《华南农业大学学报》征稿简约
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狂犬病(Rabies)是由狂犬病病毒(Rabies virus,RABV)感染引起的一种人兽共患中枢神经系统传染病,人类及所有的温血动物均易感,病死率几乎达100%[1]。现今狂犬病仍呈全球性流行,90%以上分布在亚洲和非洲,对公众健康安全构成严重威胁[2-3]。固有免疫是机体抵抗外来病原入侵的第一道防线,RABV感染激活宿主固有免疫主要是通过维甲酸诱导基因I(Retinoic acid induced gene I,RIG-I)识别病毒5'−三磷酸化的基因组RNA或者转录前导RNA链(Leader RNA),从而诱导I型干扰素(Type I interferon,IFN-I)通路的活化,发挥抵抗RABV的作用[4];IFN-I系统对于机体抗RABV感染起着非常重要的作用,敲除IFN-I受体的小鼠对RABV感染的敏感性增加[4];也有研究显示,敲除Toll样受体7(Toll-like receptor 7,TLR7)或者其下游关键接头分子MyD88(Myeloid differentiation primary response protein 88)的小鼠对于某些中强毒力RABV的保护力显著下降,说明TLR7介导的IFN-I途径也在抗RABV中发挥重要作用[5-6]。但是,RABV也进化出了拮抗IFN-I作用的方式[7]。一方面,RABV的磷蛋白(Phosphoprotein,P)能够与TBK-1(TANK-binding kinase 1)相互作用,阻断IRF3(Interferon regulatory factor 3)的磷酸化,阻断其二聚化以及核转移,从而抑制IFN-I的产生[8]。另一方面,P蛋白还能与激活后的STAT1/2(Signal transducer and activator of transcription 1/2)相互作用,阻止它们的核转移进而抑制下游干扰素刺激基因(IFN-stimulated genes,ISGs)的表达[9]。另外,RABV的核蛋白(Nucleoprotein,N)在一定程度上也可以通过抑制IRF3激活的方式,抑制下游IFN-I基因的表达。因此,通过改变N基因序列可达到减弱病毒毒力的效果[10]。但是,对病毒致病力起关键作用的糖蛋白(Glycoprotein,G)是否在调节或对抗IFN-I途径中发挥着作用?其在RABV抵抗IFN-I通路作用中扮演着什么样的角色?这些问题在目前的研究中都极少涉及。为了探究上述相关问题,我们利用RABV的反向遗传操作系统将弱毒Hep-Flury的G基因替换成CVS-11的G基因,拯救出重组病毒HepG,分别研究弱毒株Hep-Flury、攻毒固定毒株CVS-11和HepG在体内和体外感染对IFN-I通路激活和调控的差异,并对比分析它们在神经细胞中对抗IFN-I抗病毒作用的差异,拟阐释不同RABV的G蛋白与IFN-I通路的相互作用。
1. 材料与方法
1.1 病毒毒株及试验动物
RABV疫苗弱毒株Hep-Flury及致病固定毒株CVS-11由华南农业大学兽医学院兽医微生物学实验室保存。6周龄SPF级雌性昆明系(KM)小白鼠购自南方医科大学实验动物中心,其狂犬病病毒血清、抗体检测均为阴性,健康状况良好,在严格的饲养管理条件下进行试验。所有动物试验均在华南农业大学兽医学院动物生物安全三级(ABSL-3)实验室完成,所有试验程序和条件均遵守《中华人民共和国实验动物管理条例》,并通过了华南农业大学动物福利委员会审查。
1.2 细胞株及培养
细胞株:乳仓鼠肾细胞(BHK-21)、人神经母细胞瘤细胞(SK-N-SH)、小鼠神经母细胞瘤细胞(Neuro-2a)。其中,BHK-21、SK-N-SH培养于含10%(φ)FBS的DMEM培养基,Neuro-2a细胞培养于含10%(φ)FBS的RPMI-1640培养基,所有细胞均置于37 ℃、5%(φ)CO2细胞培养箱中培养。
1.3 重组毒株HepG的构建及拯救
利用基于Hep-Flury基因组骨架的反向遗传操作系统及无缝连接技术将弱毒株HEP-Flury的G基因替换成强毒的CVS-11的G基因,构建并拯救出重组毒株HepG,如图1所示。
在含Hep-Flury基因组全长cDNA的pHEP-3.0质粒的合适位置设计2对引物(表1),以pHEP-3.0为模板进行PCR,得到L片段和C区段(C区段包括N、P和M基因)。在CVS-11的G基因位置设计1对引物(表1),以CVS-11 cDNA为模板进行PCR,扩增G基因片段。以上引物均在相应的连接区设计15~20 bp的重叠序列。将上述3个片段扩增回收,利用无缝连接试剂盒(Vazyme)进行连接反应,筛选得到G基因替换的重组质粒pHepG。质粒转染及病毒拯救方法参照郭霄峰等[11],利用SuperFect Transfection Reagent(Qiagen)将pHepG和4个辅助质粒pH-N、pH-P、pH-L、pH-G共转染到BHK-21细胞中,培养6 d后,筛选并鉴定出重组病毒,全程以pHEP-3.0及辅助质粒拯救Hep-Flury作为阳性对照。
表 1 HepG构建的引物序列Table 1. Primer sequences for construction of HepG基因片段
Gene segment引物序列(5′→3′)
Primer sequenceHEP-L F: AGGCCGGTCATCCTTTTGACACCTCAAGTCCAGA R: ATTTTAGCATGTACAGGCTTTCATTAATGTCCGGC HEP-C F: GCCTGTACATGCTAAAATTCTTGTAYGATGCATCTTG R: CTTTCCTTAAGTCTTTTGAGGGATGTTAATAGTTTT CVS-G F: CAAAAGACTTAAGGAAAGATGGTTCCTCAGGTTCTT R: CAAAAGGATGACCGGCCTTCACAGTCTGATCTCACCT 1.4 直接免疫荧光法测定病毒滴度
将狂犬病病毒分别倍比稀释(10−1~10−8)并与BHK-21细胞混合后,铺于96孔细胞培养板中,每个稀释度重复4孔。在37 ℃、5%(φ)CO2培养箱中培养48 h。弃去细胞培养液,每孔加入预冷丙酮100 μL,然后将培养板放置于−20 ℃冰箱静置1 h。弃去丙酮,用200 μL PBS洗3遍。每孔避光加入25 μL抗RABV的N蛋白荧光抗体(Fujirebio),于37 ℃条件下孵育1 h。弃去荧光抗体,用200 μL PBS洗涤细胞3次。在荧光显微镜下观察并计数,按照Reed-Muench法计算病毒滴度。
1.5 RT-qPCR测定小鼠脑内的病毒载量及宿主基因表达量
1.5.1 RABV滴鼻接种小鼠
将RABV Hep-Flury、HepG、CVS-11分别对6周龄的SPF级KM小鼠进行滴鼻攻毒(每只小鼠105 FFU),每组10只小鼠。同时滴鼻DMEM为空白对照,每天观察小鼠状态并称量体质量。
1.5.2 小鼠的心脏灌流
为了排除血液中的细胞因子对检测小鼠脑组织中细胞因子的干扰,在取鼠脑之前对小鼠进行心脏灌流。攻毒后第4、7、10天分别从各试验组和对照组中取3只小鼠,麻醉后,进行活体心脏灌流。
1.5.3 鼠脑采集
小鼠心脏灌流完成后,在生物安全柜内取出完整鼠脑,放入无RNA酶的1.5 mL EP管中。对鼠脑进行编号、标记并称质量,加入适量的Trizol溶液进行研磨处理。
1.5.4 鼠脑总RNA的抽提及反转录
利用HiPure Universal RNA Kits (Magen)试剂盒抽提鼠脑样品总RNA,在抽提时加入DNase I去除基因组DNA污染。用NanoDrop 2000c微量分光光度计测定RNA浓度和纯度。取等质量的RNA进行反转录,按HiScript® II 1st Strand cDNA Synthesis Kit (Vazyme)反转录试剂盒说明书进行操作,引物为Oligo (dT)23和Random hexamers。
1.5.5 RT-qPCR
根据各检测基因的序列设计特异引物(表2),以GADPH为内参基因。使用AceQ qPCR SYBR Green Master Mix (Vazyme)荧光定量试剂盒进行RT-qPCR。反应结束后,对所有靶基因与内参基因GAPDH作均一化处理以消除试验误差,各基因转录水平通过2−ΔΔCt方法计算得出,表达倍数计为各组中不同基因的转录值与未感染细胞(Mock)组转录值的比值。各个样本靶基因的表达差异分析由GraphPad 5.0软件完成。显著性差异按双因素方差分析(Two-way ANOVA)法计算,以P<0.05、0.01、0.001记为差异显著。
表 2 RT-qPCR检测引物Table 2. Primers used for RT-qPCR基因
Gene上游引物序列(5′→3′)
Forward primer sequence下游引物序列(5′→3′)
Reverse primer sequenceRABV genome GACAGCGTCAATTGCAAAGCAAAAAT GGGTACTTGTACTCATATTGATCCACGAT N GCACTGGCAGATGACGGAAC TCGGCGAATGAGTTTGGACG Leader RNA TGTAGGGGTGTTACATTTTT ACGCTTAACAACAAAACC Cxcl10 TCCATATCGATGACGGGCCA CAACACGTGGGCAGGATAGG Dhx58 CCAGAGCACACACATGACCC CCATAGCGCACCACCACATT IFN-α4 AGCCTGTGTGATGCAGGAACC CAGCAAGTTGGTTGAGGAAGAG IFN-κ TGGAGTTGGGCAAGTATTTCTTC GGACTTGGAAAATATAATGAAACATCTTC IFN-β ACCTACAGGGCGGACTTCAA ACACTGTCTGCTGGTGGAGT IFN-γ TCAGCAACAGCAAGGCGAAA ATTGAATGCTTGGCGCTGGA IL6 TGCCTTCTTGGGACTGATGC GACAGGTCTGTTGGGAGTGGT IRF3 TCAGGATCCCGTGGAAGCAT TGACACGTCCGGCTTATCCT IRF7 ACTGGCTATTGGGGAGGTC ACGACCGAAATGCTTCCAGG ISG15 GACGCAGACTGTAGACACGC TTAGGCCATACTCCCCCAGC MDA5 GAGCACCTACGCACTTTCCC CCACCGTCGTAGCGATAAGC MyD88 TCATGTTCTCCATACCCTTGGT AAACTGCGAGTGGGGTCAG RIG-I CCTTGATTGCCCTGATGTTG ATTTCTCCCTGTCCCTCCAA RNF125 GGCGCACATAAGGACCTGTG TCATCCAGTTCCCGCTGACA TLR3 GTGAGATACAACGTAGCTGACTG TCCTGCATCCAAGATAGCAAGT TLR7 TCTTTGGGTTTCGATGGTTTCC GCAGTCCACGATCACATGGG TLR9 ATGGTTCTCCGTCGAAGGACT GAGGCTTCAGCTCACAGGG GAPDH AGAGTGTTTCCTCGTCCCGT CTGTGCCGTTGAATTTGCCG 1.6 病毒感染Neuro-2a细胞后IFN-I通路相关基因转录水平检测
将Hep-Flury、HepG和CVS-11病毒以相同的感染复数(MOI=3)感染6孔板中的Neuro-2a细胞,同时设置未接毒的Neuro-2a细胞为空白对照。接毒后6、12、24、48 h,在每孔细胞加入1 mL Trizol溶液处理并抽提RNA。利用上述RT-qPCR检测病毒的载量及IFN-I通路相关基因的表达水平。
1.7 IFN-I通路的激活对病毒复制的影响
将Neuro-2a和SK-N-SH细胞接种至直径为3.5 cm的细胞培养板中,细胞贴壁后用无血清培养基洗1遍,然后每板细胞利用脂质体转染50 ng的Poly(I:C),孵育6 h。之后弃去Poly(I:C)和培养基的混合液,用无血清的培养基洗3遍,以MOI=3接种不同RABV毒株。分别于接毒后1、2、3、4及5 d收集病毒培养上清液120 μL,测定上清液中病毒滴度。
2. 结果与分析
2.1 HepG病毒的拯救
将扩增得到的C、L片段和CVS-11 G基因(图2)回收后,进行无缝连接和重组质粒筛选,进一步利用Hep-Flury反向遗传操作系统拯救出重组病毒HepG(图3)。
将CVS-11、Hep-Flury和HepG滴鼻感染小鼠(105 FFU),CVS-11和HepG分别在第8天和第10天100%致死小鼠,试验小鼠均呈现麻痹型的狂犬病症状(图4),说明G蛋白对病毒的致病力起着关键作用。感染Hep-Flury的小鼠在感染第10天出现明显的体质量下降,之后第14天体质量开始回升,出现耸毛、弓背等症状,但16 d后逐渐恢复正常,所有小鼠均成活(图4)。
2.2 各病毒感染鼠脑内的病毒载量及IFN-I通路相关基因转录水平的变化
2.2.1 各病毒滴鼻感染鼠脑病毒载量及病毒基因表达变化
采用RT-qPCR分别检测Hep-Flury、HepG、CVS-11滴鼻感染鼠脑后第4天和第7天N、G基因,leader RNA和病毒基因组RNA的含量。
滴鼻感染小鼠后第4天,Hep-Flury、HepG和CVS-11在鼠脑中的整体复制水平比较低,CVS-11的基因组水平最高(图5A),而对于leader RNA、N和G基因的转录水平,Hep-Flury显著高于CVS-11 (P<0.05、P<0.01、P<0.05)(图5B~5D)。在感染第7天,CVS-11的复制程度超过Hep-Flury约4 000倍(P<0.001);HepG的复制水平及基因转录水平介于Hep-Flury和CVS-11之间(图5A)。在感染中后期,HepG和CVS-11的复制量大大增加,感染7 d后小鼠开始发病,10 d内全部死亡;Hep-Flury在脑内的总体复制水平较低,小鼠感染后不死亡(图5B~5D)。
2.2.2 各病毒感染鼠脑诱导IFN-I通路相关基因的表达
小鼠感染Hep-Flury、HepG和CVS-11后,利用RT-qPCR检测小鼠中枢神经系统中IFN-I通路相关分子的表达水平变化。
结果表明,在病毒感染的第4天,IFN-I通路上游基因RIG-I、MDA5、Dhx58以及下游基因ISG15、IL6均在Hep-Flury感染后有较高水平的表达(图6A~6C、6G和6H),HepG感染后对这些基因的激活水平处于Hep-Flury和CVS-11之间。在病毒感染后第7天,上述基因及TLR3在CVS-11和HepG感染后的激活水平显著高于Hep-Flury(图6A~6D、6F~6H)。另外,IRF3则在3种毒株的不同感染时间都没有显著的表达变化(图6E)。结果说明,弱毒Hep-Flury能够更早地激活IFN-I通路,而致病毒株CVS-11则在感染后期大大刺激IFN-I通路相关基因表达。HepG感染后对IFN-I通路相关基因的激活水平介于Hep-Flury和CVS-11之间,暗示着在RABV感染中枢神经系统中不同G基因对于IFN-I通路的激活具有一定的调节作用。
RT-qPCR检测不同RABV毒株感染后鼠脑中各IFN基因的表达变化,发现IFN-α4/β/γ/κ这4个基因在3种病毒感染的第4天表达量均较低,各毒株间无显著差异(图7A~7D),但在HepG和CVS-11感染后第7天诱导的IFN-α4/β/γ基因表达量显著超过了Hep-Flury,其中IFN-γ的表达水平上调最显著(图7C)。而IFN-κ则只在CVS-11感染后第7天显著上调(图7D)。
2.3 RABV感染Neuro-2a细胞对IFN-I通路相关基因转录水平的影响
为了研究Hep-Flury、HepG和CVS-11在感染体外细胞后,IFN-I通路相关基因表达量的变化,我们测定了它们感染(MOI=3)Neuro-2a细胞后的一步生长曲线,并利用RT-qPCR检测感染后6、12、24和48 h IFN-I通路上游和下游分子的表达情况。
不同RABV毒株感染Neuro-2a细胞时,病毒滴度均在感染后第3天达到峰值,CVS-11和HepG的滴度较高,超过了107 FFU/mL,Hep-Flury的滴度较低,接近106 FFU/mL,之后下降较快(图8)。 IFN-I通路上游因子TLR3、RIG-I和IRF7在RNBV感染后6 h即被激活表达,且被Hep-Flury和HepG感染激活的水平显著高于CVS-11(图9A、9E、9F),而TLR9在HepG感染后12 h和24 h有较高水平的表达(图9C)。MyD88则在Hep-Flury的感染后期(48 h)有显著的上调表达,在HepG和CVS-11感染细胞中的表达差异不显著(图9D)。TLR7在3种病毒感染的不同时间均未有激活表达(图9B)。结果表明,相较于CVS-11,Hep-Flury和HepG感染Neuro-2a细胞能够通过激活TLR3和RIG-I相关的通路,更强地激起体外神经细胞的IFN-I通路反应,HepG感染的激活强度相较Hep-Flury更弱一些。
图 9 RABV感染Neuro-2a细胞对IFN-I通路上游基因表达的影响“*”“**”“***”分别表示在 P<0.05、 P<0.01、 P<0.001水平差异显著(t检验)Figure 9. Effect of RABV infection on expression of upstream genes of IFN-I pathway in Neuro-2a cells“*”, “**” and “***” indicate significant differences at P <0.05, P <0.01 and P <0.001 levels, respectively (t test)Hep-Flury和HepG感染Neuro-2a细胞后6 h即能快速地激活IFN-α4及下游基因CXCL10和ISG15的表达,在激活能力上,Hep-Flury略强于HepG(图10A、10C、10D)。较为特殊的是,在感染后48 h,只有HepG未上调IFN-β的表达(图10B)。
图 10 RABV感染Neuro-2a细胞对IFN-I通路下游基因表达的影响“*”“**”“***”分别表示在 P<0.05、 P<0.01、 P<0.001水平差异显著(t检验)Figure 10. Effect of RABV infection on expression of downstream genes of IFN-I pathway in Neuro-2a cells“*”, “**” and “***” indicate significant differences at P <0.05, P <0.01 and P <0.001 levels, respectively (t test)2.4 IFN-I通路的激活对3种RABV复制的影响
为了检测体外细胞IFN-I通路激活对不同RABV毒株复制的影响,我们在病毒感染前6 h先用Poly(I:C)刺激神经细胞激活其IFN-I通路,之后再分别接种Hep-Flury、HepG、CVS-11 (MOI=3),在不同时间测定病毒滴度。从感染Neuro-2a和SK-N-SH的不同RABV复制动力学曲线(图11)可以看出,2种神经细胞在经Poly(I:C)处理后,对Hep-Flury复制的影响较为显著,病毒增殖滴度在早期下降明显,到了第4天和第5天影响减小,说明IFN-I对Hep-Flury接毒后前3天复制的抑制作用较强。CVS-11和HepG在感染Poly(I:C)刺激的Neuro-2a的前2天受到一定程度的抑制,之后回升到正常水平(图11A)。而在SK-N-SH上,CVS-11和HepG对于Poly(I:C)的刺激均不敏感,病毒复制几乎没有受到影响(图11B)。综合来看,2种神经细胞在预先用Poly(I:C)处理之后,能够较显著地抑制Hep-Flury的复制,而对替换了G基因的HepG的影响较弱,从一定程度上说明CVS-11的G基因具有抵抗IFN-I通路作用的能力。
图 11 Poly(I:C)处理体外神经细胞对RABV复制的影响“*”表示相同RABV毒株感染Poly(I:C)处理和未处理细胞在P<0.05水平差异显著(t检验)Figure 11. Effect of Poly(I:C) treatment on the replication of RABV for in vitro nerve cells“*” indicates significant differences between Poly(I:C) treated and untreated cells infected with the same RABV strain at P<0.05 level (t test)3. 讨论与结论
我们前期的研究结果表明弱毒Hep-Flury滴鼻感染小鼠能够更早(感染后第4天)、更强地激活IFN-I相关基因表达,而致病毒株CVS-11则在感染后第7天强烈地激活IFN-I相关基因表达[12]。为了探讨这2种毒株携带的G基因是否在调节IFN-I通路的作用上有差异,本研究将Hep-Flury的G基因替换成CVS-11的G基因,拯救出重组毒株HepG,分别在小鼠和细胞水平分析不同毒株感染对IFN-I通路相关基因表达调控的影响。结果显示,Hep-Flury在感染后够较快地诱导IFN-I上游基因的表达,重组病毒HepG感染鼠脑激活这些基因的表达水平介于亲本株Hep-Flury和CVS-11之间。这些结果说明不同毒株的G蛋白对于病毒感染激活IFN-I通路的程度具有一定的调节作用。已有研究表明,RABV感染激活宿主IFN-I通路的主要成分是病毒的基因组或转录出的leader RNA[13-15],本研究发现在病毒感染后第4天,弱毒Hep-Flury的基因组含量虽然比CVS-11少,但其转录出的leader RNA较多。因此,我们推测leader RNA对IFN-I的诱导能力可能比病毒基因组强,这使得Hep-Flury能够在感染后第4天较强地激活IFN-I通路。有文献报道RABV的G蛋白与病毒leader RNA的转录相关[14],据此推测,Hep-Flury的G蛋白也许在一定程度上能够较早地调控转录出leader RNA,使其更强地激活IFN-I通路。这种调控的具体机制还需要进一步研究。在感染后第4天,我们检测到3种毒株对IFN-α4/β/γ/κ这些基因的刺激都不显著,而在感染后第7天,CVS-11和HepG较显著地上调IFN-α4/β/γ,从而推测在感染早期, Hep-Flury虽然激活了IFN-I通路的上游基因,但受到了病毒P蛋白的抑制作用,使得IFN基因的表达未受到明显诱导,到了感染后期,由于CVS-11和HepG在脑内大量地增殖,产生的病毒基因组及leader RNA强烈诱导IFN-I通路,而使得P蛋白无法完全抑制该通路,导致了IFN-α4/β/γ的明显上调。
不管是RABV弱毒株还是致病株都能在鼠脑中激活IFN-I通路相关基因的表达,但它们的复制水平有显著差异,致病株CVS-11在感染后第7天鼠脑内病毒载量约是Hep-Flury的4 000倍。这表明中枢神经系统的IFN-I通路虽然被激活了,但其在对抗致病毒株的能力上似乎受到了限制。为了探究携带不同G基因的RABV在神经细胞中抵抗IFN-I作用的差异,我们预先用Poly(I:C)诱导激活神经细胞Neuro-2a和SK-N-SH的IFN-I通路,再测定3种病毒的复制水平,发现Hep-Flury在感染早期受到IFN-I通路的抑制最为明显,而CVS-11和HepG的复制只略微受到了影响。这些结果说明,CVS-11以及携带其G基因的HepG在神经细胞中具备较好的抵抗IFN-I作用的能力。这也从一个侧面解释了CVS-11和HepG在鼠脑内诱导激活IFN-I通路却依然能够高水平复制的原因。
综上所述,我们推测弱毒株Hep-Flury在感染早期,其G蛋白能够通过某种方式调控leader RNA较高水平地表达,从而较强地诱导IFN-I通路,有效地抑制病毒的复制。而致病毒株较晚诱导IFN-I通路,后期虽然IFN-I通路被强烈激活,但其G蛋白能够在神经细胞中有效地抵抗IFN-I的作用,因此,病毒依然能在脑中大量繁殖。关于致病株的G蛋白如何在神经细胞中抵抗IFN-I作用的疑问尚需更深入的研究进行阐释。
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期刊类型引用(2)
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