張 旭,張 海,周碧君* ,王開功,文 明,程振濤,羅引幸,劉麗娟,丁尊俄,趙大杰
(1.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng)550025;2.貴州省動(dòng)物生物制品工程技術(shù)研究中心,貴陽(yáng)550025;3.貴陽(yáng)市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心,貴陽(yáng)550081)
牛乳頭狀瘤(bovine papillomatosis,BP)是由牛乳頭狀病毒(bovine papillomavirus,BPV)引起牛體表或黏膜的腫瘤性疾病,可引起良性和惡性腫瘤[1-2]。良性腫瘤在一般情況下可自行消退,但當(dāng)環(huán)境因素和遺傳因素協(xié)同作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致惡性腫瘤,導(dǎo)致牛死亡[3-4]。在集約化飼養(yǎng)場(chǎng)牛乳頭狀瘤十分普遍,其發(fā)病率較高,到目前為止依舊沒有有效的的疫苗來預(yù)防牛乳頭狀瘤病的發(fā)生[5],在一定程度上造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。
BPV為無囊膜病毒,直徑為55~60 nm的正二十面體,其遺傳物質(zhì)的長(zhǎng)度約為7000~8000 bp雙鏈閉環(huán)DNA分子[6]。BPV基因組含有3個(gè)區(qū)域:早期轉(zhuǎn)錄區(qū)(E區(qū))、晚期轉(zhuǎn)錄區(qū)(L區(qū))和非編碼區(qū)(NCR)[7],L區(qū)編碼主要衣殼蛋白L1和次要衣殼蛋白L2。BPV L1基因編碼的衣殼蛋白暴露在病毒粒子表面,可能與病毒感染及免疫有關(guān)[8];研究表明BPV L1蛋白具有B細(xì)胞特異性抗原表位,可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生中和性抗體,激發(fā)保護(hù)性免疫,是進(jìn)行預(yù)防免疫的主要抗原[9-10]。因此,BPV L1 蛋白是研制預(yù)防性疫苗的候選基因,也是臨床上診斷BPV理想抗原[11],對(duì)牛乳頭狀瘤的診斷方法的建立具有重要價(jià)值。本試驗(yàn)通過對(duì)BPV1貴州株(BPV1-GZLZ株)L1基因進(jìn)行克隆、測(cè)序分析、構(gòu)建重組質(zhì)粒pCold-BPV1-L1,并進(jìn)行IPTG誘導(dǎo)表達(dá)L1重組蛋白,經(jīng) SDS-PAGE和 Western blotting分析,為BPV1診斷試劑和基因工程疫苗的研制奠定基礎(chǔ)。
1.1 材料 牛乳頭狀瘤病毒1型貴州株(BPV1-GZLZ株)、大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞、大腸桿菌BL21感受態(tài)細(xì)胞、pColdⅠ原核表達(dá)載體均由貴州省動(dòng)物疫病與獸醫(yī)公共衛(wèi)生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保存;Eco RⅠ、XhoⅠ、異丙基硫基半乳糖苷購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司;兔源BPV1 L1多克隆抗體由貴州省動(dòng)物生物制品工程技術(shù)研究中心制備;2×Taq PCR MasterMix、DNA Marker、DNA 提取試劑盒、His單克隆抗體、辣根過氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔IgG(H+L)、DAB辣根過氧化物酶顯色試劑盒均購(gòu)自天根生化科技(北京)有限公司;瓊脂糖凝膠電泳回收試劑盒購(gòu)自上海生物工程公司;Tween-20、PVDF膜購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司,其他均為分析純化。
1.2 引物設(shè)計(jì)與合成 根據(jù) GenBank公布的BPV1 L1基因序列,設(shè)計(jì)特異性引物,上游引物P1:5'-CCGCTCGAGATGGCGTTGTGGCAACAAGGCCAGAAGCTG-3';下游引物 P2:5'-CGGAATTCTTATTTTTTTTTTTTTTTTGCAGGCTTACTGG-3';預(yù)期擴(kuò)增片段長(zhǎng)1488 bp,引物由上海英濰捷基公司合成。
1.3 目的片段擴(kuò)增及純化 采用DNA提取試劑盒對(duì)病料組織總DNA進(jìn)行提取,以此為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系50μL:上、下游引物(10μmol/L)各2 μL,2×Taq PCR MasterMix 25 μL,模板2 μL,滅菌雙蒸水19μL。PCR反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性5 min;95℃變性 45 s,52 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 45 s,35個(gè)循環(huán);72℃終延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。
1.4 BPV1-GZLZ株L1基因克隆及序列分析 回收純化目的DNA并連接至pMD19-T載體上,再轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,利用含氨芐青霉素(100μg/mL)抗性的LB平板篩選陽(yáng)性重組子。提取質(zhì)粒,進(jìn)行PCR鑒定。將產(chǎn)物于1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),鑒定為陽(yáng)性的重組質(zhì)粒命名為pMD19-T-L1,送往賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司測(cè)序。利用DNAStar、Mega 5.0等軟件對(duì)BPV1-GZLZ株與國(guó)內(nèi)外主要的BPV參考毒株(表1)的核苷酸及其推導(dǎo)的氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)分析,并繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹。
表1 GenBank中登陸的BPV參考株序列信息Tab 1 GenBank landing BPV reference strains in sequence
1.5 BPV1-GZLZ株L1基因生物信息學(xué)分析 采用在線軟件 ExPASy(http://web.expasy.org/cgi-bin/protparam/protparam)分析預(yù)測(cè)編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及氨基酸組成。采用SPOMA在線服務(wù)器(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu);采用DNAStar軟件Protean程序預(yù)測(cè)B細(xì)胞表位多參數(shù);采用NCBI服務(wù)器上的Conserved Domain Architecture Retrieval Tool(CDART)工具(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov.Blast)預(yù)測(cè)保守結(jié)構(gòu)域;采用 TMHMM2.0 Server在線服務(wù)器(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)預(yù)測(cè)跨膜結(jié)構(gòu)域;采用 SignalP4.1 在線服務(wù)器(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)預(yù)測(cè)信號(hào)肽。利用 SWISSMODEL(http://www.swissmodel.expasy.org)在線預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。
1.6 原核表達(dá)載體構(gòu)建
1.6.1 酶切與連接 用Eco RⅠ和 XhoⅠ對(duì)構(gòu)建的質(zhì)粒pMD19-T-L1和原核表達(dá)載體pColdⅠ進(jìn)行雙酶切,37℃水浴過夜,酶切體系為40μL:10×H Buffer 4 μL,Eco RⅠ、XhoⅠ各 2 μL,pColdⅠ/pMD19-T-L1 20μL、ddH2O 12μL。酶切后采用膠回收試劑盒進(jìn)行純化回收,將目的片段與線性pColdⅠ16℃連接過夜,連接體系為 10μL:目的片段 4μL、線性pColdⅠ 4 μL、SolutionⅠ 5 μL。
1.6.2 重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化 將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,利用含氨芐青霉素(100μg/mL)抗性的LB平板篩選陽(yáng)性重組子。提取質(zhì)粒,進(jìn)行PCR鑒定。將PCR產(chǎn)物于1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),鑒定為陽(yáng)性的重組質(zhì)粒命名為pColdⅠ-BPV1-L1,送往賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司測(cè)序。
1.7 重組蛋白誘導(dǎo)表達(dá)與鑒定 首先對(duì)含有陽(yáng)性重組質(zhì)粒的BL21表達(dá)宿主菌進(jìn)行誘導(dǎo),再進(jìn)行溫度和誘導(dǎo)條件的優(yōu)化,按1∶100的比例接種于含氨芐青霉素抗性的LB培養(yǎng)液中,37℃振蕩培養(yǎng)至OD600≌0.6 左右,加入 IPTG(終濃度為 1.0 mmol/L),同時(shí)設(shè)立無IPTG誘導(dǎo)對(duì)照組,37℃繼續(xù)震蕩培養(yǎng)5 h。取誘導(dǎo)表達(dá)菌液,離心取沉淀,用PBS洗滌一次,用 PBS懸浮沉淀,吹勻置于冰上超聲破碎處理,12000 r/min 4℃離心10 min,分別收集上清和沉淀,并對(duì)上清、沉淀和無 IPTG誘導(dǎo)組用 5×SDS蛋白上樣緩沖液沸水浴4 min制樣,用12%SDSPAGE鑒定。之后對(duì)重組原核表達(dá)蛋白進(jìn)行Western blotting鑒定,一抗為His-tag抗體(稀釋度為1 ∶1000),二抗為辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記山羊抗小鼠IgG(H+L)(稀釋度為1∶1000),最后加入二氨基聯(lián)苯胺(DAB)-H2O2避光顯色,分析結(jié)果。
2.1 BPV1-GZLZ株L1基因PCR擴(kuò)增 以提取的BPV1-GZLZ株陽(yáng)性組織病料DNA為模板,進(jìn)行L1基因特異性PCR擴(kuò)增,經(jīng)1.2%瓊脂糖凝膠電泳分析,得到大小為1488 bp的條帶,與預(yù)期結(jié)果相符,結(jié)果見圖1。
2.2 測(cè)序結(jié)果 將鑒定的陽(yáng)性重組質(zhì)粒進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序結(jié)果采用DNAStar軟件進(jìn)行序列拼接,獲得BPV1-GZLZ株L1基因核苷酸序列。由圖2可知,L1基因核苷酸序列長(zhǎng)為1488 bp,編碼495個(gè)氨基酸。
圖1 BPV1-GZLZ株L1基因PCR擴(kuò)增電泳圖Fig 1 Amplification of L1 gene of BPV1-GZLZ by PCR
圖2 BPV1-GZLZ株L1基因測(cè)序結(jié)果Fig 2 Secquencing result of L1 gene of BPV1-GZLZ
2.2.1 BPV1-GZLZ 株 L1 基因核苷酸同源性分析將克隆的BPV1-GZLZ L1基因序列與GenBank上公布的15株牛乳頭狀瘤病毒14個(gè)基因型的L1基因進(jìn)行核苷酸比對(duì)分析。由圖3可知,BPV1-GZLZ L1基因序列與牛乳頭狀瘤病毒1型BPV1(登錄號(hào):X02346)的核苷酸序列同源性為99.8%,與 NCBI收錄的另外兩株BPV2(登錄號(hào):JQ79817)、BPV2-GZ01(登錄號(hào):KX113620)的同源性分別為82.9%、82.8%,與NCBI收錄1株BPV13(登錄號(hào):JQ79817)的同源性為83.9%。
圖3 BPV1-GZLZ株L1基因的核苷酸同源性分析Fig 3 Nucleotide homology analysis of L1 gene of BPV1-GZLZ
2.2.2 BPV1-GZLZ 株 L1 基因編碼蛋白氨基酸同源性分析 采用DNAStar軟件分析出BPV1-GZLZ L1基因的氨基酸序列,并與GenBank中公布的15株牛乳頭狀瘤病毒14個(gè)基因型的L1基因編碼氨基酸序列作同源性分析。由圖4可知,BPV1-GZLZ L1基因氨基酸序列與牛乳頭狀瘤病毒1型BPV1(登錄號(hào):X02346)的氨基酸序列同源性為99.8%;與NCBI收錄的另外兩株 BPV2(登錄號(hào):JQ79817)、BPV2-GZ01(登錄號(hào):KX113620)的同源性分別為 92.1%、91.3%,與 NCBI收錄 1株 BPV13(登錄號(hào):JQ79817)的同源性為92.7%。
圖4 BPV1-GZLZ株L1基因編碼蛋白的氨基酸同源性分析Fig 4 Amino acid homology analysis of L1 gene of BPV1-GZLZ
2.2.3 BPV1-GZLZ 株 L1 基因系統(tǒng)進(jìn)化樹分析將BPV1-GZLZ株L1基因與國(guó)內(nèi)外發(fā)表的BPV不同毒株L1基因的核苷酸序列采用DNAStar軟件繪制遺傳進(jìn)化樹。結(jié)果顯示,BPV1-GZLZ株與BPV1(登錄號(hào):X02346)處在同一遺傳進(jìn)化分支(圖5)。由圖5可知,BPV1-GZLZ株與 BPV13(登錄號(hào):JQ79817)和 BPV2(登錄號(hào):JQ79817)、BPV2-GZ01(登錄號(hào):KX113620)的親緣關(guān)系較近。
圖5 BPV1-GZLZ株L1基因核苷酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig 5 Phylogenetic tree of L1 gene BPV1-GZLZ on nucleotide sequence
2.3 BPV1-GZLZ株L1蛋白質(zhì)理化性質(zhì)的分析使用ExPASy(Compute PI/MW)、ProtParam在線分析軟件預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及氨基酸組成。L1蛋白分子質(zhì)量為55.55122 ku,分子結(jié)構(gòu)式為C2484H3884N678O737S16,理論等電點(diǎn)(PI)為 8.68。其氨基酸組成中Leu最多,占到9.1%,不含Pyl(0)和Sec(U)。在該蛋白的氨基酸中,堿性氨基酸有3種(Arg、Lys、His),共 68 個(gè),占 11.7%;酸性氨基酸有2 種(Asp、Glu),共 52 個(gè),占 10.5%;親水性氨基酸有 6 種(Asp、Glu、His、Lys、Ser、Thr),共 165 個(gè),占33.33%;疏水性氨基酸 9 種(Ala、Ile、Pht、Leu、Met、Pro、Val、Trp、Tyr),共 217 個(gè),占 43.84%,推測(cè) L1蛋白為堿性蛋白。L1蛋白在哺乳動(dòng)物網(wǎng)狀細(xì)胞、酵母和埃希氏大腸桿菌中表達(dá)的半衰期分別大于30 h、20 h 和10 h,在溶液中的不穩(wěn)定指數(shù)為 39.38,低于閾值40,屬于穩(wěn)定類蛋白。
2.4 BPV1-GZLZ株L1基因B細(xì)胞表位預(yù)測(cè)
2.4.1 L1基因編碼蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 采用SOPMA在線服務(wù)器預(yù)測(cè)L1基因編碼蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)(圖6)。由圖6可知,BPV1-GZLZ株L1基因編碼蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲和β-折疊,所占比例分別為 21.01%、12.12%、38.59%和28.28%。在整個(gè)蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)中無規(guī)則卷曲、β-折疊和α-螺旋區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)較多,而此序列中β-轉(zhuǎn)角所占比例相對(duì)較少。
2.4.2 L1基因編碼蛋白B細(xì)胞多參數(shù)分析 采用DNAStar程序包中的Protean軟件綜合分析預(yù)測(cè)L1基因編碼蛋白B細(xì)胞表位各參數(shù)。采用 Kyte-D00little法分析親水性,Karplus-Schulz法分析柔韌性Jameson-Wolf法分析抗原指數(shù)和Emini法分析氨基酸表面可及性進(jìn)行分析,以高于閾值的氨基酸殘基作為候選參考區(qū)域(圖7)。由圖7可知,該蛋白在整個(gè)氨基酸區(qū)域中,都具有良好的親水性,柔韌性分布較均勻,抗原性和表面可及性較高。
2.5 BPV1-GZLZ株L1基因編碼蛋白保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè) 采用NCBI服務(wù)器上的CDART工具分析L1基因氨基酸序列保守結(jié)構(gòu)域(圖8),由圖8可知,沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯特征的保守結(jié)構(gòu)域。
圖6 BPV1-GZLZ L1基因編碼蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)Fig 6 Secondary structure prediction of BPV1-GZLZ L1 protein
圖7 BPV1-GZLZ L1蛋白B細(xì)胞表位參數(shù)預(yù)測(cè)Fig 7 B cell epitope prediction for L1 protein of BPV1-GZLZ by the DNAStar method
圖8 BPV1-GZLZ L1基因編碼蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析Fig 8 Conserved domain analysis of L1 protein of BPV1-GZLZ
2.6 BPV1-GZLZ株L1基因編碼蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 采用TMHMM2.0 Server在線服務(wù)器對(duì)L1蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析(圖9)。由圖9可知,BPV1-GZLZ L1基因編碼蛋白發(fā)現(xiàn)無跨膜結(jié)構(gòu)域。
2.7 BPV1-GZLZ株L1基因編碼蛋白信號(hào)肽預(yù)測(cè)采用SignalP4.1在線服務(wù)器對(duì)BPV1-GZLZ株L1蛋白序列中是否存在潛在的信號(hào)肽進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示,此蛋白無信號(hào)肽,即為非分泌蛋白(圖10)。
圖9 L1蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)Fig 9 Prediction of trans membrane domains of L1 protein
圖10 L1蛋白信號(hào)肽預(yù)測(cè)Fig 10 The signal peptide analysis of L1 protein
2.8 原核表達(dá)載體構(gòu)建 將克隆的質(zhì)粒pMD19-TBPV1-L1與原核表達(dá)載體pCold I同時(shí)用Eco RⅠ和XhoⅠ進(jìn)行雙酶切,酶切產(chǎn)物用1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),均能擴(kuò)增出相應(yīng)的目的條帶(圖11),將回收的目的片段進(jìn)行純化回收,構(gòu)建原核表達(dá)載體pColdI-BPV1-L1,將構(gòu)建的質(zhì)粒進(jìn)行菌液PCR鑒定(圖12),送公司測(cè)序。
圖11 質(zhì)粒pMD19-T-BPV1-L1雙酶切Fig 11 Plasmid pMD19-T-BPV1-L1 double digestion
圖12 原核表達(dá)載體pCold I雙酶切Fig 12 Prokaryotic expression vector pCold I double digestion
2.9 pColdI-BPV1-L1原核表達(dá)及鑒定結(jié)果 對(duì)含有陽(yáng)性重組質(zhì)粒 pColdI-BPV1-L1的BL21表達(dá)宿主菌進(jìn)行溫度和誘導(dǎo)表達(dá),12%的SDS-PAGE電泳鑒定結(jié)果(圖13)顯示,重組表達(dá)蛋白主要以包涵體形式存在,重組蛋白分子量約為55.6 kD,與理論值一致。
圖13 重組 pCold I-BPV1-L1蛋白表達(dá)產(chǎn)物的鑒定Fig 13 Identification of recombinant p Cold I-BPV1-L1 protein expression product
2.10 pColdI-BPV1-L1 重組原核表達(dá)蛋白的鑒定結(jié)果 Western blotting結(jié)果顯示,經(jīng)IPTG誘導(dǎo)的重組表達(dá)蛋白能與His單抗和已制備好的兔源BPV1 LI多克隆抗體產(chǎn)生特異性反應(yīng)產(chǎn)生特異性反應(yīng),條帶為55.6 kD左右,與SDS-PAGE結(jié)果一致,結(jié)果見圖14和圖15。
牛乳頭狀瘤病在1929年被首次報(bào)道,現(xiàn)在世界各地都廣泛流行并傳播[12]。在我國(guó)新疆、東北和海南地區(qū)近兩年也有該病的報(bào)道[13]。BPV會(huì)影響牛產(chǎn)奶量出現(xiàn)下降和皮革質(zhì)量、生長(zhǎng)性能等,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致牛死亡[14]。貴州省為快速發(fā)展養(yǎng)牛業(yè),從外地引進(jìn)優(yōu)質(zhì)牛種,牛交易過于頻繁,給BPV的感染帶來了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn),也給該省持續(xù)健康發(fā)展的養(yǎng)牛業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)。
圖14 重組蛋白pColdI-BPV1-L1的Western blotting鑒定Fig 14 Western blotting identification of recombinant protein pColdI-BPV1-L1
圖15 重組蛋白r His-L1的Western blotting鑒定Fig 15 Identification of recombinant protein r His-L1 by Western blotting
本研究應(yīng)用PCR擴(kuò)增、克隆測(cè)序、生物信息學(xué)分析,構(gòu)建了pCold I-BPV1-L1原核表達(dá)質(zhì)粒并且成功誘導(dǎo)表達(dá)。結(jié)果顯示BPV1-GZLZ株L1基因序列全長(zhǎng)是1488 bp,編碼495個(gè)的氨基酸,分子結(jié)構(gòu)式為C2484H3884N678O737S16,二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋、無規(guī)則卷曲和β-折疊為主。彭昊等[15]研究結(jié)果顯示,BPV-GX-LA150909與 BPV1參考株無論是基因組還是 L1基因同源性非常高,而本研究中BPV1-GZLZ L1基因序列與牛乳頭狀瘤病毒1型參考株BPV1的核苷酸和氨基酸同源性均為為99.8%,BPV1-GZLZ株與BPV1參考株處在同一遺傳進(jìn)化分支,說明 BPV1-GZLZ株與 BPV-GXLA150909株可能均來自相同的來源。本研究采用外源基因常用的大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng),與酵母、昆蟲、細(xì)胞等原核表達(dá)系統(tǒng)相比,大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)具有培養(yǎng)簡(jiǎn)單、成本低、生長(zhǎng)繁殖快、表達(dá)量高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)選用了具有良好表達(dá)效果的pColdⅠ原核載體,該載體為氨芐抗性,載體帶有His-tag標(biāo)簽,為方便進(jìn)行后續(xù)的蛋白純化實(shí)驗(yàn)。SDS-PAGE和Western blotting檢測(cè)結(jié)果顯示,重組表達(dá)蛋白主要以包涵體的形式存在,且與His單抗產(chǎn)生特異性反應(yīng),與預(yù)期結(jié)果相同,證明 L1基因在大腸桿菌BL21中得到了有效的表達(dá);該蛋白具有均勻的柔韌性和良好的親水性,其抗原性和表面可及性也較高,但能否刺激機(jī)體產(chǎn)生體液免疫、產(chǎn)生特異性抗體,還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。