牛病毒性腹瀉病毒E2蛋白的原核表達及抗體間接ELISA檢測方法的建立

孫 丹,黃小潔,薛 麒,秦義嫻,高月異,孫 淼,劉 丹*

(1.北京市獸藥飼料監測中心,北京 102200;2.中國獸醫藥品監察所,北京 100081)

牛病毒性腹瀉病(bovine viral diarrhea disease,BVD)是由牛病毒性腹瀉病毒(Bovine viral diarrhea virus,BVDV)引起的一種接觸性傳染病,以發熱、腹瀉、消化道黏膜壞死、潰爛、持續性感染等為特征[1-3］。BVD在國內外地區均廣泛流行,其致病機制復雜且缺乏有效的治療手段,給養牛業造成了巨大的經濟損失[4-6］。BVDV屬于黃病毒科瘟病毒屬,是一種長度約12.3 kb的單股正鏈RNA病毒,在遺傳上分為BVDV-1、BVDV-2和BVDV-3型,其基因型主要由5′UTR區、Npro和E2蛋白編碼區決定。E2蛋白是BVDV主要的結構蛋白,位于病毒粒子的表面,是最早產生抗體的囊膜糖蛋白,因此可用于BVD的快速診斷[7-9］。

BVDV基因型和基因亞型眾多,給該病的檢測和預防帶來了嚴重挑戰,特別是持續性感染,加重了該病的傳播,因此對患病牛和帶毒牛的檢測和淘汰非常必要。BVD的檢測和鑒定方法主要有病原學檢測和血清學檢測。病原學檢測包括病毒分離、電鏡技術、分子生物學檢測等;血清學檢測包括血清中和試驗、瓊脂擴散試驗、免疫熒光技術和ELISA方法等。其中ELISA方法具有操作簡單、特異性強等特點,技術比較成熟,能實現樣本的快速和高通量檢測,最適于在基層推廣使用[10-11］。本研究對BVDV-1標準株C24V株的E2基因進行分析和密碼子優化,利用原核表達系統表達E2蛋白,建立基于E2蛋白的BVDV抗體間接ELISA檢測方法,以期為BVDV大批量樣本的抗體檢測和流行病學研究提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 質粒、病毒和血清 pET22b載體、E.coliBL21(DE3)購自北京擎科生物技術公司;中和試驗用BVDV NADL株和MDBK細胞由中國獸醫藥品監察所保存;BVDV陽性血清和陰性血清、160份BVDV臨床樣本血清(收集自內蒙古呼和浩特地區和河北張家口地區牛場)、牛副流感病毒3型(BPIV3)陽性血清、牛傳染性鼻氣管炎(IBRV)陽性血清、牛呼吸道合胞體病毒(BRSV)陽性血清等由中國獸醫藥品監察所保存。

1.2 主要試劑 IPTG、氨芐青霉素購自Amresco公司;明膠、辣根過氧化物酶(HRP)標記的兔抗牛IgG購自Sigma公司;蛋白預染Marker、TMB單組份顯色液、終止液、包被液均購自北京索萊寶生物科技有限公司;BVDV抗體ELISA檢測試劑盒購自IDEXX公司;其他試劑均為國產分析純。

1.3 pET22b-E2原核表達載體的構建 以BVDV-1 C24V株基因序列(GenBank登錄號L07496.1)為基礎,密碼子優化后進行基因合成目的片段,通過同源重組將目的片段亞克隆至pET22b表達載體,經測序鑒定正確后命名為pET22b-E2。

1.4 E2蛋白的表達、鑒定和純化 pET22b-E2轉化大腸桿菌表達菌株BL21(DE3),得到的菌液加入IPTG誘導后進行表達測試,確認目的蛋白有表達后進行蛋白的純化測試。

1.5 間接ELISA方法的優化 以純化后的E2蛋白作為包被抗原,采用間接ELISA方法作為基礎,分別對影響間接ELISA反應的各個因素進行方陣優化。

1.5.1 確定抗原包被濃度和陰陽性血清稀釋度 使用包被液將純化的E2蛋白稀釋為8、4、2、1、0.5 μg/mL 5個稀釋度。將陰陽性血清分別做1∶40、1∶80、1∶160和1∶320稀釋,封閉液選擇1%明膠,酶標二抗作1∶5000稀釋,按常規ELISA方法進行方陣滴定試驗,用酶標儀測定OD450nm值。以P/N最大且陽性血清OD450nm≥1.0、陰性血清OD450nm≤0.2作為判定最優的標準。

1.5.2 確定最佳封閉液 按照優化的包被濃度和血清稀釋度,分別選擇5%脫脂奶、1%明膠、10%山羊血清、10%馬血清、1%BSA、10%兔血清作為封閉液,按照上述方法和判定標準進行試驗,確定最佳封閉液。

1.5.3 確定血清最佳作用方式 將陰陽性血清分別于室溫和37 ℃孵育30 min、60 min,測定OD450nm值,確定血清最佳作用溫度和時間。

1.5.4 確定酶標二抗工作濃度 將HRP標記的兔抗牛IgG分別作1∶2000、1∶4000、1∶6000和1∶8000稀釋,選擇已經優化好的條件、確定最佳二抗濃度。

1.5.5 確定酶標二抗最佳作用方式 將酶標二抗分別于室溫和37 ℃孵育30 min、60 min,測定OD450nm值,確定酶標二抗最佳作用溫度和時間。

1.5.6 最佳底物作用時間的優化 按照已經優化的反應條件,將TMB底物分別避光置室溫作用10 min、20 min和30 min加入終止液終止反應,確定底物最佳作用時間。

1.7 ELISA方法的特異性試驗 將建立的ELISA方法對BVDV抗體陽性牛血清、IBRV 抗體陽性牛血清、BPIV3抗體陽性牛血清、BRSV抗體陽性牛血清以及BVDV抗體陰性牛血清進行同步檢測,根據OD450nm值判定有無交叉反應,以評價建立方法的特異性。

1.8 ELISA方法的敏感性試驗 將BVDV陽性血清稀釋至 1∶100、1∶200、1∶400、1∶800、1∶1600、1∶3200、1∶6400倍,用建立的ELISA方法進行檢測,以評估方法的敏感性。

1.9 重復性試驗 批內重復性試驗:使用同一批純化的E2蛋白包被酶標板,檢測5份不同抗體水平的BVDV陽性血清樣品和1份BVDV陰性血清樣品,計算變異系數。批間重復性試驗:取3塊不同時間包被在不同酶標板的試劑盒,檢測5份不同抗體水平的BVDV陽性血清樣品和1份BVDV陰性血清樣品,每份血清做3個重復,計算并分析結果。

1.10 臨床樣本檢測 選取160份臨床牛血清樣品,應用建立的間接ELISA方法進行BVDV抗體檢測,并與微量血清中和試驗、商品化試劑盒檢測結果進行比較,計算符合率情況。

參照常規方法進行微量血清中和試驗:采用96孔細胞培養板培養MDBK細胞至長滿單層;將BVDV NADL株病毒稀釋至200 TCID50/0.1mL;將待檢血清做5倍稀釋,取血清200 μL加入200 μL工作抗原,充分混合后置37 ℃作用2 h;取MDBK 96孔細胞板,棄去細胞培養液,每孔加入血清病毒中和液100 μL,每個稀釋度重復4孔,至37 ℃吸附1 h后,每孔補加100 μL細胞維持液,繼續培養,每日觀察細胞病變,第5日進行判定;同時設標準陽性血清、陰性血清和病毒對照。待檢血清在1∶5稀釋時有2個或2個以上孔的細胞未出現細胞病變判為血清陽性,否則判為血清陰性。

2 結果與分析

2.1 E2蛋白的原核表達 重組質粒pET22b-E2轉化BL21(DE3),得到的菌液進行誘導表達,SDS-PAGE鑒定結果顯示目的蛋白在40 kD左右出現明顯條帶,有可溶性表達和包涵體表達兩種形式,可溶性表達蛋白經純化后效果較好(圖1A)。Western-blot檢測結果表明,重組E2蛋白能與BVDV陽性血清發生特異性反應(圖1B)。

A: pET22b-E2誘導表達;1. Marker; 2. pET22b-E2未誘導; 3. 誘導樣品上清; 4. 誘導樣品沉淀; 5. 可溶蛋白純化樣品B: Western-blot鑒定E2蛋白; 1. Marker; 2. E2蛋白

2.2 間接ELISA方法的方陣優化結果

2.2.1 最佳抗原包被濃度和最佳血清稀釋度的確定 由表1可以看出,抗原包被濃度為1 μg/mL、血清稀釋倍數為1∶40時,P/N值最大,陽性血清OD450nm≥1.0且陰性血清OD450nm≤0.2,所以確定抗原包被濃度為1 μg/mL,血清稀釋倍數為1∶40。

表1 最佳抗原包被濃度和血清稀釋度選擇

2.2.2 最佳封閉液選擇 選擇封閉液為1%明膠于37 ℃封閉1 h,P/N值最大且陽性血清OD450nm≥1.0、陰性血清OD450nm≤0.2。

2.2.3 血清最佳作用方式的確定 血清于37 ℃作用30 min時,P/N值最大且陽性血清OD450nm≥1.0且陰性血清OD450nm≤0.2(表2)。

表2 血清最佳作用方式

2.2.4 最佳酶標二抗工作濃度的確定 酶標二抗選擇1∶2000時,P/N值最大且陽性血清OD450nm≥1.0、陰性血清OD450nm≤0.2。

2.2.5 酶標二抗最佳作用方式的確定 酶標二抗于37 ℃作用30 min時,P/N值最大且陽性血清OD450nm≥1.0且陰性血清OD450nm≤0.2(表3)。

表3 酶標二抗最佳作用方式

2.2.6 底物作用時間的確定 表4結果顯示,底物作用時間為室溫20 min時,P/N值最大。

表4 底物最佳作用時間

表5 53份BVDV抗體陰性牛血清OD450nm值

2.4 特異性試驗結果 特異性試驗結果顯示,僅BVDV抗體陽性牛血清檢測OD450nm>0.255,其他均為陰性,說明建立的間接ELISA具有良好的特異性,與常見其它的牛血清無交叉反應。

2.5 敏感性試驗結果 將BVDV陽性血清連續倍比稀釋后,用建立的ELISA方法進行檢測,結果顯示,陽性血清稀釋1600倍時,OD450nm>0.255仍為陽性,表明建立的ELISA方法具有較高的敏感性。

2.6 重復性試驗結果 表6和表7結果顯示,批內重復性試驗和批間重復性試驗變異系數均小于10%,表明建立的ELISA方法重復性良好。

表6 批內重復性試驗

表7 批間重復性試驗

2.7 臨床樣本檢測 對160份牛血清樣本,用商品化的BVDV總抗體檢測試劑盒進行抗體檢驗,結果顯示陽性92份,陰性68份。對92份陽性樣本,用建立的間接ELISA方法檢測到陽性血清85份,其中的82份用血清中和試驗檢測同為陽性;有7份樣本兩種方法檢測均為陰性。對陰性血清68份,間接LEISA方法和血清中和試驗檢測結果均為陰性。間接ELISA方法與血清中和試驗、商品化試劑盒的總體符合率分別為98%和96%。詳見表8。

表8 對160份血清樣本BVDV抗體檢測

3 討論與結論

BVDV呈世界性流行,我國流行情況更加復雜,給養殖業造成了巨大的經濟損失。BDV目前尚無特效藥物,國內外主要采取疫苗免疫、病原和抗體檢測、清除持續性感染牛、BVDV凈化等綜合防控措施,因此BVDV抗體監測和疫苗效果評價尤為重要。BVDV抗體檢測的標準方法是血清中和試驗,但其操作復雜,試驗周期較長,敏感性不高,不利于高通量樣本檢測和基層推廣使用。而血清抗體間接ELISA方法具有檢測速度快、對試驗環境和人員的要求低,且其敏感性高于血清中和試驗,結果判定簡單,在臨床樣本檢測和疫苗免疫抗體監測等方面能發揮更大的作用。本研究利用大腸桿菌表達系統表達BVDV E2蛋白建立的檢測血清抗體的間接ELISA方法,可準確檢測血清中的BVDV抗體,特異性強敏感性高,對于大批量臨床樣本的抗體檢測、基層樣本篩查及BVDV凈化等方面具有重要價值。

目前國內檢測BVDV抗體使用的ELISA試劑盒大多為國外進口,存在價格昂貴,進口周期長等劣勢。美國IDEXX公司商品化的BVDV總抗體試劑盒,其包被抗原為全病毒抗原,需要繁殖大量病毒并進行密度梯度離心,存在制備工藝復雜、成本高和散毒風險等缺點。本研究借助基因表達和蛋白純化技術制備BVDV E2蛋白,E2蛋白是BVDV結構蛋白中免疫原性最強的糖蛋白,在結構基因中具有良好的中和抗體能力。將純化后的E2蛋白作為包被抗原,克服了全病毒包被的不足之處,建立的間接ELISA方法與商品化試劑盒的符合率高達96%。

包被抗原的反應原性和純度是影響間接ELISA方法敏感性和特異性的關鍵。目前已報道的BVDV Erns蛋白表達產物大多以包涵體形式表達,存在目的蛋白損失嚴重、純度不高等缺點,本研究通過線性抗原表位預測分析并進行密碼子優化,利用大腸桿菌原核表達E2蛋白,E2蛋白主要以可溶性形式在大腸桿菌中高效表達,這一蛋白表達特性獲得了高純化和濃度的包被抗原。本研究建立的間接ELISA方法與血清中和試驗的符合率較高,更適于高通量檢測,用于BVDV疫苗免疫效果評價和BVDV凈化等,具有較好的應用前景。