通過同源重組技術(shù)將編碼綠色熒光蛋白的基因(gfp)插入pMD19-ssrAB質(zhì)粒中構(gòu)建pMD19-ssrAB-gfp重組質(zhì)粒,再轉(zhuǎn)入pWM91自殺質(zhì)粒中構(gòu)建pWM91-ssrAB-gfp重組自殺質(zhì)粒,最終分別轉(zhuǎn)入鼠傷寒沙門氏菌親本株空質(zhì)粒菌S.Typhi(pcDNA3.1)、hilD基因回補株S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1-hilD)和hilD基因缺失株空質(zhì)粒菌S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1)中,經(jīng)含有100 g/mL鏈霉素-氨芐青霉素的雙抗LB瓊脂培養(yǎng)基上篩選鑒定后,獲得能夠穩(wěn)定表達GFP的標(biāo)記菌株。將構(gòu)建的帶有GFP分子的標(biāo)記菌株飼喂秀麗隱桿線蟲,利用熒光顯微鏡觀察在線蟲體內(nèi)標(biāo)記菌株GFP表達和綠色熒光強度及其在線蟲體內(nèi)定殖和分布情況,初步探究體內(nèi)環(huán)境下HilD與ssrAB表達之間的相互關(guān)系,為深入探究沙門氏菌HilD介導(dǎo)ssrAB表達調(diào)控奠定基礎(chǔ)。
1.1菌株、質(zhì)粒和模式生物 鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium,S.Typhi)標(biāo)準(zhǔn)株CMCC50115購自廣東省微生物研究所菌種保藏中心;親本株空質(zhì)粒菌S.Typhi(pcDNA3.1)、hilD基因回補株S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1-hilD)及hilD基因缺失株空質(zhì)粒菌S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1)、pMD19-ssrAB重組質(zhì)粒均由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物傳染病實驗室構(gòu)建和保存;pEGFP質(zhì)粒及pWM91自殺質(zhì)粒購自TAKARA公司;大腸桿菌OP50(E.coliOP50)及秀麗隱桿線蟲由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)李琳博士饋贈。
1.2主要試劑和儀器 瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒(TIANGEN公司),M9培養(yǎng)基(上海羽朵生物科技有限公司),S.Medium培養(yǎng)基(北京普博斯生物科技有限公司),NGM瓊脂平板(英國OXIOD公司),聚乙二醇辛基苯基醚Triton-X100(上海生工生物工程股份有限公司),BamhI、HpaI、NotI、XhoI、T4 DNA連接酶均購自于TAKARA生物科技有限公司。熒光顯微鏡(日本TOKYO公司),Eon全自動酶標(biāo)儀(美國Bio Tek公司)。
1.3.1GFP標(biāo)記菌株的構(gòu)建與鑒定 根據(jù)gfp基因序列(Gene ID:DQ399411.1)設(shè)計1對引物,酶切位點分別是BamhI和HpaI(下劃線標(biāo)出),上游引物:5′-ATAGGATCCATGGTGAGCAAGGGCGA-GGA-3′;下游引物:5′-GCGGTTAACTTACTTGTACAGCTCGTCCA-3′,由南京金斯瑞生物公司合成。以pEGFP為模板,PCR擴增得到約700 bpgfp片段。參考文獻[7-9],用BamhI和HpaI分別雙酶切g(shù)fp片段和pMD19-ssrAB載體質(zhì)粒,按1∶4摩爾比混合,T4 DNA連接酶16 ℃連接12 h。連接產(chǎn)物pMD19-ssrAB-gfp和自殺質(zhì)粒pWM91分別用NotI和XhoI雙酶切,將ssrAB-gfp片段插入pWM91自殺質(zhì)粒中,提取質(zhì)粒DNA,PCR鑒定陽性克隆,重組質(zhì)粒命名為pWM91-ssrAB-gfp。采用固相濾膜雜交法,分別將宿主菌S.Typhi(pcDNA3.1)、S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1-hilD)和S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1)與pWM91-ssrAB-gfp進行固相結(jié)合,涂布于100 g/mL鏈霉素-氨芐青霉素雙抗LB平板,挑取單克隆,經(jīng)菌液PCR和雙酶切初步鑒定后,送南京金斯瑞生物公司測序驗證。
1.3.2GFP標(biāo)記菌株的表達 將S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)、S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)、S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1) 3株標(biāo)記菌分別接種5 mL含0.04%組氨酸的M9培養(yǎng)基,培養(yǎng)至菌液渾濁,置4 ℃冰箱3 d。分別將誘導(dǎo)表達的標(biāo)記菌離心后取沉淀,PBS洗滌3次,取10 μL涂于載玻片,石蠟封片,經(jīng)熒光顯微鏡觀察,同時以未轉(zhuǎn)入pWM91-ssrAB-gfp質(zhì)粒的S.Typhi(pcDNA3.1)為對照,確認GFP表達與否。
1.4.1線蟲同期化培養(yǎng) 參考文獻[10-11],將含秀麗隱桿線蟲蟲卵的S.Medium培養(yǎng)基置20 ℃培養(yǎng)10 h,1 500 r/min離心 3 min,收集幼蟲,轉(zhuǎn)至含E.coliOP50的 NGM平板,繼續(xù)培養(yǎng)48~60 h獲L4期幼蟲。PBS洗下平板上線蟲,洗滌3次收集幼蟲,分裝于含2 mL S.Medium培養(yǎng)基的12孔板里(每孔大約15~20只蟲體),靜止培養(yǎng)過夜。
1.4.2標(biāo)記菌株前處理 將3株標(biāo)記菌分別接種5 mL LB液體培養(yǎng)基,培養(yǎng)過夜,以S.Typhi(pcDNA3.1)為對照組。分別取培養(yǎng)的標(biāo)記菌離心后收集沉淀,用S.Medium培養(yǎng)基洗滌2次并重懸菌體,測定標(biāo)記菌株OD600,調(diào)至所需濃度,備用。
1.4.3標(biāo)記菌株飼喂線蟲 將同期化線蟲分別涂于含3株標(biāo)記菌的NGM平板,以S.Typhi(pcDNA3.1)為對照組,20 ℃孵育10 h。
1.4.4線蟲體內(nèi)GFP的顯微觀察 用PBS洗下NGM平板上線蟲,清洗3次,分別放入含有1% Triton-X100的M9培養(yǎng)基,15 ℃培養(yǎng)2 h。PBS洗滌3次收集菌體,取5%瓊脂溶解后滴加于載玻片,立刻輕輕用蓋玻片壓平,形成約0.4 mm 厚的瓊脂圈,待瓊脂冷卻后,移去蓋玻片,滴加20 μL 10 mmol/L的NaN3于凝固的瓊脂圈上,取線蟲置瓊脂圈的表面,待線蟲定型后蓋上玻片,熒光顯微鏡下觀察標(biāo)記菌在線蟲口咽部和腸道內(nèi)的分布情況。
1.4.5統(tǒng)計學(xué)分析 利用ImegJ軟件對拍攝的熒光圖片半定量分析,并采用Prism軟件作圖。本研究統(tǒng)計分析均采用SPSS 19.0軟件分析,P<0.05為有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1GFP標(biāo)記菌株的構(gòu)建 將gfp基因克隆于pMD19-ssrAB重組質(zhì)粒載體上,PCR鑒定,由圖1-A可知,擴增片段大小為2 081 bp(ssrAB-gfp),與預(yù)期結(jié)果一致;提取陽性重組質(zhì)粒pMD19-ssrAB-gfp雙酶切鑒定,由圖1-B及測序結(jié)果可知,雙酶切片段大小分別為2 081 bp(ssrAB-gfp)、2 692 bp(pMD19),與預(yù)期結(jié)果一致;將ssrAB-gfp基因克隆于pWM91自殺質(zhì)粒載體上,提取陽性重組質(zhì)粒pWM91-ssrAB-gfp雙酶切鑒定,由圖1-C及測序結(jié)果可知,雙酶切片段大小分別為2 081 bp(ssrAB-gfp)、8 423bp(pWM91),與預(yù)期結(jié)果一致;通過固相結(jié)合方法,將ssrAB-gfp分別轉(zhuǎn)化到S.Typhi(pcDNA3.1)、S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1-hilD)和S.Typhi(ΔhilD+pcDNA3.1)中,由圖1-D及測序結(jié)果可知,擴增片段大小2 081 bp(ssrAB-gfp)、274 bp(pcDNA3.1)、965bp(pcDNA3.1-hilD),與預(yù)期結(jié)果一致。成功構(gòu)建了3株標(biāo)記菌S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)、S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)、S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)。
A:M: DNA Marker DL2000;1-2: ssrAB-gfp基因PCR擴增產(chǎn)物;B:M: DNA Marker DL2000;1-2:pMD19-ssrAB-gfp雙酶切鑒定;C:M1: DNA Marker DL10000;M2: DNA Marker DL2000;1-2:pWM91-ssrAB-gfp雙酶切鑒定;D:M: DNA Marker DL2000;1-2:ssrAB-gfp基因PCR擴增產(chǎn)物;3-4:pcDNA3.1 PCR擴增產(chǎn)物;5-6: pcDNA3.1-hilD PCR擴增產(chǎn)物;圖1 PCR擴增及重組質(zhì)粒酶切鑒定Fig.1 Amplification of PCR and the enzymes digestion of the recombinant plasmids
2.2標(biāo)記菌株GFP的熒光觀察 以未插入gfp基因的S.Typhi(pcDNA3.1)為對照,利用熒光顯微鏡觀察3株標(biāo)記菌中GFP的表達情況。對照組S.Typhi(pcDNA3.1)未見綠色熒光(圖2-A),而3株標(biāo)記菌均可見綠色熒光(圖2-B、圖2-C、圖2-D),顯示標(biāo)記菌已成功表達了外源GFP,且熒光強度存在明顯差異。由圖2-E可知,S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)的熒光強度顯著高于S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)(t=3.513,P<0.05)和S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)(t=6.722,P<0.05),且S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)熒光強度高于S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1) (t=3.980,P<0.05)。
A:熒光顯微鏡下S.typhi(pcDNA3.1) 的表達;B:熒光顯微鏡下S.typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1) 的表達;C:熒光顯微鏡下S.typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD) 的表達;D:熒光顯微鏡下S.typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1) 的表達 圖2 GFP在標(biāo)記菌株中的表達差異Fig.2 Differences of expression of GFP in tagged strains
2.3標(biāo)記菌株在秀麗隱桿線蟲體內(nèi)的定殖顯微觀察 將3株標(biāo)記菌和對照菌S.Typhi(pcDNA3.1)飼喂感染線蟲,利用熒光顯微鏡觀察GFP在線蟲體內(nèi)的表達及分布情況。由圖3-A可知,對照組未見綠色熒光,但3株標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)可見分布不均的綠色熒光,主要分布在口咽部和腸道內(nèi)(圖3-B、圖3-C、圖3-D),且熒光強度均為口咽部較腸道的高(tA=2.796;tB=2.785;tC=0.099,P<0.05,)(圖3-E),顯示標(biāo)記菌可在線蟲體內(nèi)定殖并成功表達GFP。通過ImegJ軟件比較綠色熒光強度,由圖3-F可以看出,3株標(biāo)記菌的熒光強度由強到弱依次為S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)>S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)>S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)。其中,S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)熒光強度顯著低于S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)(t=10.370,P<0.05)和S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)(t=8.477,P<0.05),且S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)與S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)之間熒光強度差異有統(tǒng)計學(xué)意義 (t=3.554,P<0.05)。
1:口咽部;2:腸道A:線蟲體內(nèi)S.typhi(pcDNA3.1)的表達;B:線蟲體內(nèi)S.typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)的表達;C:線蟲體內(nèi)S.typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)的表達;D:線蟲體內(nèi)S.typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)的表達;E:標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)分布情況;F:標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)熒光強度對比圖3 標(biāo)記菌株在線蟲體內(nèi)定殖情況Fig.3 Colonization of tagged strains in vivo of Caenorhabditis elegans
2.4標(biāo)記菌株在線蟲體內(nèi)外環(huán)境下熒光強度比較通過ImegJ軟件比較3株標(biāo)記菌和對照菌的綠色熒光強度,由圖4可知,在線蟲體內(nèi)和體外環(huán)境下,S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)與S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)之間熒光強度無明顯差異(tA=0.595;tB=0.719;P>0.05),而S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)在體內(nèi)的熒光強度明顯弱于體外(t=7.091,P<0.05)。
圖4 3株標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)與體外的熒光強度比較Fig.4 Comparison of the fluorescence intensity of three tagged strains in vivo and in vitro of Caenorhabditis elegans
鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)屬于沙門氏菌屬B群,是一群宿主非特異性腸道致病菌,具有廣泛的宿主譜和致病性,能致各種動物及人的副傷寒,常引起人類食物中毒和其他疾病。近年來,該菌是世界各國分離率最高的沙門氏菌菌型之一[12-13],在醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)學(xué)和公共衛(wèi)生方面的重要性均十分顯著。
目前,關(guān)于沙門氏菌毒力島調(diào)控的研究已經(jīng)成為探究該菌致病機理的重要方面。SPI-1和SPI-2是感染、侵襲、定殖于宿主的關(guān)鍵因子[14-17]。位于SPI-1上的調(diào)節(jié)子HilD不僅能調(diào)控SPI-1上基因表達,而且HilD可通過結(jié)合于SPI-2上ssrAB二元調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)SPI-2上基因的表達。Martínez和Bustamante等研究發(fā)現(xiàn)體外環(huán)境下HilD調(diào)控SPI-2的機制與SPI-2上ssrAB基因啟動子有關(guān),HilD可結(jié)合到ssrAB的啟動子上,招募OmpR蛋白,通過蛋白相互作用,將阻遏蛋白HS-N從ssrAB基因啟動子上替換下來,使SPI-2上其他毒力基因得到表達。體外環(huán)境下HilD能夠介導(dǎo)ssrAB的表達[4,18],但迄今尚未有文獻報道體內(nèi)環(huán)境中HilD對ssrAB表達的調(diào)控作用。
秀麗隱桿線蟲因體小、通體透明、生長周期短、基因組信息明確、實驗室條件下易于培養(yǎng)及觀察等優(yōu)勢,而作為經(jīng)典的模式生物[19]。1994年Chalfie等首次報道以秀麗隱桿線蟲為模型,通過觀察原核細胞或真核細胞中GFP的發(fā)光強弱,研究單個細胞基因表達和蛋白定位[20]。現(xiàn)已報道感染線蟲的致病菌有沙門氏菌、銅綠假單胞菌、糞腸球菌等,其中鼠傷寒沙門氏菌是細菌中已發(fā)現(xiàn)的唯一感染秀麗隱桿線蟲的胞內(nèi)菌[21-22]。
本試驗首先成功構(gòu)建攜帶gfp基因的3株標(biāo)記菌S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)、S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)和S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1),以未攜帶gfp基因的S.Typhi(pcDNA3.1) 菌株為對照,通過熒光顯微鏡觀察到3株標(biāo)記菌均呈現(xiàn)綠色熒光,對照菌則無熒光,表明外源GFP在標(biāo)記菌中得到表達。繼而重要的是將上述3株標(biāo)記菌和對照菌飼喂感染秀麗隱桿線蟲后,以熒光顯微鏡仍可直接觀察到3株標(biāo)記菌的綠色熒光,而對照菌無熒光,表明攜帶gfp基因的標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)也獲得了GFP的表達。ImegJ軟件半定量測定的結(jié)果顯示,標(biāo)記菌的綠色熒光強度存在差異。在體外環(huán)境下,雖然S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)的熒光顯著強于S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)(P<0.05),這可能由于hilD基因缺失株回復(fù)時轉(zhuǎn)入了hilD基因過表達質(zhì)粒,使HilD表達量下降,進而引起ssrAB表達水平低[23-24];但S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)與S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)和S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD) 之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義。在秀麗隱桿線蟲體內(nèi)呈現(xiàn)了同樣情況,S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)的熒光顯著強于S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)(P<0.05)及S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)(P<0.05),且S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)與S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD) 之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義。不僅證實了體外環(huán)境下鼠傷寒沙門氏菌HilD正調(diào)控ssrAB,也表明了體內(nèi)環(huán)境中HilD對ssrAB的調(diào)控具有相同作用。然而HilD并非單一介導(dǎo)ssrAB的表達調(diào)控,尚存在其他調(diào)控因子的參與。有研究表明,體外環(huán)境下ssrAB的表達既受HilD的調(diào)控,又能夠通過EnvZ/OmpR、PhoP/Q雙組份系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子SlyA等參與調(diào)控[25-28]。由此推斷在體內(nèi)環(huán)境中,HilD介導(dǎo)ssrAB表達的調(diào)控機制可能與體外環(huán)境下的相似。
比較標(biāo)記菌株在秀麗隱桿線蟲體內(nèi)外的綠色熒光強度,S.Typhi(ssrAB-gfp+pcDNA3.1)與S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1-hilD)之間無明顯差異,但S.Typhi(ΔhilD+ssrAB-gfp+pcDNA3.1)在線蟲體內(nèi)的熒光強度明顯弱于體外,其原因可能是:①標(biāo)記菌株gfp-ssrAB在線蟲體內(nèi)的表達量較低;②在不同生長條件下,沙門氏菌的HilD表達水平存在顯著差異,從而導(dǎo)致ssrAB表達量的變化[29-30];③HilD與宿主間的相互作用也可能影響其對ssrAB表達的調(diào)控,López-Garrido證實hilD基因的mRNA的3′端未翻譯區(qū)存在一些符合真核生物的特征序列,預(yù)測宿主體內(nèi)的某些基因可能影響了hilD對ssrAB表達的調(diào)控[31]。此外,本試驗結(jié)果顯示,3株標(biāo)記菌在線蟲體內(nèi)分布不均,主要定殖在口咽部和腸道中,且其熒光強度為口咽部較腸道高,這可能與線蟲口咽部和腸道的結(jié)構(gòu)及其分泌的效應(yīng)因子有關(guān)。Sulston[32]發(fā)現(xiàn)線蟲的口咽部是由20個肌肉細胞、20個神經(jīng)細胞和18個上皮細胞形成的3條輻射狀結(jié)構(gòu),腸道則是由20個上皮細胞組成的簡單線性結(jié)構(gòu),口咽部黏膜面積大于腸道黏膜面積,有利于標(biāo)記菌在該處定殖。Berman[33]研究表明線蟲表達的抗菌肽ABF在口咽部和腸道中均能發(fā)揮抑菌活性,同時腸道分泌的3種溶菌酶lys-1、lys-7、lys-8也具有殺菌作用,能夠有效抑制標(biāo)記菌在其內(nèi)定殖。由此也可初步推斷出鼠傷寒沙門氏菌對秀麗隱桿線蟲的侵染路線。
本試驗成功在鼠傷寒沙門氏菌中穩(wěn)定表達了gfp基因,利用秀麗隱桿線蟲作為模式生物,使GFP在其口咽部和腸道的黏膜表面得到表達,首次進行了體內(nèi)環(huán)境中HilD介導(dǎo)ssrAB表達的初探,為進一步開展HilD與ssrAB基因結(jié)合位點的確立,深入探究沙門氏菌HilD介導(dǎo)ssrAB表達調(diào)控奠定基礎(chǔ)。