張高峰,楊侃侃,張 謙,王元紅,俞趙榮,張學(xué)琪,魯智敏,劉自敏,李永東,王 勇,*
(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院,安徽 合肥 230036; 2.寧波市疾病預(yù)防控制中心,浙江 寧波 315010)
羊口瘡(orf)是由羊口瘡病毒(orf virus,ORFV)引起的急性接觸性人獸共患傳染病,主要感染綿羊、山羊和駱駝等。屠夫、飼養(yǎng)員和獸醫(yī)等人群也有感染發(fā)病的報(bào)道[1-4]。該病臨床表現(xiàn)以口唇、舌、乳房等部位形成丘疹、膿皰以及厚痂為主要特征[5]。各個(gè)年齡階段的綿羊和山羊都可被感染,羔羊發(fā)病率較成年羊高。由于病變部位大多出現(xiàn)在口唇周圍,嚴(yán)重影響了羔羊的吸吮和采食[6]。該病最早于1920年首次在歐洲出現(xiàn),目前世界上所有養(yǎng)羊的地區(qū)均有該病的發(fā)生,我國也不例外,因此對畜牧業(yè)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。
ORFV屬于痘病毒科、副痘病毒屬的成員,為線性雙鏈DNA病毒,基因組大小約138 kb,G+C含量約64%,編碼132個(gè)基因。基因組的中央?yún)^(qū)域?yàn)楦叨缺J氐幕?,在病毒?fù)制時(shí)起重要作用,而末端區(qū)域的基因則在病毒毒力及致病機(jī)制中起關(guān)鍵作用[9-10]。目前為止,ORFV基因組大多數(shù)基因的功能還未研究,其中包括位于基因組保守區(qū)域的023基因,僅有研究人員預(yù)測該基因編碼的蛋白可能為囊膜蛋白[11]。本試驗(yàn)擬克隆表達(dá)ORFV安徽株023基因,表達(dá)023蛋白并制備鼠源多抗血清,并預(yù)測該蛋白的基本特性,以期為進(jìn)一步研究ORFV 023基因的生物學(xué)功能提供依據(jù)。
ORFV AH-F10株[12]、pET-32a(+)菌種由本實(shí)驗(yàn)室保存。BALB/c小鼠購自安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。pMDTM18-T載體購自TaKaRa公司。
病毒基因組DNA/RNA提取試劑盒、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒;SolutionⅠ;DH5α和Rosseta感受態(tài)細(xì)胞;2×LA rTaq酶、限制性內(nèi)切酶BamHⅠ和EcoRⅠ;質(zhì)粒提取試劑盒;PBS緩沖液;SDS-PAGE凝膠配制試劑盒;DAB試劑盒;ECL試劑盒;抗His標(biāo)簽的鼠源一抗、HRP標(biāo)簽的羊抗鼠IgG購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司;弗氏佐劑購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
1.3.1 引物設(shè)計(jì)與基因擴(kuò)增
按病毒基因組提取試劑盒說明書提取ORFV AH-F10株DNA。根據(jù)GenBank中發(fā)表的ORFV GO株基因序列,設(shè)計(jì)023基因特異性引物,上游引物:5′-CGGGATCCATGGTGGACAGCGGCACG-3′(下劃線處為BamHⅠ酶切位點(diǎn));下游引物:5′-GGAATTCCTACAGCAGCACCACGTTCTC-3′(下劃線處為EcoRⅠ酶切位點(diǎn))。
PCR反應(yīng)體系(20 μL):2×LArTaq10 μL、ddH2O 7 μL、DNA模板1 μL,上下游引物各1 μL。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸60 s,共30個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。PCR產(chǎn)物回收后克隆至pMDTM18-T載體,轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,涂布至氨芐抗性的固體培養(yǎng)基,隔天挑取陽性克隆提取質(zhì)粒,命名為pMDTM18-T-023,送至上海邁浦生物科技有限公司測序。
1.3.2 重組質(zhì)粒pET-32a(+)-023構(gòu)建
將pMDTM18-T-023與pET-32a(+)空載體質(zhì)粒經(jīng)內(nèi)切酶BamHⅠ和EcoRⅠ雙酶切后電泳,產(chǎn)物回收后連接pET-32a(+)載體,轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,涂布至氨芐抗性的固體培養(yǎng)基,隔天挑取陽性菌落提質(zhì)粒,命名為pET-32a(+)-023,雙酶切鑒定后送到上海邁浦生物科技有限公司測序。
1.3.3 重組蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)
將pET-32a(+)-023與pET-32a(+)空載體質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化Rosetta感受態(tài)細(xì)胞,接種至氨芐抗性的固體培養(yǎng)基,分別挑取單菌落至LB液體培養(yǎng)基。當(dāng)D600值在0.6~0.8時(shí),加入1 mmoL·L-1的IPTG于37 ℃、180 r·min-1誘導(dǎo)表達(dá),取5 h樣品SDS-PAGE電泳,考馬斯亮藍(lán)染色。對誘導(dǎo)成功的重組菌進(jìn)行大量誘導(dǎo),4 ℃離心收集樣品于冰浴下超聲裂解,分別收集上清和沉淀分析重組蛋白的可溶性。
1.3.4 重組蛋白的純化
將收集的蛋白用PBS緩沖液重懸,隨后4 500 r·min-1離心10 min,收集沉淀并用Tris緩沖液洗滌,4 ℃ 8 000 r· min-1離心10 min,棄上清。沉淀依次用含2、4、5和6 mol·L-1尿素的Tris緩沖液吹打洗滌,4 ℃ 8 000 r·min-1離心10 min,收集沉淀用含8 mol·L-1尿素的Tris緩沖液重懸,4 ℃靜置過夜。12 000 r·min-1離心10 min收集上清至透析袋中,用含6、5、4、2和0 mol·L-1尿素的Tris緩沖液進(jìn)行復(fù)性。蛋白復(fù)性后用蔗糖濃縮。
1.3.5 Western-blot檢測
將純化后的蛋白SDS-PAGE電泳后轉(zhuǎn)膜至硝酸纖維素膜上,5%脫脂奶粉4 ℃封閉過夜,TBST洗滌3次;加入1∶200稀釋的鼠源抗ORFV多抗血清作為一抗,37 ℃孵育1 h后TBST漂洗3次。再加入1∶1 000稀釋的HRP標(biāo)記的羊抗鼠IgG二抗,37 ℃孵育1 h后TBST漂洗3次。利用ECL發(fā)光試劑盒顯色。
1.3.6 鼠源多抗血清的制備
純化的蛋白50 μg·只-1免疫BALB/c雌性小鼠,過程如下:首次免疫時(shí)將蛋白與等體積完全佐劑混勻乳化后皮下注射;14 d后二免,二免時(shí)將蛋白與等體積不完全佐劑混勻乳化后皮下注射;二免后14 d和28 d進(jìn)行三免和四免,方法同第二次。四免7 d后眼眶采血分離血清。
1.3.7 ORFV 023蛋白的生物信息學(xué)分析
利用ProtparamSOPMA在線程序分析該毒株023蛋白的理化性質(zhì);利用SOPMA在線程序分析該毒株023蛋白的二級結(jié)構(gòu);利用SingalP4.1在線程序預(yù)測該蛋白的信號(hào)肽;利用TMHMM2.0 Server在線程序預(yù)測該蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域;利用NetPhos3.1 Server在線程序預(yù)測該蛋白的磷酸化位點(diǎn);利用DNAStar的Protean程序預(yù)測023蛋白的B細(xì)胞表位;利用nHLAPred的ComPred在線服務(wù)器預(yù)測023蛋白的CTL表位;利用ProPred在線服務(wù)器預(yù)測023蛋白的Th表位。
經(jīng)特異性引物擴(kuò)增的023基因長約819 bp(圖1),與預(yù)期結(jié)果相符,測序分析表明并未發(fā)生堿基突變或缺失。
將pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒經(jīng)內(nèi)切酶BamHⅠ和EcoRⅠ雙酶切后瓊脂糖凝膠電泳,得到符合預(yù)期的條帶(圖2),測序表明成功構(gòu)建重組質(zhì)粒,堿基并未發(fā)生突變或缺失。
將pET-32a(+)-023質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至Rosetta細(xì)胞內(nèi),成功表達(dá)約為42 ku的蛋白,與預(yù)期相符,SDS-PAGE結(jié)果顯示蛋白主要以包涵體存在于沉淀中(圖3)。
利用Western-blot對蛋白進(jìn)行進(jìn)一步分析,結(jié)果顯示在硝酸纖維素膜上約42 ku處有一明顯條帶(圖4),表明重組蛋白能成功被抗His標(biāo)簽的一抗識(shí)別,具有良好的反應(yīng)原性。
M,DNA marker;1,陰性對照;2,023基因PCR產(chǎn)物。M, DNA marker; 1, Negative control; 2, 023 gene PCR product.圖1 023基因擴(kuò)增產(chǎn)物Fig.1 PCR product of 023 gene
M,DNA marker;1,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒雙酶切產(chǎn)物;2,pET-32a(+)空載體陰性對照。M, DNA marker; 1, pET-32a(+)-023 recombinant plasmid double digested product; 2, pET-32a(+)empty vector negative control.圖2 重組質(zhì)粒pET-32a(+)-023雙酶切鑒定Fig.2 Identification of recombinant plasmid pET-32a(+)-023 by double enzyme digested
M,蛋白Marker;1,pET-32a(+)空載體經(jīng)IPTG誘導(dǎo);2,pET-32a(+)空載體未經(jīng)IPTG誘導(dǎo);3,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒未經(jīng)IPTG誘導(dǎo);4,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒經(jīng)IPTG誘導(dǎo);5,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒誘導(dǎo)表達(dá)上清;6,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒誘導(dǎo)表達(dá)沉淀。M, Protein marker; 1, pET-32a(+)empty vector was induced by IPTG; 2, pET-32a(+) empty vector was not induced by IPTG; 3, pET-32a(+)-023 recombinant plasmid was not induced by IPTG; 4, pET-32a(+)-023 recombinant plasmid was induced by IPTG; 5, pET-32a(+)-023 induced expression supernatant; 6, pET-32a(+)-023 induced expression precipitate.圖3 pET-32a(+)-023蛋白產(chǎn)物SDS-PAGE電泳Fig.3 SDS-PAGE electrophoresis of the protein product of pET-32a(+)-023
純化蛋白以鼠源抗ORFV陽性血清為一抗,HRP標(biāo)簽的羊抗鼠IgG為二抗進(jìn)行Western-blot鑒定,結(jié)果顯示重組蛋白能夠被抗ORFV陽性血清特異性識(shí)別(圖5)。
利用Protparam在線程序分析該毒株023蛋白的理化性質(zhì),結(jié)果顯示,該蛋白由272個(gè)氨基酸組成,分子式為C1437H2157N357O399S7,相對分子質(zhì)量為31 042.51 ku,理論pI(等電點(diǎn))值為6.97,不穩(wěn)定系數(shù)為37.08,平均親水值(GRAVY)為-0.132,為親水性穩(wěn)定蛋白,帶負(fù)電荷的氨基酸(Asp+Glu)和帶正電荷的氨基酸(Arg+Lys)各26個(gè),脂肪族系數(shù)為81.40。
M,蛋白marker;1,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá);2,pET-32a(+)空載體經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá)。M, Protein marker; 1, pET-32a(+)-023 recombinant vector induced by IPTG; 2, pET-32a(+)empty vector induced by IPTG.圖5 多克隆抗體的鑒定Fig.5 Identification of polyclonal antibody
1,pET-32a(+)空載體經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá);2,pET-32a(+)-023重組質(zhì)粒經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá)。
1, pET-32a(+)empty vector induced by IPTG; 2, The recombinant plasmid pET-32a(+)-023 induced by IPTG.
圖4 Western-blot鑒定023蛋白的體外表達(dá)
Fig.4 Western-blot identification of 023 proteininvitro
利用SOPMA在線程序預(yù)測023蛋白的二級結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示,該蛋白二級結(jié)構(gòu)包括α-螺旋(h,27.57%),延伸鏈(e,17.28%),β-轉(zhuǎn)角(t,12.13%),無規(guī)則卷曲(c,43.01%)4種類型(圖6)。
分別利用SingalP4.1和TMHMM2.0 Server在線程序預(yù)測該蛋白的信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域,結(jié)果顯示,023蛋白無信號(hào)肽區(qū)域和跨膜結(jié)構(gòu)域(圖7、圖8);利用NetPhos3.1 Server在線程序預(yù)測023蛋白的磷酸化位點(diǎn),結(jié)果顯示,該蛋白共有30個(gè)磷酸化位點(diǎn),其中絲氨酸位點(diǎn)13個(gè),蘇氨酸位點(diǎn)11個(gè),酪氨酸位點(diǎn)6個(gè)(圖9)。
利用DNAStar的Protean程序預(yù)測023蛋白的B細(xì)胞抗原表位,結(jié)果顯示,該蛋白親水性位點(diǎn)主要位于第1~2、26~28、47~50、65~71、73~87、115~118、126~144、152~160、218~226、233~251、253~256、258~262、265~273處,含有柔韌性的區(qū)域主要位于第5~29、47~49、53~58、84~87、93~99、102~110、121~124、144~152、161~165、174~182、185~217、230~233、246~254、266~26處,抗原性和表面可及性程度較高。結(jié)合該蛋白的二級結(jié)構(gòu)、親水性、柔韌性、抗原性和表面可及性進(jìn)行綜合分析,該蛋白第26~28、84~87、144~146、246~254等處可能存在優(yōu)勢抗原表位(圖10、表1)。
圖6 羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的二級結(jié)構(gòu)Fig.6 Secondary structure of ORFV AH-F10 strain 023 protein
圖7 羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的信號(hào)肽預(yù)測Fig.7 Signal peptide prediction of ORFV AH-F10 strain 023 protein
圖8 羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測Fig.8 Transmembrane domain prediction of ORFV AH-F10 strain 023 protein
圖9 羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的磷酸化位點(diǎn)預(yù)測Fig.9 Phosphorylation site prediction of ORFV AH-F10 strain 023 protein
圖10 羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的B細(xì)胞表位預(yù)測Fig.10 Prediction of B cell epitopes of ORFV AH-F10 strain 023 protein
表1綜合分析ORFV 023蛋白B細(xì)胞抗原表位的位置
Table1Analysis of the location of the ORFV 023 protein B cell epitopes in combination with different data
方法Method位置Position二級結(jié)構(gòu)Secondary structure 7~8、15~20、26~30、40~44、83~87、102~110、132~133、142~146、175~178、187~190、195~196、202~207、212~214、230~231、243~246、253親水性Hydrophilicity1~2、26~28、47~50、65~71、73~87、115~118、126~144、152~160、218~226、233~251、253~256、258~262、265~273柔韌性Flexibility5~29、47~49、53~58、84~87、93~99、102~110、121~124、144~152、161~165、174~182、185~217、230~233、246~254、266~26抗原性Antigenicity1~23、26~31、40~44、51~61、73~76、83~97、100~110、119~125、144~152、161~168、171~197、202~232、246~247、250~253表面可及性Surface probability1~272綜合分析Parameter analysis26~28、84~87、144~146、246~254
2.9.1 CTL表位預(yù)測
利用nHLAPred的ComPred在線服務(wù)器,將閾值調(diào)節(jié)為0.5,分別預(yù)測HLA-A2、HLA-A*0201、HLA-A*0202、HLA-A*0203和HLA-A*0205五種不同分子的結(jié)合肽(表2),結(jié)果顯示,第154~162位的SLLGAVYTT、230~234位的RYDPV和237~242位的FLVFYV可能存在023蛋白的CTL表位。
2.9.2 Th表位預(yù)測分析
利用ProPred在線服務(wù)器分別預(yù)測DRB1-0101、DRB1-0102、DRB1-0301的Th表位(表3),結(jié)果顯示,第74~76位的FEF、128~135位的LLLSSVPI、237~244位的LVFYVPGI可能存在023蛋白的Th表位。
表2羊口瘡病毒AH-F10株023蛋白的CTL細(xì)胞表位預(yù)測
Table2Prediction of CTL cell epitopes of ORFV AH-F10 strain 023 protein
等位片段Allele順序Rank起始位置Start position序列SequenceHLA-A2127GLSPLMRHT273KKFEFMFSL3154SLLGAVYTT4226LYYTRYDPVHLA-A*0201134HTYIYNNYA248ETALWSSRL361VTDFYPISL4128FLLLSSVPIHLA-A*02021218TLANLSTIL2234VLCFLVFYV3237FLVFYVPGL4261KLSLAPENVHLA-A*0203148ETALWSSRL261VTDFYPISL3128FLLLSSVPI4231YDPVLCFLVHLA-A*02051178DYKPLFSRL2237FLVFYVPGL343YGWIPETAL4226LYYTRYDPV
ORFV廣泛分布于全球養(yǎng)羊地區(qū),且發(fā)生頻率在世界范圍內(nèi)逐年上升。近年來,在我國黑龍江、河南、福建等地均有ORFV引發(fā)疾病的報(bào)道[13-15]。ORFV基因組較大,大多數(shù)基因的功能還未闡明。Friebe等[11]預(yù)測了ORFV 023基因可能編碼囊膜蛋白,但未對該基因的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行更深一步的研究。鑒于此,為了探索023基因的結(jié)構(gòu)與功能,本試驗(yàn)首先通過原核表達(dá)獲取023蛋白,同時(shí)結(jié)合生物信息學(xué)方法分析該蛋白分子特性。研究中所采用的生物信息學(xué)方法參照了王光祥等[16]的研究,同時(shí)制備了ORFV 023蛋白和鼠源多克隆抗體等珍貴的生物材料,為下一步深入研究該蛋白的結(jié)構(gòu)與功能奠定了基礎(chǔ)。
本研究采用PCR技術(shù)克隆ORFV 023基因,在大腸埃希菌中誘導(dǎo)表達(dá)融合蛋白。分析該蛋白的理化性質(zhì)和疏水性發(fā)現(xiàn)該蛋白為親水穩(wěn)定蛋白,但SDS-PAGE檢測發(fā)現(xiàn)融合蛋白既有少量存在于上清中,同時(shí)又主要以包涵體的形式存在于沉淀內(nèi),包涵體的形成不僅與外界因素有關(guān),同時(shí)與蛋白內(nèi)部是否存在信號(hào)肽等結(jié)構(gòu)也有較大關(guān)系,有文獻(xiàn)報(bào)道信號(hào)肽結(jié)構(gòu)有利于提高蛋白質(zhì)的可溶性[17],無信號(hào)肽結(jié)構(gòu)的蛋白可能因可溶性較低而更易形成包涵體,生物信息學(xué)分析顯示ORFV 023蛋白無信號(hào)肽結(jié)構(gòu),從側(cè)面證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相符。Western-blot結(jié)果顯示,該蛋白能與鼠源抗ORFV血清發(fā)生特異性免疫反應(yīng),表明ORFV 023蛋白具有良好的特異性和抗原性。生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示,ORFV 023蛋白大小約42 ku,與SDS-PAGE結(jié)果相符,不存在跨膜結(jié)構(gòu)域,有30個(gè)磷酸化位點(diǎn),二級結(jié)構(gòu)內(nèi)無規(guī)則卷曲及α-螺旋結(jié)構(gòu)較多,β-折疊較少。β-折疊和無規(guī)則卷曲區(qū)域的二級結(jié)構(gòu)比較松散,穩(wěn)定性差,更易于盤旋和扭曲,容易與抗體分子結(jié)合,因此該區(qū)域可能存在優(yōu)勢抗原表位。結(jié)合二級結(jié)構(gòu)、親水性、柔韌性、抗原性、表面可及性等參數(shù)預(yù)測該蛋白B細(xì)胞抗原表位,有效避免了因參數(shù)過少而導(dǎo)致結(jié)果誤差較大,結(jié)果顯示在第26~28、84~87、144~146、246~254位可能存在優(yōu)勢抗原表位。CTL表位是能與MHC-Ⅰ類分子結(jié)合從而誘導(dǎo)相應(yīng)的CTL發(fā)生免疫應(yīng)答的一類由8~10個(gè)連續(xù)氨基酸構(gòu)成的短肽,其本質(zhì)是抗原呈遞細(xì)胞處理遞呈的一種蛋白,能夠活化并決定CTL的特異性殺傷能力[18]。利用nHLAPred的ComPred在線服務(wù)器預(yù)測CTL表位,結(jié)果顯示在第154~162、230~234、237~242位可能存在CTL優(yōu)勢表位。Th細(xì)胞表位是識(shí)別加工后的外源蛋白與MHC-Ⅱ類分子結(jié)合的一類抗原表位,能夠幫助激活Th細(xì)胞并刺激其釋放細(xì)胞因子參與細(xì)胞免疫,同時(shí)幫助B細(xì)胞產(chǎn)生特異性抗體[16]。利用ProPred在線服務(wù)器分別預(yù)測DRB1-0101、DRB1-0102、DRB1-0301三種不同的Th表位,結(jié)果顯示在第74~76、128~135、237~244位可能存在Th優(yōu)勢表位。
表3羊口瘡病毒AH-F 10株023蛋白的Th細(xì)胞表位預(yù)測
Table3Th cell epitope prediction of ORFV AH-F10 strain 023 protein
DRB1-0101順序Rank起始位置Start position序列SequenceDRB1-0102順序Rank起始位置Start position序列SequenceDRB1-0103順序Rank起始位置Start position序列Sequence144WIPETALWS136IYNNYAYGW140YAYGWIPET258YRVTDFYPI268LGMLKKFEF268LGMLKKFEF374FEFMFSLLA374FEFMFSLLA376FMFSLLADP4127FLLLSSVPI4127FLLLSSVPI480LLADPGGAC5136FNILFWFKG5136FNILFWFKG5127FLLLSSVPI6178YKPLFSRLG6207IGRLPPSDF6138ILFWFKGET7207IGRLPPSDF7233VLCFLVFYV7141WFKGETFDT8227YTRYDPVLC8236FLVFYVPGL8207IGRLPPSDF9236FLVFYVPGL9237LVFYVPGLS9218LANLSTILY10238VFYVPGLSA10238VFYVPGLSA10224ILYYTRYDP11240YVPGLSATT11233VLCFLVFYV12236FLVFYVPGL13237LVFYVPGLS14238VFYVPGLSA15240YVPGLSATT
本研究首次通過生物信息學(xué)方法對ORFV 023蛋白進(jìn)行生物信息學(xué)分析,初步預(yù)測023蛋白的結(jié)構(gòu)和功能、潛在的B細(xì)胞抗原表位,HLA抗原肽和MHC抗原肽,這為該蛋白的深入研究以及后期建立快速準(zhǔn)確的診斷方法奠定了理論基礎(chǔ)。