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豬瘟病毒抗原表位的研究進(jìn)展

2017-01-18 07:27孫永芳張乾義
中國獸醫(yī)雜志 2017年7期
關(guān)鍵詞:表位抗原單抗

孫永芳 , 徐 璐 , 張乾義 , 王 琴

(中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所 , 北京海淀100081)

豬瘟病毒抗原表位的研究進(jìn)展

孫永芳 , 徐 璐 , 張乾義 , 王 琴

(中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所 , 北京海淀100081)

豬瘟病毒(CSFV)是黃病毒科瘟病毒屬成員,為單股正鏈RNA病毒,病毒核酸長約為12.3 kb,由5′-非編碼區(qū)(5′-UTR)、一個開放閱讀框(ORF)和3′-非編碼區(qū)(3′-UTR)構(gòu)成,開放閱讀框編碼 3 898 個氨基酸的前體蛋白,在合成過程中被病毒自身編碼的或宿主細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶水解為4種結(jié)構(gòu)蛋白和8種非結(jié)構(gòu)蛋白,迄今為止發(fā)現(xiàn)與抗原相關(guān)的蛋白有3種,分別為結(jié)構(gòu)蛋白Erns、E2和非結(jié)構(gòu)蛋白NS3。CSFV的主要抗原表位主要分布于結(jié)構(gòu)蛋白Erns、E2,可以刺激機(jī)體產(chǎn)生中和抗體;已有研究發(fā)現(xiàn)[1],非結(jié)構(gòu)蛋白NS3也是一種抗原相關(guān)蛋白,能夠誘導(dǎo)抗體的產(chǎn)生,且在病毒復(fù)制及病毒與宿主細(xì)胞相互作用中扮演了十分重要的角色。

抗原并不是通過完整的分子來發(fā)揮作用的,其功能和特異性往往是通過其抗原表位來實(shí)現(xiàn)的,免疫細(xì)胞通過識別與結(jié)合抗原分子上的抗原表位來啟動免疫應(yīng)答,CSFV抗原相關(guān)蛋白中含有多種表位,其中包括與相應(yīng)的淋巴細(xì)胞表面的抗原受體結(jié)合,激活淋巴細(xì)胞從而引起免疫反應(yīng),也包括與相應(yīng)的抗體或致敏淋巴細(xì)胞發(fā)生特異性結(jié)合而發(fā)揮免疫效應(yīng),因此研究CSFV抗原表位對明確病毒的免疫機(jī)制、致病機(jī)理以及疫苗的設(shè)計具有重要的意義。本文就上述3種相關(guān)蛋白表位的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述,同時對其在疾病診斷、疫苗研發(fā)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

1 E2蛋白表位

CSFV E2蛋白位于病毒的囊膜表面,由ORF編碼的690(Arg)至1 060(Leu)之間的370個氨基酸殘基組成,分子量為51-58 kD,主要以同源二聚體或與E2-E1的異源二聚體形式存在于細(xì)胞或病毒粒子表面,靠近E2蛋白N端上游有一段信號肽序列,C端有一段約40個疏水性氨基酸構(gòu)成的跨膜區(qū)(TMR)。在CSFV編碼的蛋白中,E2是最不保守的一種蛋白,但卻是主要的抗原蛋白,參與病毒的感染過程并誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生中和抗體。E2蛋白作為CSFV主要保護(hù)性抗原,因此大量的表位研究也主要集中在CSFV E2基因上。從1989年Wensvoort等[2]就開始利用制備的13株CSFV特異性單克隆抗體完成了E2蛋白抗原結(jié)構(gòu)域的劃分,發(fā)現(xiàn)了4個獨(dú)立的抗原結(jié)構(gòu)域:A、B、C、D。后經(jīng)van Rijn[3]對E2抗原結(jié)構(gòu)模型的進(jìn)行預(yù)測,確定了這4個區(qū)域的位置,發(fā)現(xiàn)這些抗原結(jié)構(gòu)域主要位于E2蛋白近N端的1/2部分,處于兩個相對獨(dú)立的抗原結(jié)構(gòu)單位,一個由結(jié)構(gòu)域B和C組成,另一個由高度保守的A構(gòu)成。2000年Lin等[4]對CSFV Alfort株E2蛋白部分N端(690aa~910aa)進(jìn)行融合表達(dá),表達(dá)產(chǎn)物與單抗WH303進(jìn)行識別鑒定,確定了一個高度保守的線性表位(829aa~837aa:TAVSPTTLR),比對發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)在CSFV中高度保守,存在于所有CSFV毒株中,但在牛病毒性腹瀉病毒(BVDV)和羊邊界病毒(BDV)則變異較大,目前已有許多研究者應(yīng)用該表位進(jìn)行的疫苗研究[27-30]。劉思國等[5]從氨基酸的抗原性、親水性和表面可及性等方面應(yīng)用蛋白分析軟件,對CSFV疫苗株E2蛋白抗原表位進(jìn)行了預(yù)測,結(jié)合E2蛋白二級結(jié)構(gòu)分析,人工合成兩條多肽序列,與多種特異性單抗進(jìn)行反應(yīng)以及偶聯(lián)載體后免疫家兔,發(fā)現(xiàn)多肽WKEYNHDLQND(719aa~730aa)具有很好的反應(yīng)原性和免疫原性,并推測該表位可能是B細(xì)胞構(gòu)象型表位。隨著噬菌體肽庫的發(fā)展,Yu等[6]利用酵母表達(dá)的重組CSFV E2蛋白制備單抗,通過篩選靶基因表達(dá)文庫和噬菌體展示隨機(jī)肽庫,在E2蛋白C端發(fā)現(xiàn)一個瘟病毒屬保守性的線性表位YYEP(995aa~998aa),Dong等[7]通過構(gòu)建表位肽疫苗,通過動物實(shí)驗也證實(shí)了KNKYYEP(992aa~998aa)是CSFV石門株E2蛋白的一個抗原表位。肖昌等[8]利用抗E2蛋白單抗A11淘選噬菌體隨機(jī)12肽庫,發(fā)現(xiàn)單抗A11識別抗原表位為TTWKEYSH(717aa~724aa),位于E2蛋白的N端。Peng等[9]利用單抗HQ06進(jìn)行淘選噬菌體隨機(jī)12肽庫,發(fā)現(xiàn)LFDGTNP(772aa~778aa)是E2蛋白的一個線性B細(xì)胞表位。徐和敏等[10]構(gòu)建CSFV石門株和疫苗株E2基因噬菌體展示多肽庫,利用7株單抗進(jìn)行篩選,發(fā)現(xiàn)有3個表位存在高度同源性,其中TAVSPTTLR已經(jīng)證實(shí)為E2蛋白的抗原表位,GGQ(V)VK(887aa~891aa)和PDGLPHY(903aa~909aa)與預(yù)測表位一致,推測可能是E2蛋白的潛在抗原表位。目前本實(shí)驗室應(yīng)用肽芯片高通量篩選法鑒定特異性單抗的抗原表位,發(fā)現(xiàn)篩選結(jié)果與徐和敏篩選表位部分重疊,對其表位的精確定位正在進(jìn)一步鑒定之中。

為了進(jìn)一步了解E2蛋白的構(gòu)象表位,確定特殊氨基酸在抗原表位中的作用,van Rijn等[11-12]用點(diǎn)突變的方法將CSFV E2蛋白N端6個半胱氨酸(Cys)替換為絲氨酸(Ser),利用多種特異性單抗進(jìn)行反應(yīng),發(fā)現(xiàn)第693和737位Cys對E2蛋白B和C結(jié)構(gòu)域抗原表位是必需的,第792、818位和856位Cys對A和D區(qū)域的抗原表位是必需的。Chang等[13]對CSFV E2蛋白結(jié)構(gòu)域中所有Cys進(jìn)行了定點(diǎn)突變,構(gòu)建載體進(jìn)行表達(dá),發(fā)現(xiàn)CSFV E2蛋白的D/A結(jié)構(gòu)域和C端末端分別存在一個構(gòu)象表位,而且D/A區(qū)域中的Cys不僅影響與抗D/A區(qū)單抗的結(jié)合,還對抗C端蛋白的單抗結(jié)合有影響,說明這兩個表位之間在空間構(gòu)象上相鄰且相互作用。

2 Erns蛋白表位

Erns糖蛋白是由ORF編碼的268(Glu)至494(Ala)之間的227個氨基酸組成,存在9個潛在的糖基化位點(diǎn),分子量為44~48 kD, Erns沒有疏水的跨膜區(qū),通過非共價連接方式與病毒囊膜中的E2-E1二聚體蛋白或以疏水作用力與囊膜脂質(zhì)層結(jié)合在病毒粒子表面[14],在病毒囊膜上不穩(wěn)定,是可分泌蛋白,在CSFV感染的細(xì)胞上清、組織和血清中均能檢測到Erns蛋白。Erns作為CSFV的免疫糖蛋白,也能刺激機(jī)體產(chǎn)生中和抗體,被用于抗原表位載體的研究。Langeduk等[15]在CSFV Erns蛋白C端191aa~227aa處發(fā)現(xiàn)了一個抗原表位,該表位具有鑒別CSFV、BVDV、BDV的功能,利用該多肽可以對免疫豬和自然感染豬進(jìn)行鑒別診斷,王鈺璇等[16]通過原核表達(dá)也證實(shí)了該段多肽具有良好的抗原特異性。Lin等[17]通過對CSFV Alort/187株的Erns蛋白進(jìn)行分段表達(dá),發(fā)現(xiàn)位于332aa~412aa、351aa~427aa和376aa~487aa三個重疊區(qū)域能夠與抗CSFV全血清發(fā)生反應(yīng),說明這3個區(qū)間中存在抗原表位,且涵蓋了病毒的保守區(qū)和變異區(qū)。Meyer等[18]采用點(diǎn)突變和構(gòu)建重疊Erns肽庫的方法,利用抗Erns的單抗篩選表位,發(fā)現(xiàn)在CSFV Alfort/187株的一個抗原區(qū)域存在3個模擬表位,分別為TNYTCCKLQ(64aa~72aa),RHEWNKHGW(73aa~81aa),DPWIQLMNR(88aa~96aa)。到目前為止,人們對Erns蛋白的抗原表位研究較少,這是由于Erns蛋白雖然是一個比較保守的蛋白,但其暴露在囊膜外的部分為易變區(qū),因此Erns抗原表位的差異性較大,沒有發(fā)現(xiàn)一株抗Erns的單抗能夠識別所有的毒株,這為其研究增加了困難。

3 NS3蛋白表位

在不同瘟病毒之間以及同一瘟病毒的不同毒株之間,NS2/3裂解位點(diǎn)的切割程度變化很大,在CSFV中NS2/3呈不完全切割,出現(xiàn)NS2-3和NS3兩種形式,研究發(fā)現(xiàn),NS2-3是一種免疫優(yōu)勢蛋白[19],在感染動物體能均能發(fā)現(xiàn)抗NS2-3的抗體,但NS2-3抗體不具有病毒中和活性。已有研究發(fā)現(xiàn)[20],在CSFV 非結(jié)構(gòu)蛋白NS3與NS4A酶切位點(diǎn)附近(2 273aa~2 287aa)存在一個MCH-Ⅰ分子的T細(xì)胞表位(ENALLVALF),該表位能夠誘導(dǎo)細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)應(yīng)答,而且該表位在瘟病毒屬中高度保守。此后,Armemgol等[21]在NS2-3上也鑒定了一個T細(xì)胞表位,采用人工合成多肽的方法,橫跨CSFV 82%的氨基酸序列,進(jìn)行誘導(dǎo)特異性細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng),發(fā)現(xiàn)有一段肽段(KHKVRNEVMVHWFDD)與CSFV非結(jié)構(gòu)蛋白NS2-3 1 446~1 460位氨基酸殘基同源,而且該多肽可以誘導(dǎo)干擾素調(diào)節(jié)因子-γ(Interferon Regulatory Factor -γ,INF-γ)分泌,INF2-γ能夠刺激CD+4T和CD+8T 細(xì)胞應(yīng)答,在融細(xì)胞試驗中,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)CSFV特異性T淋巴細(xì)胞能夠融解含有該多肽的靶細(xì)胞,這說明該肽段上既存在CSFV特異的輔助性T細(xì)胞抗原表位,又含有CTL抗原表位,該表位可作為合成肽疫苗的候選區(qū)域,在黃病毒科其他病毒的表位研究中,也發(fā)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)蛋白NS3上存在T細(xì)胞表位,這與CSFV結(jié)果一致[22-24],這為深入了解CSFV NS3蛋白抗原表位提供了依據(jù),也為CSFV新型疫苗的研制提供思路。

4 豬瘟病毒抗原表位的應(yīng)用

抗原表位是蛋白質(zhì)抗原性的基礎(chǔ),研究抗原表位對設(shè)計具有免疫原性和中和活性的多肽、新型疫苗分子以及新型診斷試劑等具有重要意義,隨著抗原表位鑒定技術(shù)以及預(yù)測方法的不斷更新與完善,研究者對CSFV抗原表位研究也逐步深入,使得將表位應(yīng)用到疫苗研究、病毒診斷以及鑒定特異性抗體等方面成為可能。

4.1 檢測診斷 抗原表位是激發(fā)免疫反應(yīng)的基本單元,使用特異性的抗原表位或其復(fù)合物作為抗體或細(xì)胞因子的檢測物,可檢測出特異的免疫成分,提高診斷的特異性,而且使用多種特異表位作為檢測抗原也可提高診斷方法的敏感性,目前已有許多研究者制備特異性的單抗用于抗原或抗體的檢測,而且成果顯著。張富強(qiáng)等[25]基于單抗、抗原表位的特異性和噬菌體模擬表位的放大效應(yīng),以單抗作為包被抗體,以噬菌體模擬表位為競爭指示劑,以抗M13噬菌體主要蛋白的特異性抗體為檢測抗體,建立了用于CSFV抗原檢測的競爭ELISA,在76份臨床樣品檢測中,該方法較國際標(biāo)準(zhǔn)抗原捕捉ELISA具有更高的敏感性,可作為CSFV抗原常規(guī)檢測方法應(yīng)用。Li等[26]使用pET表達(dá)系統(tǒng)將CSFV E2蛋白部分抗原表位和Erns蛋白部分抗原表位作為嵌合蛋白進(jìn)行原核表達(dá),制備豬瘟抗體膠體金快速檢測試紙,用該試紙對免疫后豬血清進(jìn)行抗體檢測,其敏感度為97.0%(65/67),特異性為100%(98/98),這與商品化ELISA試劑盒檢測結(jié)果相一致,符合率達(dá)93.5%,制備的試紙條能夠快速檢測免疫CSFV疫苗后豬體內(nèi)的抗體效價,具有一定的應(yīng)用價值。Fimme等[27]利用多肽懸浮芯片技術(shù),將CSFV E2蛋白線性表位(TAVSPTTLR)固定在磁珠上,從而來捕捉血清中特異性抗體,使用該方法對87份CSFV陽性血清以及BVDV和BDV陽性血清進(jìn)行反應(yīng),確定含有特異表位的芯片能夠與CSFV血清發(fā)生特異性反應(yīng),而不與其他瘟病毒屬進(jìn)行交叉反應(yīng),該方法可用于豬瘟病毒與其他瘟病毒之間的鑒別檢測。

4.2 疫苗研究 到目前為止,豬瘟兔化弱毒疫苗接種仍然是控制豬瘟的主要手段,但其惟一的缺陷是無法區(qū)分感染動物與免疫動物。隨著豬瘟根除計劃的推進(jìn),許多研究者開始致力于新型豬瘟疫苗的研制。研究者利用保守抗原表位TAVSPTTLR進(jìn)行了一系列的疫苗研究,將該表位與GST標(biāo)簽進(jìn)行融合表達(dá)[28]或人工合成表位肽并結(jié)合載體蛋白[29]來提高表位肽疫苗的免疫原性,免疫動物后均能產(chǎn)生特異性的中和抗體,但不能對動物產(chǎn)生完全保護(hù)。此后,Monso[30]和Guo等[31]構(gòu)建CSFV多表位分枝多肽系統(tǒng),將E2蛋白的B細(xì)胞表位和NS3蛋白的T細(xì)胞表位共同連接到一個賴氨酸“樹”上形成樹狀分枝結(jié)構(gòu),使免疫原性有所提高,但仍不能產(chǎn)生完全保護(hù)。Holinka等[32,33]通過轉(zhuǎn)座子篩選方法在CSFV Brescia株E1基因中插入Flag片段使病毒致弱,并以Flag為陽性標(biāo)記,突變單抗WH303對應(yīng)表位(TAVSPTTLR)為陰性標(biāo)記,動物實(shí)驗結(jié)果顯示,免疫該標(biāo)記疫苗后,豬體內(nèi)產(chǎn)生較高滴度的抗Flag抗體,而改造后疫苗免疫后不產(chǎn)生與TAVSPTTLR表位相應(yīng)的抗體,并保護(hù)豬免受豬瘟強(qiáng)毒的感染,這說明該毒株是一種具有潛力的雙標(biāo)記疫苗,可用于豬瘟病毒的預(yù)防和檢測。

4.3 其他應(yīng)用 病毒載體疫苗利用載體容量大的特性,可以研制多聯(lián)疫苗,實(shí)現(xiàn)一針防多病的目的,是新型豬瘟疫苗的主要研究方向,目前用于豬瘟疫苗研究的載體主要包括痘病毒、偽狂犬病病毒、豬腺病毒和牛流行性腹瀉病毒等載體,應(yīng)用這些載體已成功研制出一些疫苗,但往往出現(xiàn)免疫效果不理想,免疫應(yīng)答遲緩,存在潛在的基因交換的風(fēng)險等問題,因此研究人員仍在繼續(xù)尋找合適的載體用于疫苗的研究,Zhu等[34]分別將PRRSV全部ORF5和CSFV E2蛋白部分抗原表位插入到致弱的腦心肌炎病毒(Encephalomyocarditisviruses,EMCV)中,構(gòu)建重組病毒,其表達(dá)產(chǎn)物是部分PRRSV囊膜蛋白GP5和CSFV中和抗原表位與EMCV蛋白相連,免疫小鼠檢測產(chǎn)物的免疫原性,發(fā)現(xiàn)小鼠可以產(chǎn)生抗PRRSV或抗CSFV的中和抗體,這說明EMCV可以作為一個表達(dá)載體或工具用于新型疫苗的研究。Zhang等[35]利用將豬圓環(huán)病毒Ⅱ型(porcinecircovirustype2,PCV-2)核心蛋白核定位信號(nuclear location signal,NLS)替換成外源蛋白而形成病毒樣顆粒(Virus-like particles,VLPs),分別將CSFV T細(xì)胞表位(1 446aa~1 460aa)、B細(xì)胞表位(693aa~716aa)和兩表位相連進(jìn)行替換,,對重組基因進(jìn)行桿狀病毒表達(dá),間接ELISA和Western-Blot驗證抗原表位,免疫小鼠進(jìn)行免疫原性評估,結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種模擬核心蛋白NLS形成VLPs,并且誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生有效的抗PCV-2和抗CSFV的體液免疫和細(xì)胞免疫,從而推測PCV-2 VLPs可用于抗原載體來傳遞外源表位,并且可制備成多價苗用于新型疫苗的研究。

5 小結(jié)

抗原表位作為抗原的重要組成部分,在誘導(dǎo)機(jī)體免疫應(yīng)答中發(fā)揮著重要的作用,而表位的確定不僅可以了解有關(guān)免疫反應(yīng)的眾多信息,為進(jìn)一步人工控制免疫反應(yīng)奠定基礎(chǔ),而且對藥物合成、疫苗設(shè)計等具有指導(dǎo)意義。近年來,研究者致力于CSFV抗原表位的研究,篩選出多個特異性CSFV表位,這使得為豬瘟疫苗的研發(fā)與診斷鑒定提供了理論依據(jù)。文章針對近年來CSFV抗原相關(guān)蛋白中抗原表位的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述,并對其在疾病診斷、疫苗研發(fā)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹,為研究學(xué)者深入了解CSFV免疫機(jī)理、致病機(jī)理及疫苗的研發(fā)提供了理論依據(jù),具有一定的參考價值。

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2017-04-11

國家自然科學(xué)基金項目(31372434)

孫永芳(1989-),女,碩士生,從事預(yù)防獸醫(yī)學(xué)研究,E-mail:17701023687@163.com

王琴,E-mail:wq551@vip.sina.com

S852.651

A

0529-6005(2017)07-0072-04

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