王貴佐 陶愛林 孫秀珍 李滿祥 劉 昀 鄒澤紅 吳媛媛
(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸病研究室,西安710004)
法國(guó)梧桐為懸鈴木科、懸鈴木屬,在各地廣泛種植。Kosisky等[1]在1998~2007采用定量收集法對(duì)華盛頓市區(qū)進(jìn)行了10年的氣傳花粉變應(yīng)原調(diào)查,結(jié)果顯示主要的花粉類型包括:櫟樹、柏樹、松科、桑屬、樺科、槭屬、懸鈴木屬、梣屬、禾本科,全年花粉總量中樹花粉所占比例為91.2%,草類占7%。Aira等[2]對(duì)西班牙西北部Iberian Peninsula地區(qū)的主要綠化植物進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)懸鈴木屬、齊墩果屬是當(dāng)?shù)刈钪饕幕ǚ蹃?lái)源。Ture等[3]報(bào)道了土耳其Bilecik地區(qū)氣傳花粉的研究,發(fā)現(xiàn)松屬、柏科、懸鈴木屬、櫟屬、柳屬是該地區(qū)的主要?dú)鈧骰ǚ郏⑶铱諝庵谢ǚ蹪舛茸罡咴?月。Celenk等[4]在土耳其西北部的Bursa地區(qū)進(jìn)行了氣傳花粉調(diào)查,發(fā)現(xiàn)松屬、齊墩果屬、懸鈴木屬、柏屬、櫟屬、禾本科、蕁麻科、栗屬在空氣花粉的播散中起主要作用,5月空氣中花粉的濃度達(dá)到最高。法桐花粉不僅顯示了較高的空氣飄逸濃度,并且各地研究者發(fā)現(xiàn)法桐花粉可引起廣泛的變態(tài)反應(yīng)。劉光輝等[5]通過(guò)對(duì)湖北省氣傳花粉的調(diào)查并對(duì)2 300例花粉癥患者進(jìn)行皮膚過(guò)敏原檢測(cè)試驗(yàn)及對(duì)發(fā)病季節(jié)進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),湖北省陽(yáng)性率最高的春季致敏花粉主要為懸鈴木屬,秋季致敏花粉主要為篙屬、豚草屬。盧家美等[6]通過(guò)對(duì)花粉的曝片采集及對(duì)168名過(guò)敏性哮喘患者進(jìn)行花粉血液變應(yīng)原篩查,得出艾蒿、法桐、藜草、葎草、禾本科可能是西安市的主要致敏花粉。Lauer等[7]發(fā)現(xiàn)在地中海地區(qū)法桐花粉變應(yīng)原IgE反應(yīng)率27.3% ~63.8%,是該地區(qū)的主要?dú)鈧骰ǚ圩儜?yīng)原。越來(lái)越多的調(diào)查資料及臨床流行病學(xué)資料表明,法國(guó)梧桐花粉是我國(guó)及西方多數(shù)國(guó)家地區(qū)花粉癥的重要原因。
目前發(fā)現(xiàn)法桐變應(yīng)原提取液中主要有以下主要致敏蛋白:Pla a1、Pla a2、Pla a3。Pla a1蛋白可與92%以上的法桐花粉癥患者血清發(fā)生反應(yīng),而Pla a2、Pla a3 反應(yīng)率分別為 84% 和 63.8%[7-9]。目前對(duì)法國(guó)梧桐花粉主要變應(yīng)原的表達(dá)、純化卻鮮有研究,并且對(duì)Pla a1蛋白進(jìn)行表達(dá)純化具有很主要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究對(duì)Pla a1蛋白首次進(jìn)行了表達(dá)、純化和鑒定,為制備高純度變應(yīng)原、重組低致敏過(guò)敏原及變應(yīng)原核酸疫苗奠定基礎(chǔ)。
1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)試劑:T4 DNA連接酶、pET-44a表達(dá)載體購(gòu)自 Promega公司;宿主大腸桿菌JM109、表達(dá)宿主大腸桿菌Rosetta購(gòu)自Novagen公司;DNA合成和測(cè)序由上海博尚生物公司完成;rTaq 聚合酶、10 ×PCR buffer、dNTP Mixture、IPTG 及DL2000 DNA marker等購(gòu)自大連寶生物工程公司;瓊脂糖、蛋白胨、酵母以及SYBR Green熒光染料等購(gòu)自基因公司;PCR產(chǎn)物回收純化試劑盒購(gòu)自QIAGEN公司;PVDF膜購(gòu)于Millipore公司;預(yù)染蛋白質(zhì)分子量標(biāo)準(zhǔn)購(gòu)自Bio-Rad公司;脫脂奶粉購(gòu)自Sigma公司;StrepTrapTMHP 1 ml柱子購(gòu)自 GE公司。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 密碼子優(yōu)化及引物設(shè)計(jì) 根據(jù)其在Gen-Bank中的ID號(hào)AJ427413.2獲得其核苷酸和氨基酸序列,確定開放閱讀框?yàn)?56個(gè)氨基酸,468堿基對(duì),引入NdeⅠ、PstⅠ、XhoⅠ酶切位點(diǎn)及 Strep TagⅡ。根據(jù)原核表達(dá)載體大腸桿菌對(duì)密碼子的偏愛性,同時(shí)考慮RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),提高翻譯起始效率,利用DNAStar軟件進(jìn)行密碼子優(yōu)化。密碼子優(yōu)化完成后GC含量由44.3%變?yōu)?7.6%。優(yōu)化后的全基因序列由上海博尚生物有限公司合成。
1.2.2 Pla a1基因表達(dá)載體的構(gòu)建 Pla a1基因優(yōu)化后的全編碼區(qū)序列設(shè)計(jì)一對(duì)引物。引物由上海博尚生物有限公司合成。上游引物為5'-CT-,下游引物 5'-GCCTGCAGAGCACCAAGCAGTTT-3',上下游引物退火溫度分別為:68.2℃和69.1℃,黑體下劃線部分分別為NdeⅠ、PstⅠ酶切位點(diǎn)。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?5℃預(yù)變性5分鐘;95℃變性30秒,63.3℃退火30秒(1℃/touchdown/cycle),72℃延伸30秒,7個(gè)循環(huán);95℃變性30秒,57.3℃退火30秒,72℃延伸30秒25個(gè)循環(huán);72℃延伸5分鐘。對(duì)基因公司合成后甘油菌TOP10-Puc57-Pla a1行單克隆菌落PCR,用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)菌落PCR結(jié)果。對(duì)鑒定陽(yáng)性單克隆菌落搖菌培養(yǎng),提取質(zhì)粒,NdeⅠ和PstⅠ雙酶切,同時(shí)對(duì)改造過(guò)的pET44a質(zhì)粒載體(載體上含有Strep TagⅡ)NdeⅠ和PstⅠ雙酶切位點(diǎn),獲得相同粘性末端,2%的瓊脂糖凝膠電泳分別進(jìn)行目的片段Pla a1及載體pET-44a回收;并進(jìn)行連接反應(yīng),目的片段與載體之比為3,T4 DNA連接酶于4℃連接16小時(shí),構(gòu)建重組質(zhì)粒pET44a-Pla a1;將連接產(chǎn)物經(jīng)KCM(0.5 mol/L KCl,0.15 mol/L CaCl2,0.25 mol/L MgCl2)法轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)JM109;通過(guò)氨芐青霉素Amp抗性LB平板篩選,菌落PCR鑒定陽(yáng)性克隆,并將陽(yáng)性單克隆過(guò)夜培養(yǎng)菌液送上海博尚生物有限公司測(cè)序;選取測(cè)序正確的質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化高效表達(dá)菌株感受態(tài)Rosetta,氨芐青霉素Amp抗性LB平板篩選,菌落PCR鑒定陽(yáng)性克隆,并將陽(yáng)性單克隆過(guò)夜培養(yǎng)菌液送測(cè)序,選取測(cè)序正確的單克隆菌落誘導(dǎo)蛋白表達(dá)。
1.2.3 Pla a1蛋白表達(dá)及鑒定 挑取測(cè)序陽(yáng)性重組質(zhì)粒pET44a-Pla a1的E.coli Rosetta分別接種至含有Amp(50 mg/L)的LB液體培養(yǎng)基(10 g/L胰蛋白胨、5 g/L酵母提取物、10 g/L NaCl)中,37℃振蕩培養(yǎng)12小時(shí)后按1%的接種量接種到新鮮的含Amp(50 mg/L)、含葡萄糖(4%)的LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)至OD600在0.6~0.7之間。然后加入終濃度為0.5 mmol/L IPTG誘導(dǎo)劑,于37℃誘導(dǎo)表達(dá)4小時(shí)。收集菌體,并進(jìn)行Pla a1表達(dá)蛋白的SDSPAGE。電泳方法參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。取1.5 ml菌液離心收集菌體,加入100 μl 2×上樣緩沖液(20 g/L SDS、500 ml/L 甘油、62.5 mmol/L Tris-HCl(pH6.8)、20 ml/L β-巰基乙醇、0.1 g/L 溴酚藍(lán)、30 mmol/L NaCl、1 mmol/L EDTA)充分混合,煮沸5分鐘后,12 000 r/min離心SDS-PAGE電泳檢測(cè)。
1.2.4 鑒定蛋白表達(dá)形式 安裝上述方法誘導(dǎo)蛋白表達(dá);4℃、10 000 r/min、6分鐘收集菌液,按菌體濕重為5ml/1g加結(jié)合緩沖液(100 mmol/L Tris-HCl,150 mmol/L NaCl,1 mmol/L EDTA,pH8)充分重懸菌液。冰水浴中超聲裂解,裂解5秒停5秒,強(qiáng)度50%,100 W,裂解10分鐘;4℃,12 000 r/min,30分鐘離心分別收集上清1和沉淀;對(duì)上述沉淀再次用相同體積的結(jié)合緩沖液重懸洗劑,4℃,12 000 r/min,30分鐘離心再次收集沉淀;對(duì)沉淀加入相同體積含6 mmol/L尿素結(jié)合緩沖液(100mmol/L Tris-HCl, 150mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA,pH8.0),重懸沉淀,4℃搖床裂解過(guò)夜;4℃,18 000 r/min,30分鐘離心收集上清2;SDS-PAGE鑒定表達(dá)蛋白是否為包涵體形式。
1.2.5 Pla a1表達(dá)蛋白的純化 將變性后蛋白分別在含4 mol/L尿素、2 mol/L尿素、1 mol/L尿素的結(jié)合緩沖液各透析12小時(shí)。透析后的液體經(jīng)4℃,18 000 r/min,10分鐘收集上清3,準(zhǔn)備過(guò)柱純化誘導(dǎo)表達(dá)的蛋白。購(gòu)買于GE公司的Strep Trap HP 1 ml預(yù)裝柱與AKTA FPLC連接并首先用結(jié)合緩沖液按1 ml/min流速平衡柱子,至紫外基線平穩(wěn);將上清3上樣過(guò)柱,并用結(jié)合緩沖液洗柱。并收集穿透峰,用洗脫緩沖液洗柱(2.5 mmol/L脫硫生物素100 mmol/L Tris-HCl,150 mmol/L NaCl,1 mmol/L EDTA,pH8.0)并收集洗脫峰。SDS-PAGE蛋白電泳鑒定洗脫峰及穿透峰。
1.2.6 純化蛋白Western blot鑒定分析 純化的融合蛋白經(jīng)SDS-PAGE電泳后,將凝膠上的蛋白質(zhì)電轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,用含50 g/L脫脂奶粉的PBST緩沖液 (8 g/L NaCl 0.28 g/L KCl 0.28 g/L KH2PO4,2.98 g/L Na2HPO4·12H2O,pH7.4;1 ml/L Tween 20)室溫封閉2小時(shí)后,加入法桐花粉過(guò)敏患者血清(一抗1∶1稀釋),4℃三維搖床過(guò)夜孵育;用PBST在室溫下三圍搖床上洗4次,每次5分鐘;再加入辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的羊抗人IgE抗體(1∶500),室溫孵育1小時(shí),用PBST在室溫下三圍搖床上洗2次,每次5分鐘;再用PBS洗2次,5分鐘;用二氨基聯(lián)苯胺(DAB)底物顯色液顯色10分鐘,檢測(cè)Pla a1的抗原性。
1.2.7 純化后的表達(dá)蛋白送測(cè)序 SDS-PAGE蛋白電泳后,剪取合適大小的PVDF膜,在橫流45 mA室溫條件下進(jìn)行電印跡轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移時(shí)間為28分鐘。轉(zhuǎn)印結(jié)束,考馬斯亮藍(lán)染色(0.1%考馬斯亮藍(lán)R-250溶于40%甲醇/1%乙酸)染色30秒,用脫色液(1%醋酸+50%甲醇脫色),脫色后用去離子水充分洗滌,然后剪下待測(cè)序的條帶,封存在1.5 ml的離心管中送中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生化與細(xì)胞研究所蛋白質(zhì)組研究分析中心測(cè)序。
2.1 重組表達(dá)載體的鑒定 重組載體構(gòu)建成功后以T7啟動(dòng)子開始,在NdeⅠ和PstⅠ酶切位點(diǎn)之間為目的片段,PstⅠ酶切位點(diǎn)之后為8個(gè)氨基酸的Strep TagⅡ、雙終止密碼子TAATAA及XhoⅠ酶切位點(diǎn)。PET44a-Pla a1重組子轉(zhuǎn)入JM109,對(duì)規(guī)整化后的菌落進(jìn)行菌落PCR,結(jié)果如圖1。1~9為目的片段,菌落PCR目的片段在500 bp左右,符合目標(biāo)片段大小。質(zhì)粒測(cè)序的結(jié)果與原始序列同源性為100%,可以進(jìn)行下一步原核表達(dá)菌株構(gòu)建。
2.2 Pla a1蛋白表達(dá)及鑒定 圖2所示,Pla a1在表達(dá)菌株Rosetta中的誘導(dǎo)表達(dá),2~4在IPTG濃度為0.5 mmol/L誘導(dǎo)下的表達(dá)情況,1為未經(jīng)IPTG誘導(dǎo)的對(duì)照樣品。在對(duì)照和誘導(dǎo)間(18 kD處)出現(xiàn)明顯差別,表明外源基因進(jìn)行了Pla a1蛋白表達(dá)。采用的marker為03-04蛋白marker。
2.3 鑒定蛋白表達(dá)形式 在進(jìn)行蛋白誘導(dǎo)后的收菌,加非變性裂解液,進(jìn)行超聲裂解,裂解后分別取上清和沉淀進(jìn)行SDS-PAGE電泳。如圖3:1為對(duì)照,2為誘導(dǎo),3為超聲裂解后上清,4為超聲裂解后沉淀。由此可見目的蛋白主要包涵體表達(dá)。

圖1 JM109菌落PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果Fig.1 PCR amplification of the Pla a1 gene
2.4 Pla a1融合蛋白的純化 利用AKTA FPLC將經(jīng)過(guò)StrepTrap HP 1 ml預(yù)裝柱所收集的液體分別取100 μl加入20 μl 6 × loading buffer(內(nèi)含 β-巰基乙醇)煮沸6分鐘后,離心(10 000 r/min,5分鐘)后取其上清10 μl跑SDS-PAGE膠,如圖4:1為穿透峰;2為目的蛋白洗脫峰。1泳帶為上樣后穿透峰所收集的液體,2泳帶為蛋白洗脫時(shí)紫外吸收峰大于50 mA時(shí)所收集的液體。

圖2 Pla a1基因誘導(dǎo)表達(dá)的鑒定Fig.2 Protein expression of Pla a1 gene

圖3 重組蛋白表達(dá)形式鑒定Fig.3 Identification of inclusion body protein

圖4 重組蛋白純化后SDS-PAGE電泳鑒定Fig.4 Identification of the purified recombinant protein by SDS-PAGE
2.5 純化蛋白Western blot鑒定分析 將誘導(dǎo)純化后蛋白利用法桐花粉過(guò)敏患者血清進(jìn)行免疫印跡鑒定如圖5,泳道1為正常血清對(duì)照;2~6所用患者血清均經(jīng)過(guò)ImmunoCAP檢測(cè),并且血清中法桐花粉變應(yīng)原特異性IgE抗體均在二級(jí)以上。從圖5中可以看到在第2~6泳道內(nèi)目標(biāo)大小處有一條清楚的顯色條帶,表明此目的蛋白具有一定抗原性。

圖5 重組Pla a1蛋白的Western blot鑒定Fig.5 Identification of the Pla a1 protein by Western blot

圖6 重組蛋白測(cè)序結(jié)果Fig.6 Result of N-terminal amino acid sequence of protein Pla a1
2.6 純化后的融合蛋白送測(cè)序 純化后的融合蛋白轉(zhuǎn)PVDF膜后送中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生化與細(xì)胞研究所蛋白質(zhì)組研究分析中心測(cè)序。蛋白質(zhì)N-端1~6個(gè)氨基酸序列測(cè)序圖譜如圖6。
大量的花粉流行病學(xué)調(diào)查資料顯示我國(guó)以及歐美國(guó)家法桐花粉飄逸廣泛[1,2,4,11],更多的文獻(xiàn)指出法桐花粉已經(jīng)引起相關(guān)花粉癥大量出現(xiàn),如過(guò)敏性哮喘、過(guò)敏性鼻炎、蕁麻疹等[7,9,12-15]。但是對(duì)法桐花粉主要變應(yīng)原鮮有研究,本文對(duì)法桐花粉主要變應(yīng)原進(jìn)行了表達(dá)、純化及免疫印記鑒定。
大量研究表明,影響外源基因表達(dá)效率的重要因素為密碼子偏愛性、mRNA穩(wěn)定性、翻譯起始效率和載體選擇等[16]。密碼子的偏愛性研究在近年來(lái)成為熱點(diǎn),如果目的基因的密碼子與表達(dá)宿主不匹配,則會(huì)降低mRNA的翻譯效率和穩(wěn)定性,甚至?xí)斐蒻RNA翻譯的提前終止[17]。本課題通過(guò)密碼子優(yōu)化使GC含量由44.3%變?yōu)?7.6%,在翻譯起始區(qū)盡量選用最優(yōu)密碼子,并且充分考慮RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),使起始翻譯區(qū)處于線性開放結(jié)構(gòu),這樣使蛋白質(zhì)翻譯更容易進(jìn)行。
本課題收集法桐花粉變應(yīng)原皮試過(guò)敏患者血清18例,利用ImmunoCAP檢測(cè),9名患者血清法桐花粉變應(yīng)原特異性IgE抗體檢測(cè)均在二級(jí)以上,利用純化后的外源目的蛋白與這9名法桐花粉過(guò)敏血清進(jìn)行免疫印記實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示有5例發(fā)生陽(yáng)性反應(yīng),陽(yáng)性反應(yīng)率超過(guò)50%,經(jīng)免疫印跡鑒定為法桐花粉主要變應(yīng)原蛋白,并且證明該外源重組蛋白具有相應(yīng)的抗原性。
隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用基因工程制備重組花粉主要變應(yīng)原用于變態(tài)反應(yīng)性疾病的臨床診療和研究已成為變態(tài)反應(yīng)學(xué)科的發(fā)展方向之一。重組變應(yīng)原具有純度高、產(chǎn)量高、易于標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)外源性毒性物質(zhì)和病原微生物污染的優(yōu)勢(shì)。體外試驗(yàn)及皮膚試驗(yàn)的結(jié)果均表明,大部分基因重組變應(yīng)原的變應(yīng)原活性與天然變應(yīng)原相當(dāng)[18]。構(gòu)建含有變應(yīng)原編碼基因的重組質(zhì)粒,表達(dá)出有功能活性的重組變應(yīng)原是臨床診斷和治療過(guò)敏性疾病的需要,也將為深入研究變應(yīng)原分子結(jié)構(gòu)和致病機(jī)制提供材料。本課題工作為后續(xù)低致敏過(guò)敏原的改造及變應(yīng)原核酸疫苗的獲得奠定基礎(chǔ)。
致謝:本實(shí)驗(yàn)在廣州醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院,呼吸疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,變態(tài)反應(yīng)研究室,過(guò)敏反應(yīng)與臨床免疫重點(diǎn)研究室完成,感謝實(shí)驗(yàn)室老師、同學(xué)對(duì)我的幫助、支持。
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