陳 麗,倪敏舒,徐 悅,鮑 熹,莊騰寒,馮 磊,3,4,5,郭美錦
(1.華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物免疫工程研究所,南京 210014;3.江蘇省動(dòng)物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心,揚(yáng)州 225009;4.江蘇大學(xué)藥學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013;5.江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,南京 210014)
病毒在感染過程中會(huì)把內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)作為復(fù)制場(chǎng)所,并利用宿主細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜和蛋白系統(tǒng)合成自身的病毒蛋白。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞器的重要組成部分,由脂類和蛋白質(zhì)構(gòu)成,是蛋白質(zhì)合成、翻譯后修飾、加工和折疊的重要場(chǎng)所,同時(shí)還參與Ca2+儲(chǔ)存和脂類物質(zhì)的合成[1]。在缺氧、氧化應(yīng)激、毒性物質(zhì)刺激等情況下[2],內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的微環(huán)境發(fā)生改變,大量未折疊或者錯(cuò)誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中聚集,使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處于生理功能紊亂,進(jìn)而誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。為緩解應(yīng)激壓力,細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[3]。為了能夠達(dá)到在宿主體內(nèi)增殖,病毒需通過調(diào)控UPR以減少對(duì)其增殖的不利因素,創(chuàng)造出有利條件。同時(shí),病毒還可以通過調(diào)控UPR與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬和病毒先天免疫之間的關(guān)系,以應(yīng)對(duì)病毒感染引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,最終達(dá)到致病的目的[4-5]。UPR活化由3個(gè)不同的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白介導(dǎo),分別是蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、ER跨膜蛋白激酶1(IRE1)和活化轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)[6-7]??缒さ鞍拙哂幸种撇《镜鞍椎暮铣?、降解駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的病毒蛋白量或誘導(dǎo)促折疊伴侶分子表達(dá)等功能[8-9]?;罨腜ERK催化真核轉(zhuǎn)錄起始因子2(eIF2α)磷酸化,磷酸化eIF2α(P-eIF2α)上調(diào)活化轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)基因的表達(dá),ATF4激活生長(zhǎng)停滯和DNA損傷誘導(dǎo)蛋白(GADD34)、C/EBPα-同源蛋白(CHOP)等相關(guān)蛋白的表達(dá)[10]?;罨腎REl能夠去除X盒結(jié)合蛋白1(XBP1)mRNA的26 bp內(nèi)含子,形成翻譯框移碼,編碼新蛋白sXBP1[11-12]。XBP1被IRE1切除的26 bp核苷酸序列中含有1個(gè)PstⅠ酶切位點(diǎn)[13]。剪切形式的sXBP1誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑(ERAD)中伴侶分子和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解蛋白(EDEM)的表達(dá)?;罨腁TF6(90 ku)轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體后降解為有轉(zhuǎn)錄活性的ATF6蛋白(50 ku),進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激響應(yīng)元件(ERSE)的表達(dá),如葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94(GRP94)、鈣連蛋白(Calnexin)和鈣網(wǎng)蛋白(Calreticulin)等[14]。多種皰疹病毒可以引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,如單純皰疹病毒1型(Herpes simplex virus 1,HSV-1)通過PERK通路應(yīng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[15-16];鴨瘟病毒(Duck enteritis virus,DEV)感染可以激活PERK和IRE1通路,并通過小干擾RNA(siRNA)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這2個(gè)通路有助于誘導(dǎo)細(xì)胞自噬[17]。
偽狂犬病(pseudorabies,PR)是一種由偽狂犬病毒(Pseudorabies virus,PRV)引起的急性傳染病[18-19]。PRV屬于α皰疹病毒亞科,具有傳播速度快、死亡率高、病原體頑固等特點(diǎn)[20-21],能夠引起多種家畜和野生動(dòng)物感染發(fā)病,主要的宿主是豬[22-23]。該病廣泛分布于世界各地多個(gè)國(guó)家和地區(qū),給全球養(yǎng)豬業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。疫苗的免疫接種是防治和消滅偽狂犬病的主要手段[24]。PRV致病機(jī)制目前還不明確,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激研究對(duì)PRV與宿主細(xì)胞的相互作用機(jī)制的研究具有重要意義,可為闡明PRV的致病機(jī)制奠定基礎(chǔ)。目前有關(guān)PRV感染誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的研究較少,Yang等[25]的研究表明,PRV感染PK-15細(xì)胞在感染早期可激活I(lǐng)RE1-XBP1通路,但是該通路沒有對(duì)病毒復(fù)制造成影響,并通過CHOP-Bcl2通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。作者前期對(duì)PRV感染BHK-21懸浮細(xì)胞的接毒劑量進(jìn)行了摸索,考察了MOI為0.1,0.01,0.001,0.0001對(duì)病毒滴度影響,最終得到在生物反應(yīng)器中生產(chǎn)PRV的最佳MOI為0.01(未發(fā)表)。本研究以PRV滅活疫苗生產(chǎn)中的工程細(xì)胞BHK-21懸浮細(xì)胞為宿主細(xì)胞,以MOI 0.01接毒,考察PRV感染對(duì)BHK-21懸浮細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及UPR信號(hào)通路的影響。
1.1.1 細(xì)胞和毒株 BHK-21貼壁細(xì)胞、BHK-21懸浮細(xì)胞和PRV毒株均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物免疫工程研究所細(xì)胞工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)保存。
1.1.2 主要試劑 DMEM培養(yǎng)基、新生牛血清(NBS)均購自Gibco公司;懸浮培養(yǎng)基MD910購自北京清大天一科技有限公司;eIF2α(9722S)、P-eIF2α(3597S)和α-tubulin(2144S)抗體均購自Cell Signaling Technology公司;HRP標(biāo)記羊抗兔二抗購自Invitrogen公司;內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑毒胡蘿卜素(Tg)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑?;切苋パ跄懰?TUDCA)均購自Sigma公司;PstⅠ內(nèi)切酶購自TaKaRa公司;RNA提取、逆轉(zhuǎn)錄、QuantiFast SYBR Green PCR試劑盒和DNA回收試劑盒均購自Qiagen公司;CCK-8試劑盒購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司。
在高壓滅菌后的1 L生物反應(yīng)器中加入500 mL細(xì)胞培養(yǎng)液(含1% NBS的MD910懸浮培養(yǎng)基),將BHK-21懸浮細(xì)胞以5×105/mL接種,培養(yǎng)溫度為37 ℃,攪拌轉(zhuǎn)速為160 r/min,溶解氧(DO)為50%,pH為7.2。當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)到4×106/mL后再加入500 mL細(xì)胞培養(yǎng)液,以MOI為0.01接種PRV,以不接毒細(xì)胞作為對(duì)照組,分別在12、24、36、48和56 h收集對(duì)照組和感染組細(xì)胞,用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞存活率,按Reed-Muench法[26]測(cè)定病毒滴度,篩選病毒接種處理的合適時(shí)間。
1.3.1 樣品收集 按1.2方法接種病毒,分別在在12、24、36和48 h收集對(duì)照組和感染組細(xì)胞,用于檢測(cè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志分子GRP78及UPR的3種感受蛋白(PERK、IRE1、ATF6)相關(guān)通路中基因和蛋白的表達(dá)變化。
1.3.2 實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)相關(guān)基因mRNA的表達(dá)水平 使用RNA提取試劑盒提取1.3.1收集細(xì)胞的RNA,并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。參照GenBank中敘利亞倉鼠GRP78、ATF4、GADD34、p58IPK、EDEM、ERp57、PDI、Calnexin和Calreticulin基因序列,用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物,引物信息見表1,引物均由南京擎科生物科技有限公司合成。以β-actin為內(nèi)參基因,進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR。PCR反應(yīng)體系20 μL:SYBR Premix ExTaqⅡ 10 μL,上、下游引物(20 μmol/L)各1 μL,cDNA 1 μL,ddH2O 7 μL。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,60 ℃退火45 s,72 ℃延伸45 s,共40個(gè)循環(huán)。采用2-ΔΔCt法計(jì)算各基因的相對(duì)表達(dá)量。
表1 引物序列
1.3.3 Western blotting檢測(cè)相關(guān)蛋白的表達(dá) 用RIPA裂解1.3.1收集的細(xì)胞提取總蛋白,12% SDS-PAGE分離蛋白,使用濕轉(zhuǎn)法將蛋白轉(zhuǎn)至PVDF膜上。5%脫脂牛奶在37 ℃封閉2 h,4 ℃一抗P-eIF2α(1∶1 000)、eIF2α(1∶1 000)和Tublin(1∶1 000)孵育過夜。然后用TBST洗滌3次,加入HRP標(biāo)記羊抗兔二抗(1∶5 000)37 ℃孵育1 h,最后用ECL法顯示,并使用Tanon 5200系統(tǒng)成像拍照,ImageJ 2.0軟件統(tǒng)計(jì)蛋白條帶灰度值。
用1.3.2中合成的各組細(xì)胞的cDNA,進(jìn)行RT-PCR分析IRE1通路中XBP1剪切情況。根據(jù)敘利亞倉鼠XBP1基因序列(登錄號(hào):NM_001244049.1),用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物,引物信息見表1,引物由南京擎科生物科技有限公司合成。PCR反應(yīng)體系20 μL:PremixTaq10 μL,上、下游引物(20 μmol/L)各1 μL,cDNA 1 μL,ddH2O 7 μL。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性15 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共40個(gè)循環(huán);72 ℃延伸300 s。PCR產(chǎn)物用2.0%瓊脂糖凝膠電泳后進(jìn)行回收,回收產(chǎn)物用PstⅠ酶消化。sXBPl不含有PstⅠ酶切位點(diǎn)而不能被切開,電泳產(chǎn)物為504 bp,而非剪接形式的uXBPl則被PstⅠ酶切形成大小分別為317和213 bp的片段。
在BHK-21懸浮細(xì)胞上以MOI為0.01接種PRV,同時(shí)分別加入0(對(duì)照組)、0.001、0.005、0.01和0.02 μmol/L Tg和0(對(duì)照組)、20、40、80和160 μmol/L TUDCA,48 h收集細(xì)胞,按照1.2中的方法測(cè)定細(xì)胞存活率和病毒滴度。
用GraphPad Prism 5.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,樣本間差異采用t檢驗(yàn)。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。
由圖1可知,PRV在BHK-21懸浮細(xì)胞中增殖速度較快,12 h病毒滴度達(dá)5.0 lg TCID50/mL,48 h病毒滴度最高,達(dá)到8.1 lg TCID50/mL,56 h細(xì)胞存活率低于70%,病毒滴度和細(xì)胞存活率均出現(xiàn)下降。因此后續(xù)試驗(yàn)對(duì)PRV感染48 h內(nèi)進(jìn)行研究,分別在接毒后12、24、36和48 h收集細(xì)胞。
圖1 PRV感染BHK-21懸浮細(xì)胞后病毒滴度和細(xì)胞存活率變化Fig.1 Changes of viral titer and relative cell viability of BHK-21 suspension cells infected by PRV
由圖2可知,與對(duì)照組相比,PRV感染組GRP78 mRNA轉(zhuǎn)錄水平在36和48 h均極顯著上調(diào)(P<0.01)。
與對(duì)照組相比,*,差異顯著(P<0.05);**,差異極顯著(P<0.01);無*,差異不顯著(P >0.05)。下同Compared with control group,*,Significant difference(P<0.05);**,Extremely significant difference(P<0.01);No *,No significant difference(P>0.05).The same as below圖2 各組細(xì)胞不同時(shí)間GRP78的相對(duì)表達(dá)量Fig.2 The relative expression of GRP78 in each group at different time
由圖3可知,與對(duì)照組相比,ATF4在PRV感染36、48 h均極顯著升高(P<0.01),GADD34在PRV感染36 h顯著升高(P<0.05)、48 h極顯著升高(P<0.01);PRV感染36、48 h PERK通路中宿主細(xì)胞的P-eIF2α蛋白表達(dá)水平均極顯著增加(P<0.01)。
A、B,實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析ATF4、GADD34相對(duì)表達(dá)量;C,Western blotting分析PERK通路P-eIF2α和eIF2α蛋白表達(dá);D,P-eIF2α/eIF2α灰度值比A and B,The relative expression of ATF4 and GADD34 by Real-time quantitative PCR;C,The expression of P-eIF2α and eIF2α proteins in the PERK pathway by Western blotting;D,The ratio of P-eIF2α/eIF2α gray value圖3 各組細(xì)胞不同時(shí)間PERK通路相關(guān)基因及蛋白表達(dá)Fig.3 The related gene and protein expression of the PERK pathway in each group at different time
由圖4可知,與對(duì)照組相比,PRV感染組細(xì)胞36 h后多以剪切形式sXBP1存在,同時(shí)下游p58IPKmRNA水平在36和48 h顯著或極顯著增加(P<0.05;P<0.01),EDEM mRNA水平在48 h極顯著增加(P<0.01)。
A,RT-PCR分析XBP1剪切水平;B、C,實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析p58IPK和EDEM相對(duì)表達(dá)量A,The level of XBP1 splicing by RT-PCR;B and C,The relative expression of p58IPK and EDEM by Real-time quantitative PCR圖4 各組細(xì)胞不同時(shí)間IRE1通路XBP1剪切水平及相關(guān)基因的相對(duì)表達(dá)量Fig.4 The relative expression of XBP1 splicing and the related gene of the IRE1 pathway in each group at different time
由圖5可知,與對(duì)照組相比,PRV感染組12、24、36、48 h ATF6下游相關(guān)效應(yīng)分子ERp57、PDI、Calnexin和Calreticulin的表達(dá)均無顯著變化(P>0.05)。
A~D,分別為ERp57、PDI、Calnexin和Calreticulin基因A-D,ERp57,PDI,Calnexin,Calreticulin genes,respectively圖5 各組細(xì)胞不同時(shí)間ATF6通路相關(guān)基因的表達(dá)Fig.5 The related gene expression of the ATF6 pathway in each group at different time
由圖6可知,BHK-21懸浮細(xì)胞藥物處理48 h后,與對(duì)照組相比,0.01和0.02 μmol/L Tg極顯著降低細(xì)胞存活率(P<0.01),0.001和0.005 μmol/L Tg及所有試驗(yàn)濃度的TUDCA組細(xì)胞存活率均無顯著差異(P>0.05);與對(duì)照組相比,0.005和0.01 μmol/L Tg均極顯著增加了PRV病毒滴度(P<0.01),20、40、80、160 μmol/L TUDCA均極顯著降低病毒滴度(P<0.01),且呈劑量依賴性降低。
圖6 不同濃度Tg和TUDCA組細(xì)胞相對(duì)存活率及病毒滴度Fig.6 The relative cell viability and viral titers in different concentration groups of Tg and TUDCA
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是宿主蛋白合成的重要場(chǎng)所,病毒感染會(huì)引起宿主細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,為緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,宿主細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)UPR[27]。乙型肝炎病毒、流感病毒、豬圓環(huán)病毒、皰疹病毒等均可誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[28]。PRV在宿主細(xì)胞內(nèi)可以快速地增殖。本研究發(fā)現(xiàn),BHK-21懸浮細(xì)胞以MOI 0.01接種PRV,在48 h可達(dá)到最高效價(jià),隨后細(xì)胞死亡率不斷增加,病毒滴度也隨之下降。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)通過UPR可使GRP78大量表達(dá),GRP78可作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標(biāo)志性分子。本研究中,在PRV感染BHK-21懸浮細(xì)胞36 h后,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志分子GRP78表達(dá)量極顯著升高,說明出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,UPR被激活。與其他報(bào)道相比,本研究中PRV感染BHK-21懸浮細(xì)胞后GRP78上調(diào)時(shí)間延遲,這可能與較低的MOI有關(guān)。本研究模擬使用規(guī)?;囵B(yǎng)的生物反應(yīng)器為容器,BHK-21懸浮細(xì)胞為宿主細(xì)胞,生產(chǎn)增殖PRV的MOI為0.01,而其他研究者大部分使用方瓶培養(yǎng)貼壁細(xì)胞,接毒的MOI為1.0[29-30]。
活化的PERK主要通過降低蛋白合成速率來緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。本研究檢測(cè)了PERK通路中eIF2a蛋白的磷酸化水平以及下游分子ATF4、GADD34轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述分子在PRV感染BHK-21懸浮細(xì)胞36 h后均出現(xiàn)表達(dá)量上升的現(xiàn)象?;罨腎RE1主要通過核酸內(nèi)切酶對(duì)XBP1進(jìn)行剪切,降解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)錯(cuò)誤折疊蛋白以維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)。在PRV感染宿主細(xì)胞36 h后,多以sXBPl剪切形式存在,同時(shí)下游調(diào)節(jié)分子p58IPK和EDEM轉(zhuǎn)錄水平均有所提高,但是ATF6通路中相關(guān)效應(yīng)分子ERp57、PDI、Calnexin和Calreticulin的表達(dá)量并沒有明顯變化。這些結(jié)果說明PRV感染能夠激活BHK-21懸浮細(xì)胞的PERK和IRE1通路,對(duì)ATF6通路沒有影響。Yang等[25]報(bào)道PRV感染PK15細(xì)胞后可激活I(lǐng)RE1通路,但是并沒有明確激活PERK通路,造成這種現(xiàn)象的原因可能是不同的宿主細(xì)胞對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激產(chǎn)生的反應(yīng)不同。
病毒感染會(huì)產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,并通過調(diào)節(jié)UPR創(chuàng)造對(duì)增殖有利的條件,以達(dá)到增強(qiáng)自身有效復(fù)制的目的。傳染性胃腸炎病毒(TGEV)感染可激活ST細(xì)胞和IPEC-J2細(xì)胞的UPR 3條信號(hào)通路,并通過PERK通路抑制TGEV復(fù)制[31]。Xu等[32]報(bào)道PRV體外感染小鼠神經(jīng)細(xì)胞N2a可以誘導(dǎo)自噬來增強(qiáng)其自身復(fù)制。Catanzaro等[33]報(bào)道藍(lán)耳病(PRRSV)感染激活UPR的3條通路,但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制PRRSV的復(fù)制。經(jīng)典豬瘟病毒(CSFV)利用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激促進(jìn)病毒增殖,其中IRE1通路起到了關(guān)鍵作用[34],并且CSFV非結(jié)構(gòu)蛋白p7可以與宿主蛋白相互作用,調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子的通透性[35]。這些研究表明,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在病毒增殖中具有重要作用。本研究在PRV感染過程中,添加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑Tg可明顯提高病毒滴度,而添加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑TUDCA則抑制病毒增殖,說明PRV可利用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激促進(jìn)病毒增殖。
PRV感染可以誘導(dǎo)BHK-21懸浮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和UPR,激活PERK和IRE1信號(hào)通路,說明PRV感染可通過調(diào)節(jié)UPR以利于其在宿主細(xì)胞體內(nèi)增殖。