藍舌病病毒NS4 基因原核表達載體的構建與表達

馬 驥,朱文青,林俊泓,易華山,胡庭俊

(1.廣西大學 動物科學技術學院,南寧 530005;2.西南大學 動物醫學院,重慶榮昌 402460)

藍舌病病毒(Bluetounge virus,BTV)通過庫蠓傳播,感染以綿羊為首的多種反芻動物,引起藍舌病(Bluetounge,BT),患病動物表現為口唇充血水腫、舌部發紺等[1-2]。BT 的流行對以歐洲為主的世界范圍內的畜產品貿易造成嚴重影響,世界動物衛生組織(World organization for animal health,OIE)將其列為法定報告的動物疫病,中國也將其列為一類動物疫病[3]。對BT 的預防主要通過接種滅活疫苗與弱毒疫苗[4]。BTV 目前已鑒定出至少29個血清型及其他的新型非典型性血清型,而各血清型之間較弱的交叉免疫反應、隱性感染動物和(或)感染動物與疫苗免疫動物的鑒別(Differentiating infected from vaccinated animals,DIVA),仍然是BT 有效防控的巨大挑戰[4-7]。

BTV 是呼腸孤病毒科(Reoviridae),環狀病毒屬(Orbivirus)的雙鏈RNA(Double-stranded RNA,dsRNA)病毒,病毒粒子為二十面體對稱的圓形無囊膜顆粒,由10條分節段的dsRNA 編碼7種結構蛋白(VP1-VP7)和至少4種非結構蛋白(NS1、NS2、NS3/NS3A、NS4、S10-ORF5)[8-9]。2011年,Belhouchet等[10]在BTV VP6的開放閱讀框(Open reading frame,ORF)中發現BTV NS4的ORF。NS4含77到79個氨基酸殘基,其氨基酸序列在不同血清型中高度保守[11]。Belhouchet等[10]發現NS4 包裹于胞質內的脂滴周圍,還能保護dsDNA 不被脫氧核糖核酸酶Ⅰ降解;Ratinier等[12]發現NS4下調Ⅰ型干擾素與干擾素刺激基因的轉錄水平以及多種啟動子的活性,但不影響mRNA 的剪切;Li等[13]發現NS3與NS4協同作用,靶向Janus酪氨酸激酶-信號轉導子和轉錄活化子(Janus tyrosine kinases-signal transducers and activators of transcription,JAKSTAT)通路中的STAT1,通過抑制其磷酸化,二聚化等抑制宿主天然免疫反應;筆者課題組的研究表明NS4 可能通過抑制干擾素通路上游的RIG-Ⅰ、MDA5、IRF9等基因抑制下游IFN-β以及ISGs等的表達。有鑒于NS4在調控宿主天然免疫信號通路中發揮的重要作用,本研究擬構建BTVNS4基因原核表達載體,以期實現NS4蛋白的高效表達,為進一步研究NS4的免疫拮抗功能及基于NS4的診斷方法研究提供基礎。

1 材料與方法

1.1 菌株與質粒

E.coliBL21、藍舌病毒NS4基因p GEM-TNS4質粒、pET-32a質粒均由西南大學動物醫學院獸醫科學研究中心保存。

1.2 主要試劑與儀器

ExTaq酶、DL 5000 DNA Marker購自北京寶日醫生物有限公司;Axygen quick Gel Extraction Kit、Axy Prep質粒DNA 小量試劑盒購自吳江康寧生命科學有限公司;限制性內切酶BamHⅠ、EcoR Ⅰ、IPTG 購自大連寶生生物有限公司;Trans T1 感受態細胞、氨芐西林(Ampicillin,Amp)購自北京TransGen Biotech 公司;Beyo-ColorTM彩色預染蛋白Marker、考馬斯亮藍快速染色液、辣根過氧化物酶標記山羊抗兔IgG、ECL化學發光試劑盒購自上海碧云天生物技術有限公司;兔抗NS4 多克隆抗體由本實驗室自制并保存。其余所用試劑均為進口或國產分析純。PCR儀、蛋白電泳儀購自美國Bio-Rad公司;超高靈敏度化學發光檢測儀FUSION FX-XT 購自法國VILBER 公司。

1.3 BTV NS4 基因的擴增

參照NCBI中Genbank 收錄NS4基因序列(AFV68249.1),利用Primer 5.0軟件設計并合成引物NS4 F 和NS4 R,在上、下游引物5′端分別添加BamH Ⅰ和EcoR Ⅰ酶切位點(下劃線部分)。引 物NS4 F:5′-CGCGGATCCATGGTGAGGGGACACAACAGA-3′,NS4 R:5′-CGGAATTCCTACCCATCCTCCTCTGCTCG-3′,目的基因大小為246 bp,引物由北京華大基因科技有限公司合成。以p GEM-T-NS4質粒為模板,NS4 F與NS4 R 為引物,PCR 擴增NS4基因,反應總體系為20μL。反應程序為:95 ℃預變性5 min;95 ℃變 性45 s,60 ℃退 火45 s,72 ℃延 伸1 min,35 個 循 環;最 后72 ℃延 伸10 min,4 ℃保存。PCR 產物經電泳分析正確后,用Axygen quick Gel Extraction Kit按步驟回收、純化目的基因片段。

1.4 p ET-32a-NS4 重組質粒的構建

用BamH Ⅰ、EcoR Ⅰ內 切 酶 將p ET-32a雙酶切,Solution Ⅰ16 ℃過夜連接,轉化至大腸桿菌Trans T1感受態細胞,LB 固體培養基上37℃過夜培養。挑選陽性單克隆菌落接種于含Amp的LB 液體培養基,37 ℃搖床培養。用Axy Prep 質粒DNA 小量試劑盒提取質粒,經雙酶切鑒定正確后,送至華大基因重慶公司測序,將測序正確的重組質粒命名為p ET-32a-NS4。

1.5 IPTG 最佳誘導時間的探索

將p ET-32a-NS4接種至含Amp的LB液體培養基,37 ℃搖床過夜培養后,按照1∶1 000的比例接種至含Amp的液體培養基,37 ℃搖床培養,在1 h、2 h、2.5 h、3 h時分別取菌液,以相同培養液為陰性對照,測定OD 值直至0.6～0.8。取OD 值0.6～0.8的菌液1 m L作空白對照,其余加入終濃度為0.6 mmol/L 的IPTG 溶液,37 ℃搖床培養,分別在1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h時采樣,樣品3 000 r/min離心2 min,棄大部分上清液后加入5×蛋白上樣buffer混勻,沸水浴8 min后高速離心。配制12%聚丙烯酰胺凝膠電泳分離膠和5%濃縮膠,上樣后60 V跑濃縮膠,120 V 跑分離膠。電泳結束后將膠用清水振蕩洗滌兩次,每次5 min,再加入考馬斯亮藍染色液染色25 min后,振蕩洗滌直至水澄清,凝膠成像系統觀察電泳結果。

1.6 IPTG 最佳誘導濃度的探索

按“1.5”所述方法培養細菌,當OD 值為0.6～0.8時,取1 m L菌液作為空白對照,其余分別加入終濃度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mmol/L的IPTG 溶液,37℃搖床培養,分別在4、6、8 h時取樣,按“1.5”所述方法進行SDS-PAGE。

1.7 重組蛋白表達形式的探索

將OD 值為0.6～0.8 的菌液,以“1.5”與“1.6”測定的最佳誘導濃度與誘導時間加入IPTG,取樣。將樣品以3 000 r/min離心5 min,去掉上清,沉淀用PBS洗滌兩次,3 000 r/min離心2 min,PBS再洗滌沉淀兩次,加入適量的PBS混勻后,超聲破碎。破碎后12 000 r/min離心10 min,分離上清、沉淀,以PBS稀釋沉淀至體積與上清相同,加入5×蛋白上樣緩沖液,沸水浴8 min后,進行SDS-PAGE。

1.8 可溶性蛋白表達可能性的探索

活化細菌,接種至含Amp的LB液體培養基中,37 ℃搖床培養2～3 h,當OD 值為0.6～0.8時,加入0.8 mmol/L IPTG,16 ℃搖床誘導過夜后,按“1.7”所述方法處理樣品,SDS-PAGE分析。

1.9 重組蛋白的Western-blot鑒定

將表達產物SDS-PAGE 電泳后轉至PVDF膜,碎冰中200 m A 恒流轉膜40 min,加入封閉液4 ℃封閉過夜。NS4 兔抗多克隆抗體(一抗)1∶1 000稀釋,4 ℃孵育過夜,PBST 洗6 次,辣根過氧化物酶標記山羊抗兔IgG(H+L)(二抗)以1∶3 000比例稀釋,室溫孵育1 h,PBST 洗6次,顯影,使用超高靈敏度化學發光檢測儀FUSION FX-XT 分析重組蛋白的表達情況。

2 結果與分析

2.1 目的基因的擴增與重組質粒的構建

連接目的基因片段與p ET-32a載體,轉化培養,挑取單菌落經PCR 檢驗,結果如圖1所示,提取質粒經酶切檢測,結果如圖2所示。

圖1 pET-32a-NS4 重組質粒PCR 鑒定圖Fig.1 PCR identification of recombinant plasmid pET-32a-NS4

圖2 pET-32a-NS4 酶切電泳檢測Fig.2 Electrophoretic detection of restriction digestion of plasmid pET-32a-NS4

2.2 IPTG 最佳誘導時間

結果如圖3所示,重組蛋白大小為27 ku。在誘導6 h時表達量最大,8 h時無明顯增加,10 h、12 h的表達量減少,因此IPTG 的最佳誘導時間為6 h。為減少試驗結果的偶然性,后續對IPTG最佳誘導濃度的探索將于4 h、6 h、8 h分別取樣。

圖3 0.6 mmol/L濃度IPTG 誘導不同時間重組蛋白表達量Fig.3 Expression index of recombined protein in induced by IPTG at different times with concentration of 0.6 mmol/L

2.3 IPTG 最佳誘導濃度

結果如圖4所示,IPTG 濃度0.8 mmol/L時表達量最高,濃度1.0 mmol/L表達量減少,因此最佳濃度為0.8 mmol/L。

圖4 不同IPTG 濃度誘導6 h表達產物分析Fig.4 Analysis of expression products induced by different IPTG concentrations for 6 h

2.4 重組蛋白表達形式與可溶性蛋白表達可能性

結果如圖5所示,沉淀組中有明顯的條帶,而上清液中的條帶較弱,說明誘導的蛋白大部分位于沉淀中,以包涵體形式表達。將菌液以最佳誘導條件4℃搖床過夜培養后,結果如圖6所示,可溶性蛋白的表達量無明顯改變,表明重組蛋白依然以包涵體形式表達。

圖5 表達產物的可溶性分析結果Fig.5 Analysis results of solubility in expression products

圖6 16 ℃上清中可溶性蛋白表達結果Fig.6 Expression result of soluble protein in supernatant at 16 ℃

2.5 重組蛋白的Western-blot分析

結果如圖7所示,在27 ku可見目的條帶,與預期大小一致,表明重組蛋白能與NS4多克隆抗體產生特異性反應。

圖7 表達產物Western blot分析Fig.7 Western blot analysis of expression products

3 討論

NS4在BTV 感染后2 h即可在胞質中被檢測到,感染后24 h在胞質與胞核內形成小點狀聚集,通過核纖維蛋白與核仁標記物B23共定位于核仁,感染后72 h 出現于胞膜[10-11]。此外,NS4能保護dsDNA 不被脫氧核糖核酸酶Ⅰ降解,但缺乏dsRNA 結合域而無法保護dsRNA 被RNAseⅢ降解[10]。研究表明,NS4在IFN 預處理的細胞中可促進BTV-8的CPE 與復制,是胞內干擾素通路的拮抗劑與毒力因子,顯著降低IFN-β與ISGs等轉錄水平以及與天然免疫相關的IRSE等啟動子活性;且能與NS3共同作用于STAT1的SH2結構域,抑制其磷酸化、核易位以及與STAT2 的作用從而抑制JAK-STAT 通路下游基因的激活[11-12,13]。綜上所述,NS4作為藍舌病病毒發現的新型非結構蛋白之一,在BTV復制與拮抗宿主天然免疫應答中發揮重要作用,因此,對NS4蛋白的深入研究具有重要意義,可能為闡明BTV 的致病機制提供新的方向。

基于BTV NS4在病毒復制及拮抗宿主天然免疫應答中的重要作用,在本研究中,筆者構建了BTVNS4基因原核表達載體,并對其在大腸桿菌BL21中以IPTG 誘導表達的最佳條件進行了分析與探索。韓珊等[14]對超氧化物歧化酶在大腸桿菌BL21 中誘導的最適IPTG 濃度為0.4 mmol/L;Carmignotto等[15]對重組Cas9 蛋白在大腸桿菌BL21中誘導的最適IPTG 濃度為0.5 mmol/L;榮娜等[16]對重組嗜水氣單胞菌外膜蛋白P5在大腸桿菌BL21中誘導的最適IPTG 濃度為0.5 mmol/L;Aghaiypour等[17]對重組破傷風毒素C 蛋白在大腸桿菌BL21 中誘導的最適IPTG 濃度為1.0 mmol/L,有鑒于上述研究,本研究首先在0.6 mmol/L IPTG 誘導,得到最佳誘導時間為6 h;再設置IPTG 誘導濃度梯度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mmol/L 組,得到最佳誘導濃度為0.8 mmol/L 后,再次分別進行4 h、6 h、8 h時取樣檢測以驗證,確保結果真實可靠,且保證重組蛋白表達量達到最大的前提下,選擇合適的IPTG 誘導濃度與時間。而Belhouchet構建p GEX-BTV NS4重組質粒,使用0.5 mmol/L的IPTG 在37 ℃誘導4 h或在28℃誘導8 h,這可能與所使用的構建載體不同有關[10]。

研究表明,誘導溫度有利于蛋白合成的速度,但也增加了無活性蛋白集聚物的疏水作用而使得到的重組蛋白在大腸桿菌中易形成不溶性蛋白聚集體,即包涵體[18]。低溫誘導時有利于蛋白質結構折疊,從而形成可溶性蛋白[19]。本研究中,p ET-32a-NS4原核表達載體37 ℃誘導表達的重組蛋白主要以包涵體的形式表達,16 ℃時可溶性蛋白含量較低無法滿足試驗需求。Belhouchet構建的p GEX-BTV NS4在大腸桿菌BL21中同樣以包涵體形式存在,但p MAL-c5x-NS4載體在大腸桿菌中表達可溶性的NS4 重組蛋白[10,20]。本研究構建的p ET-32a-NS4原核表達載體可獲得大量的NS4 重組蛋白,Western-blot分析表明,該重組蛋白能與NS4蛋白的兔多克隆抗體發生特異性反應。研究表明,包涵體蛋白經變性、復性等方法重新折疊,得到可溶性的蛋白,以使該蛋白能夠得到更高效的應用[21-22]。本研究中表達的NS4重組蛋白為后續BTV 拮抗宿主天然免疫反應中作用機制研究提供基礎材料。

4 結論

本研究成功構建藍舌病病毒NS4基因p ET-32a-NS4原核表達載體;p ET-32a-NS4在大腸桿菌BL21 中IPTG 的最佳誘導濃度為0.8 mmol/L,誘導時間為6 h;重組蛋白主要以包涵體形式表達,為進一步研究NS4功能提供材料。