王先翔, 趙 澤, 王 朋, 劉興健, 胡小元, 張志芳, 李軼女, 房嶺麗, 葉愛華*
1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 合肥 230036;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所, 北京 100081
干擾素是機(jī)體內(nèi)一種重要的細(xì)胞因子,被發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)50年代,是研究者們使用滅活的禽流感病毒感染雞胚絨毛尿囊膜時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞分泌物,其能夠干擾和抑制禽流感病毒的復(fù)制,故將其命名為干擾素(interferon,IFN)[1]。干擾素可以通過抑制病毒RNA和蛋白質(zhì)的合成達(dá)到抗病毒作用,通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬來達(dá)到抗腫瘤及調(diào)節(jié)細(xì)胞損傷修復(fù)和自身免疫等作用[2]。目前,根據(jù)作用方式和特性的不同可將干擾素分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三型,其中Ⅰ型干擾素成員最多,具有較強(qiáng)的抗病毒作用,包括IFN-α、IFN-β、IFN-δ、IFN-ζ、IFN-ε、IFN-ν、IFN-κ、IFN-τ、IFN-ω等[3];Ⅱ型干擾素只有1種成員,即IFN-γ,IFN-γ是通過激活髓樣細(xì)胞以消除病原體的細(xì)胞因子,主要受抗原提呈細(xì)胞(antigen-presenting cells,APC)分泌的細(xì)胞因子IL-12和IL-18的控制,這些細(xì)胞因子在先天免疫反應(yīng)中刺激IFN-γ的產(chǎn)生[4],雖然IFN-γ僅由免疫細(xì)胞產(chǎn)生,但幾乎對所有類型的細(xì)胞都有作用[5],尤其在調(diào)節(jié)免疫功能以及橋接先天性和獲得性免疫中發(fā)揮重要作用[6,7];Ⅲ型干擾素是近些年來新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子,主要為IFN-λ1、IFN-λ2、IFN-λ3,分別被稱為IL-29、IL-28A、IL-28B,此外還有在人體中發(fā)現(xiàn)的IFN-λ4[8]。
Ⅲ型干擾素(IFN-λs)在系統(tǒng)發(fā)生上與Ⅰ型干擾素和IL-10關(guān)系密切,并可與IL-10、IL-22和IL-26相同的受體(IL-10R2)相結(jié)合[9]。其另外一個(gè)特異性受體分子為IFN-λR1,IFN-λR1主要是在上皮細(xì)胞中表達(dá),故IFN-λs曾被認(rèn)為是上皮細(xì)胞因子,在粘膜部位發(fā)揮抗病毒等生物學(xué)功能[10]。然而,現(xiàn)在越來越多的研究發(fā)現(xiàn)IFN-λs在免疫應(yīng)答調(diào)節(jié)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。免疫細(xì)胞(如中性粒細(xì)胞和樹突細(xì)胞)對IFN-λs有反應(yīng),IFN-λs可通過刺激中性粒細(xì)胞導(dǎo)致Janus激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT)通路激活和STAT1磷酸化而顯示出抗炎功能[11~13];而利用IFN-λs刺激樹突細(xì)胞,能夠激活JAK-STAT通路和上調(diào)干擾素誘導(dǎo)基因產(chǎn)物的轉(zhuǎn)錄,從而刺激其產(chǎn)生Ⅰ型IFN并誘導(dǎo)腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)的表達(dá),對抗腫瘤具有重要意義[14]。此外,IFN-λs與受體結(jié)合后,也可激活JAK-STAT通路,從而上調(diào)多達(dá)數(shù)百種干擾素刺激基因(interferon-stimulated genes,ISGs)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),通過復(fù)雜的正負(fù)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)免疫功能[15]。最近研究表明,IFN-λs對中性粒細(xì)胞的作用可以在真菌感染期間保護(hù)宿主,顯示了其抗真菌的能力[16];IFN-λs刺激的樹突狀細(xì)胞仍然能夠在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激下上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子T-bet并產(chǎn)生更高水平的IL-12[17]。
羊的干擾素可抑制水泡性口炎病毒、羊的慢病毒等,近來研究發(fā)現(xiàn)其對口蹄疫病毒也具有較好的抗病毒活性[18]。羊的干擾素還對繁殖和內(nèi)分泌起到重要作用,可調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜的雌激素、催產(chǎn)素等激素的受體[19],而且其還可作用于母體子宮內(nèi)膜以防止黃體溶解因子前列腺素F2α的釋放,預(yù)防黃體退化,確保妊娠的持續(xù)[20]。
桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)是一種高效節(jié)時(shí)的真核表達(dá)系統(tǒng),Arslan等[21]將桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)的雞IFN-λ3作用于雞胚細(xì)胞后,重要的免疫基因和抗病毒信號通路均有所上調(diào),顯示出其抗病毒的潛力。本實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中構(gòu)建了一種失活拯救型家蠶桿狀病毒穿梭載體reBmBac,其缺失復(fù)制必需基因ORF1629,使其獲得重組病毒的效率幾乎高達(dá)100%[22]。本實(shí)驗(yàn)室利用此系統(tǒng)已經(jīng)多次成功高效表達(dá)出具有生物活性的外源蛋白,如趙璐璐等[23]使用家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)出牛IFN-λ3,檢測其抗水泡性口炎病毒(vesicular stomatitis virus,VSV)活性為(8.1±0.52)×105U/mL。本研究中選用家蠶作為生物反應(yīng)器來表達(dá)目的蛋白——羊λ3干擾素(OvIFN-λ3),在羊細(xì)胞系中檢測其抗病毒活性并篩選純化,以期為羊的抗病手段提供新思路。
實(shí)驗(yàn)用家蠶為江蘇科技大學(xué)蠶業(yè)研究所提供的JY1品種;OvIFN-λ3基因由南京金斯瑞生物科技有限公司合成;大腸桿菌感受態(tài)Top10、桿狀病毒轉(zhuǎn)移載體pVL1393、失活拯救型穿梭質(zhì)粒、家蠶卵巢傳代細(xì)胞(Bm-N)、羊腎上皮細(xì)胞和重組表達(dá)綠色熒光蛋白的水皰型口炎病毒(VSV-GFP)均由本實(shí)驗(yàn)室傳代、保存。高保真DNA聚合酶和HiScript Ⅱ 1st Strand cDNA Synthesis Kit(+ gDNA wiper)購自南京諾唯贊生物科技有限公司;昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)基(TC-100)購自德國AppliChem公司;哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基和胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)購自美國Gibco公司。
1.2.1OvIFN-λ3的優(yōu)化和合成 首先,查找Genbank公布的羊λ3干擾素的氨基酸序列,在得到的多條結(jié)果中用序列比對軟件進(jìn)行比對,選擇共有序列,最終確定登錄號為XP_014962163.1的氨基酸序列。將此序列在不改變氨基酸的前提下根據(jù)家蠶密碼子的偏好性進(jìn)行優(yōu)化,替換易使mRNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的密碼子,提高密碼子適應(yīng)指數(shù)(codon adaptation index,CAI),調(diào)整GC含量,去除常用酶切位點(diǎn)后,在兩端分別加入BamHⅠ和EcoRⅠ酶切位點(diǎn),在起始密碼子ATG前加入Kozak序列(AAC)。交由南京金斯瑞生物科技有限公司使用化學(xué)合成法合成優(yōu)化后的基因,將此基因命名為OvIFN-λ3。
1.2.2轉(zhuǎn)移載體pVL1393-OvIFN-λ3的構(gòu)建 合成的優(yōu)化基因已經(jīng)構(gòu)建在pUC57載體上,用BamHⅠ和EcoRⅠ內(nèi)切酶將目的基因片段剪切下來后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,膠回收,將回收下來的片段與已用BamHⅠ和EcoRⅠ內(nèi)切酶切好的pVL1393載體片段在T4 DNA連接酶的催化下于22℃連接3 h。再將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至大腸桿菌Top10感受態(tài)內(nèi),在氨芐固體選擇培養(yǎng)基中挑選出單克隆,經(jīng)BamHⅠ和EcoRⅠ雙酶切鑒定連接成功后,命名為轉(zhuǎn)移載體pVL1393-OvIFN-λ3。
1.2.3重組病毒的獲得及其在家蠶中的表達(dá)
將轉(zhuǎn)移載體pVL1393-OvIFN-λ3與本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的失活拯救型家蠶桿狀病毒穿梭載體reBmBac DNA在脂質(zhì)體的介導(dǎo)下共轉(zhuǎn)染家蠶卵巢傳代細(xì)胞Bm-N,27℃培養(yǎng)4~5 d后收集細(xì)胞培養(yǎng)液,離心取上清,進(jìn)行PCR鑒定,根據(jù)目的基因來設(shè)計(jì)引物,上游引物序列為5′-ATGGCTCCTGGCTGCACCTTGGT-3′,下游引物序列為5′-TTAAACACACTGATCTCCGCTA-3′。PCR反應(yīng)體系(共50 μL)為:模板1 μL,上、下游引物各1 μL,10 μmol/L dNTP 1 μL,10×Buffer 5 μL,DNA聚合酶 1 μL,水 40 μL。PCR程序?yàn)椋?5℃ 5 min;95℃ 30 s,58℃ 30 s,72℃ 30 s,共30個(gè)循環(huán);72℃ 10 min。經(jīng)PCR驗(yàn)證后得到含OvIFN-λ3基因片段的重組病毒液。將病毒液按照105pfu/頭的含量注射5齡起家蠶,同時(shí)設(shè)置陰性對照組,再培養(yǎng)4~5 d后,根據(jù)家蠶發(fā)病情況收集蠶血淋巴,于-20℃保存。
1.2.4蠶血淋巴基因組DNA的提取 取100 μL蠶血淋巴于EP管中,加入等體積的1 mol/L NaOH,搖勻后室溫放置5 min,再加入20 μL 10 mol/L NH4AC,混勻后室溫放置5 min,終止堿液反應(yīng)。隨后,加入飽和酚/氯仿/異戊醇(25∶24∶1)混合溶液,搖勻后靜置10 min,4℃、12 000 r/min離心10 min,取上清置于新管中,用2.5倍乙醇沉淀核酸,4℃、12 000 r/min離心10 min后棄上清,再用-20℃預(yù)冷的75%乙醇清洗沉淀,4℃、12 000 r/min離心10 min,棄上清后將沉淀烘干,溶于50 μL TE溶液中,置于-20℃保存。
1.2.5蠶血淋巴RNA的提取和反轉(zhuǎn)錄 取100 μL蠶血淋巴于EP管中,加入1 mL Trizol,混勻后室溫放置5 min,再加入200 μL氯仿,劇烈震蕩后靜置3 min,4℃、12 000 r/min離心15 min后取上層水相移入新EP管,加入等體積異丙醇,搖勻后冰浴5 min,4℃、12 000 r/min離心10 min后棄上清,用-20℃預(yù)冷的75%乙醇清洗沉淀后7 500 r/min離心5 min,棄上清后將沉淀烘干,溶于50 μL DEPC水中。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳查看RNA狀態(tài)良好后使用微量分光光度計(jì)測定其濃度,使用HiScript Ⅱ 1st Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒,并參照說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,將產(chǎn)物置于-20℃保存。
1.2.6OvIFN-λ3重組病毒的構(gòu)建及其感染和轉(zhuǎn)錄的PCR鑒定 分別以1.2.4和1.2.5獲得的基因組DNA和反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為模板,PCR反應(yīng)體系和程序同1.2.3。
1.2.7表達(dá)產(chǎn)物抗病毒活性檢測 用PBS將1.2.3中收集的蠶血淋巴稀釋10倍后使用超聲破碎儀破碎細(xì)胞,12 000 r/min離心10 min后取上清,經(jīng)0.22 μm膜過濾后分裝待用。采用微量細(xì)胞病變抑制法測定干擾素表達(dá)產(chǎn)物的抗病毒活性[24],在羊腎細(xì)胞中檢測其對VSV-GFP的抗病毒作用,使用Reed-muench方法來計(jì)算其效價(jià)。首先將羊腎細(xì)胞按照105個(gè)/mL的濃度鋪在96孔板(100 μL/孔)上,在37℃、5% CO2濃度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,將上述分裝的干擾素樣品稀釋1 000倍后,按照3倍梯度稀釋于96孔板中,每孔100 μL體積,設(shè)置7個(gè)稀釋度,每個(gè)稀釋度設(shè)置8個(gè)復(fù)孔為1列,另設(shè)1列病毒對照和1列細(xì)胞對照。再培養(yǎng)24 h后用100TCID50的VSV-GFP病毒攻毒,約24 h后根據(jù)綠色熒光觀察細(xì)胞發(fā)病情況,計(jì)算效價(jià)。
1.2.8空斑篩選法篩選重組病毒 將Bm-N細(xì)胞接種于35 mm的細(xì)胞培養(yǎng)皿中,27℃培養(yǎng)1 d后,用無血清的TC-100培養(yǎng)基將1.2.3中獲得的共轉(zhuǎn)染產(chǎn)物(含重組病毒的上清)稀釋104倍,取1 mL稀釋液加入到培養(yǎng)皿中;置于27℃昆蟲培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 h后取出,棄上清;加入半固體培養(yǎng)基(含10%胎牛血清和1%低熔點(diǎn)凝膠)培養(yǎng)基,于27℃培養(yǎng)4~6 d,在解剖鏡下觀察病毒感染細(xì)胞后所產(chǎn)生的細(xì)胞空斑,挑選24個(gè)空斑并編號后收集病毒。此過程相當(dāng)于純化病毒,1個(gè)細(xì)胞空斑內(nèi)的所有病毒都來源于同一個(gè)親本。將Bm-N細(xì)胞均勻鋪在24孔板中,分別接種所收集到的病毒,27℃培養(yǎng)4~6 d后,收集各孔上清,獲得24個(gè)毒株,將其分別注射家蠶,待家蠶發(fā)病后收集蠶血淋巴進(jìn)行抗病毒活性檢測。
用BamHⅠ和EcoRⅠ將構(gòu)建好的載體pVL1393-OvIFN-λ3進(jìn)行雙酶切鑒定,隨后經(jīng)1%瓊脂糖核酸電泳分離出2條帶(圖1A),目的基因的大小為591 bp,pVL1393載體大小為9 607 bp,電泳結(jié)果與預(yù)期一致。將酶切驗(yàn)證正確的質(zhì)粒交由公司測序,返回結(jié)果經(jīng)MEGA比對基因序列后顯示完全一致,證明轉(zhuǎn)移載體pVL1393-OvIFN-λ3構(gòu)建成功。
提取蠶血淋巴基因組后,通過PCR驗(yàn)證目的基因重組病毒的構(gòu)建及其感染、轉(zhuǎn)錄的情況。目的基因的大小為591 bp,PCR成功擴(kuò)增且大小與其相符(圖1B),將條帶膠回收后交由公司測序,返回結(jié)果顯示目的基因已成功重組并感染家蠶。以蠶血淋巴RNA反轉(zhuǎn)錄后得到的cDNA產(chǎn)物為模板,同樣用上述引物進(jìn)行PCR鑒定,得到的產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳鑒定大小相符(圖1C)后送測序,返回結(jié)果顯示其已在家蠶中進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。
利用微量細(xì)胞病變抑制法檢測OvIFN-λ3的抗病毒活性。GFP的吸收峰在495 nm左右,使用熒光顯微鏡在紫外光波段下觀察細(xì)胞,有綠色熒光出現(xiàn)表示病毒感染細(xì)胞并大量復(fù)制。攻毒次日每2 h觀察1次,待病毒對照組的8個(gè)復(fù)孔均出現(xiàn)綠色熒光時(shí)開始記錄。結(jié)果(圖2)顯示,高濃度的干擾素能夠完全抑制病毒感染和復(fù)制,無綠色熒光出現(xiàn);隨著稀釋度的提升,干擾素對細(xì)胞的保護(hù)作用降低,個(gè)別孔開始出現(xiàn)綠色熒光;細(xì)胞對照組的細(xì)胞狀態(tài)良好,無綠色熒光出現(xiàn)。根據(jù)不同稀釋度出現(xiàn)綠色熒光的孔數(shù)來反映干擾素對細(xì)
圖1 pVL1393-OvIFN-λ3重組質(zhì)粒酶切鑒定(A)和重組病毒感染家蠶(B)并在家蠶中轉(zhuǎn)錄(C)Fig.1 Restriction enzyme analysis of recombinant transfer vector pVL1393-OvIFN-λ3 (A) and the infection (B) and transcription (C) of recombinant baculovirus.注:A:M: DNA marker,1:pVL1393-OvIFN-λ3重組質(zhì)粒雙酶切產(chǎn)物,2:陰性對照(pVL1393載體);B:M:DNA marker,1:以樣品蠶血基因組為模板的PCR產(chǎn)物,2:對照蠶血的基因組為模板的PCR產(chǎn)物;C:M:DNA marker,1:以cDNA為模板的PCR產(chǎn)物,2:以提取的RNA為模板的PCR產(chǎn)物。
圖2 羊腎細(xì)胞感染VSV-GFP后發(fā)病情況Fig.2 The morbidity of Ovis aries kindly cells infected with VSV-GFP.A:高濃度干擾素完全抑制VSV復(fù)制;B:低濃度干擾素對細(xì)胞部分保護(hù);C:病毒對照組;D:細(xì)胞對照。
胞的保護(hù)作用,若某一孔出現(xiàn)綠色熒光,則在對應(yīng)表格上記為+,否則記為-,結(jié)果如表1所示,使用Reed-Muench方法計(jì)算其效價(jià),并進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)后計(jì)算其結(jié)果為(6.5±0.27)×105U/mL血淋巴。
將篩選純化后得到的24個(gè)重組病毒分別感染5齡起家蠶幼蟲,待發(fā)病后收集血淋巴進(jìn)行抗病毒活性檢測,測定結(jié)果如圖3所示,0號為未篩選的共轉(zhuǎn)染產(chǎn)物直接感染家蠶后的蠶血淋巴效價(jià),為(6.5±0.27)×105U/mL血淋巴,而篩選的24個(gè)樣品中,6號效價(jià)最高,為(3.1±0.42)×106U/mL血淋巴。
表1 家蠶幼蟲血淋巴中OvIFN-λ3的抗病毒活性Table 1 Antiviral activity assays of recombinant OvIFN-λ3 in haemolymph of silkworm larvae.
注:“-”表示無綠色熒光;“+”表示有細(xì)胞顯示綠色熒光;陰性對照:羊腎細(xì)胞+VSV-GFP;細(xì)胞對照:僅羊腎細(xì)胞。
圖3 不同重組病毒表達(dá)OvIFN-λ3的活性測定Fig.3 Antiviral activity assay of OvIFN-λ3 expressed by recombinant baculovirus.注:0:未篩選的共轉(zhuǎn)染產(chǎn)物;1~24:篩選的24個(gè)樣品。
本研究成功利用家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)高效表達(dá)出具有生物學(xué)活性的羊λ3干擾素。該系統(tǒng)中桿狀病毒的復(fù)制必需基因ORF1629的刪除使得共轉(zhuǎn)染過程中的重組率理論上為100%,其含誘導(dǎo)型大腸桿菌復(fù)制子,可在大腸桿菌中操作,易進(jìn)行進(jìn)一步的改良;同時(shí),桿狀病毒本身基因組較大,可攜帶較大片段外源基因,并且敲除了病毒基因組中降解外源基因的蛋白酶基因和幾丁質(zhì)酶基因。此外,該系統(tǒng)在表達(dá)出外源蛋白后會對其進(jìn)行一系列加工修飾過程,如糖基化、乙?;龋容^適用于真核蛋白的表達(dá),有利于其形成類似天然蛋白的高級結(jié)構(gòu),提高生物學(xué)活性。相對于其他表達(dá)系統(tǒng),家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)量更高,可批量表達(dá),且桿狀病毒不能在脊椎動(dòng)物中復(fù)制,對脊椎動(dòng)物無害,生物安全性較好,使得其在生產(chǎn)上具有重要意義。因而,使用桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)羊的干擾素具有表達(dá)量高、抗病毒活性好的優(yōu)點(diǎn),如邵麗萍等[25]使用家蠶桿狀病毒表達(dá)出羊IFN-γ,對產(chǎn)物進(jìn)行抗VSV活性檢測,結(jié)果顯示其效價(jià)可達(dá)1.6×106U/mL。本研究利用家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)出羊λ3干擾素,初始效價(jià)為(6.5±0.27)×105U/mL,隨后利用空斑篩選法篩選重組病毒,感染家蠶后,測定其效價(jià)最高可達(dá)(3.1±0.42)×106U/mL。
由于密碼子具有簡并性,不同物種密碼子的偏好性也不同,密碼子偏好性優(yōu)化是提高異源蛋白表達(dá)量的有效方式[26]。因此,得到OvIFN-λ3基因序列后,在不改變氨基酸序列的前提下,根據(jù)家蠶的密碼子偏好性對其進(jìn)行優(yōu)化,提高CAI值,調(diào)整GC含量;另外,刪除了原有序列中的一些常用酶切位點(diǎn),并在序列兩端加上酶切位點(diǎn);還在起始密碼子前加上Kozak序列,其可與翻譯起始因子結(jié)合而介導(dǎo)含有5′帽子結(jié)構(gòu)的mRNA翻譯起始,從而提高目的蛋白的表達(dá)量[14]。微量細(xì)胞病變抑制法是測定干擾素活性的常用方法,在本研究中采用VSV-GFP病毒系統(tǒng)攻毒,可根據(jù)綠色熒光蛋白的表達(dá)情況反映干擾素對細(xì)胞的保護(hù)作用,避免了細(xì)胞狀態(tài)、主觀判斷等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,多次重復(fù)試驗(yàn)后,OvIFN-λ3的抗病毒效價(jià)基本平穩(wěn),可達(dá)到(3.1±0.42)×106U/mL血淋巴。
羊的養(yǎng)殖是畜牧業(yè)中重要的一環(huán),而口蹄疫、羊痘、寄生蟲等疾病常常威脅著羊的養(yǎng)殖。一般抗生素等藥物具有藥物殘留等缺點(diǎn),而干擾素的安全性是其他藥物所沒有的,其所具有的抗病毒、抗寄生蟲等潛力對于羊病的預(yù)防與治療有一定的積極意義。本研究為利用桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)大批量生產(chǎn)廉價(jià)的干擾素制劑提供了可能,也為羊干擾素應(yīng)用于生產(chǎn)疫苗、抗體等生物制品提供了理論依據(jù)。未來,可將不同干擾素混合使用,相比單一干擾素,其抗病毒等能力可能會有所提高。