1 期王宏华, 等 : 病毒性出血性败血症病毒单链抗体的原核表达及其功能鉴定 129 E.coli BL21(DE3) 为本实验室保存 ; 杆状病毒表 达截短的 VHSV 病毒 G 蛋白 ( 分子量 49 ku) 由山东 省出入境检验检疫中心孙涛博士惠赠 ;pmd18- T 载体 Taq DNA 聚

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1 水 第 4 卷 第 1 期 216 年 1 月 产 学 报 Vol. 4, No. 1 JOURNAL OF FISHERIES OF CHINA 文章编号: 1 615(216) Jan., 216 DOI: /jfc 病毒性出血性败血症病毒单链抗体的原核表达及其功能鉴定 王宏华 1 侯竹美 2 张全启 1* 于海洋 1 王志刚 1 齐 洁 1 王旭波 1 (1. 中国海洋大学海洋生命学院 山东 青岛 青岛农业大学海洋科学与工程学院 山东 青岛 26619) 摘要 为制备病毒性出血性败血症病毒(VHSV)单链抗体(single chain variable fragment antibody ScFv)并鉴定其生物学功能 本研究提取抗VHSV单抗1G5的杂交瘤细胞株总 RNA并反转录获得cDNA模板 通过PCR扩增VHSV抗体的轻链可变区(VL)和重链可变区 (VH)编码序列 将其拼接成单链抗体ScFv基因后插入载体pET28a中 构建原核表达重组 质粒并在大肠杆菌中诱导表达 结果表明 单链抗体主要以可溶性形式表达 分子量约 28 ku 能 特 异 性 识 别 VHSV病 毒 的 G蛋 白 并 对 VHSV病 毒 具 有 体 外 中 和 活 性 其 对 VHSV病 毒 的 G蛋 白 亲 和 力 (KD)达 到 M 单 链 抗 体 ScFv的 制 备 为 进 一 步 研 究 VHSV的治疗性抗体 快速诊断试剂奠定了基础 关键词: 鱼 病毒性出血性败血症病毒 单链抗体 中图分类号: Q 785 S 941 文献标志码: A 病 毒 性 出 血 性 败 血 症 (viral hemorrhagic 3 端至5 端依次包含N-P(M1)-M2-G-NV-L 6个基 因 分别编码病毒的核蛋白 磷蛋白 基质蛋 白 糖蛋白 非结构蛋白和聚合酶蛋白 由于 尚缺乏相应的抗体 国内对VHSV病毒进行快速 检测的免疫学技术及预防监测方面的研究非常 缺乏 国标方法仍为细胞培养分离病毒结合中 和实验进行确诊 [8] 相对来说检测周期长且灵敏 度不高 本实验室在前期研究中通过杂交瘤技 术获得一株单抗1G5 可与VHSV病毒的所有基 因型(I II III和IV)反应 且对VHSV病毒有中 和作用 极具研究和应用价值 本研究克隆获 得了单抗1G5的单链抗体基因 并实现了其原核 表达 为下一步的抗体改造 诊断试剂开发等 提供了基础 septicemia VHS)是由病毒性出血性败血症病毒 (viral hemorrhagic septicemia virus VHSV)引起的 一种以暴发性流行为主的传染病 常引起多种 养 殖 鱼 类 如 虹 鳟 (Oncorhynchus mykiss) 牙 鲆 (Paralichthys olivaceus)和 大 菱 鲆 (Scophthalmus maximus)等发病 死亡率高达9% [1] 由于该病 在水产养殖中危害巨大 世界动物卫生组织 (Office International Des Epizooties OIE)将其列入 水生动物疫病名录 我国将其列为二类动物疫 病 均明确为必须申报的疫病 [2] 该病最早流行 于 欧 洲 一 些 国 家 [ 3 ] 1999年 扩 散 至 北 美 洲 [ 4 ] 2年后扩散至亚太地区 日本 [5] 韩国 [6] 和中 国 [7]均有该病确诊的报道 随着我国水产贸易的 比重在国际上的快速增加 病毒性出血性败血 症已对我国渔业生产形成巨大威胁 病毒性出血性败血症病毒(viral hemorrhagic septicemia virus VHSV)属弹状病毒科 (Rhabdoviridae) 直径65 8 nm 有囊膜 基因 组为一段负义链的单链RNA 长度约12 kb 从 收稿日期 修回日期: 资助项目 国家 八六三 高技术研究发展计划(211AA1A42) 通信作者 张全启 qzhang@ouc.edu.cn 材料与方法 实验材料 VHSV病毒 CHSE-214细胞 VHSV中和单 抗细胞株1G5 质粒pET28a (+) E.coli DH5α和

2 1 期王宏华, 等 : 病毒性出血性败血症病毒单链抗体的原核表达及其功能鉴定 129 E.coli BL21(DE3) 为本实验室保存 ; 杆状病毒表 达截短的 VHSV 病毒 G 蛋白 ( 分子量 49 ku) 由山东 省出入境检验检疫中心孙涛博士惠赠 ;pmd18- T 载体 Taq DNA 聚合酶 T 4 DNA 连接酶 限制 性内切酶 BamH I Hind III 购自大连宝生物工程 公司 ;RNA 提取试剂盒 cdna 合成试剂盒 质 粒提取及回收试剂盒为天根公司产品 ;HRP 标记 抗 His 单克隆抗体为北京华大蛋白公司产品 ; PCR 引物合成与序列测定由南京金斯瑞生物工程 公司完成 1.2 RNA 的抽提与 cdna 的合成 将 VHSV 中和单抗 1G5 杂交瘤细胞培养至最 佳生长状态, 用 RNA 提取试剂盒提取细胞总 RNA, 以总 RNA 为模板, 随机引物为反转录引 物, 反转录合成第一链 cdna, 冻存备用 1.3 VH 和 VL 基因的扩增 根据鼠源单克隆抗体重链和轻链可变区基因 [9] 的特点, 结合苗向阳等的方法, 设计如下扩增 引物, 其中 VH-F 引物加入 BamH I 酶切位点,VL- R 引物加入 Hind III 酶切位点 ( 表 1) 引物 primer VH-F VH-R VL-F VL-R 以杂交瘤细胞 cdna 为模板, 分别进行抗体 VL VH 基因的扩增 PCR 反应体系为 5 µl, 模 板 cdna 4 µl,1 Taq buffer 5 µl,dntp 4 µl, H 2 O 34 µl, 正 / 反向引物各 1 µl,taq DNA 聚合 酶 1 µl PCR 程序 :94 C 预变性 5 min,94 C 变 性 3 s,55 C 退火 3 s,72 C 延伸 4 s,3 个循 环 ; 最后 72 C 延伸 1 min 琼脂糖电泳鉴定 PCR 产物并回收 表 1 单抗可变区基因 PCR 引物 Tab. 1 Primers for mabs V gene 核酸序列 nucleotide sequence cgcggatccsaggtsmagctgcagsagtcwgg cgagccgccacctccagagccacctccgcctgaggagacggtgaccgtgg ggcggaggtggctctggaggtggcggctcggayattgtgmtsacmcarwctmca ccgaagcttttatttgatttccagcttgg Notes: S = G/C, R = G/A, M = A/C, Y = C/T, W = A/T, V = A/C/G 1.4 单链抗体 ScFv 的拼接与扩增 采用重叠延伸 PCR(splicing by overlap extension PCR,SOE-PCR) 法, 将回收的含有 linker 的 VL VH 基因进行拼接 PCR 反应体系为 5 µl,1 Taq buffer 5 µl,dntp 4 µl,h 2 O 36 µl,taq DNA 聚合酶 1 µl, 回收的 VL VH 基 因按 1 1 比例各加入 2 µl PCR 程序 :94 C 预变 性 5 min,94 C 变性 3 s,55 C 退火 3 s,72 C 延 伸 4 s,1 个循环 PCR 结束后, 体系中补加引 物 VH-F 和 VL-R 各 1 µl, 扩增全长 ScFv,PCR 反 应条件 :94 C 预变性 5 min,94 C 变性 3 s, 55 C 退火 3 s,72 C 延伸 4 s,3 个循环 ; 最后 72 C 延伸 1 min 琼脂糖电泳鉴定 PCR 产物 将 PCR 产物连入 pmd18-t 载体并转入 E.coli DH5α, 阳性克隆菌株送南京金斯瑞生物工程公司测 序 1.5 单链抗体 ScFv 原核表达与纯化 将测序正确的抗 VHSV 单链抗体基因用 BamH I 和 Hind III 双酶切连入 pet28a(+) 载体, 转化表达 菌株 E.coli BL21(DE3), 筛选阳性克隆 阳性克 隆转入少量含卡那霉素的 LB 液体培养基中, 37 C 培养过夜作为种子液 种子液按 1% 比例接 种于 LB 培养基 ( 含卡那霉素 ) 中,37 C 培养至对 数生长期, 加入终浓度 1 mm 的 IPTG 进行诱导表 达, 并将重组菌体超声破碎后用镍离子螯合柱 纯化, 获得抗 VHSV 单链抗体, 灰度扫描法计算 蛋白纯度,Bradford 法测定蛋白浓度, 2 C 保 存备用 1.6 单链抗体 ScFv 的 Western-Blot 鉴定 SDS-PAGE 电泳重组 VHSV 病毒 G 蛋白, 电泳 结束后转硝酸纤维素膜, 转移结束后将膜用含 5% 脱脂乳的 PBST 4 C 封闭过夜 用 PBST 洗膜 1 次, 加入 5 倍稀释的抗 VHSV 单链抗体作为一 抗, 于 37 C 摇床温育 1 h,pbst 洗涤 3 次, 加入 5 倍稀释的 HRP 标记抗 His 单克隆抗体作为二 抗, 于 37 C 摇床温育 1 h,pbst 洗涤 2 次, 再用 PBS 洗涤 2 次, 加入 DAB 底物显色液显色, 鉴定 抗 VHSV 单链抗体的结合活性 1.7 单链抗体 ScFv 的体外中和活性 [1] 参考 Zhou 等方法, 将抗 VHSV 单链抗体进 行 2 倍倍比稀释 ( ng/µl), 分别与 1TCID 5 的 VHSV 等体积混 合,18 C 作用 1 h 取单链抗体 -VHSV 病毒混合 液 2 µl, 加入在 96 孔板中新鲜制备的单层 CHSE-214 细胞,18 C 培养, 同时设立单抗

3 13 水 产 学 报 4 卷 1G5组 VHSV攻毒组和正常培养组作为对照 在28 ku处有一产物条带 与推算的ScFv蛋白大 观察细胞病变 小相符 表达量约占菌体总蛋白的2% 镍柱纯 1.8 单链抗体ScFv的亲和力测定 采 用 表 面 等 离 子 共 振 技 术 (surface plasmon 化后ScFv蛋白纯度在9%以上(图3) 2.3 单链抗体ScFv的Western blot鉴定 resonance SPR)测 定 单 链 抗 体 的 亲 和 力 将 Western blot 结果表明 在分子量大小4 55 VHSV病 毒 G蛋 白 固 定 在 BIAcore3仪 器 的 ku处可见特异色带 由于重组VHSV病毒的G蛋 CM5芯 片 上 流 速 设 为 1 µl/min 单 链 抗 体 白 分 子 量 约 为 49 ku 说 明 所 表 达 的 单 链 抗 体 ScFv设7个浓度梯度( ScFv与VHSV病毒的G蛋白有结合活性(图4) 32 nm) 反 应 7 s 每 个 稀 释 度 反 应 后 用 mm Glycine (ph 3.)再生18 s BIAcore3仪器 自带软件计算ScFv的亲和力常数 2 结果 单链抗体ScFv的体外中和活性 细胞中和实验表明 重组表达的抗VHSV单 链抗体具有较高的中和活性 2.5 ng/µl的scfv就 可以保护CHSE-214细胞免受VHSV病毒攻击 与 原始毒株相比差别不大(表2) 2.1 单链抗体ScFv的获得 2.5 以VHSV中和单抗1G5的cDNA基因序列为模 板 PCR扩增出VL VH抗体基因 并通过SOEPCR拼接获得其ScFv基因 结果显示 VH 基因 片 段 约 为 342 bp VL基 因 片 段 约 为 333 bp ScFv基因片段约为75 bp 与预期基因片段大小 相符(图1 2) 将ScFv基因测序后在GenBank数 据库中进行核苷酸同源性比较 结果表明所扩 增序列与GenBank 中鼠的免疫球蛋白可变区基因 同源性最高 符合鼠源抗体可变区的基因排 序 证明克隆获得的是VHSV中和单抗1G5的单 链抗体基因 2.2 单链抗体ScFv的原核表达与纯化 抗VHSV单链抗体的亲和力 BIAcore3检测VHSV病毒单链抗体的亲和 力 纯 化 后 的 单 链 抗 体 ScFv对 重 组 VHSV病 毒 G蛋白的结合速率(ka)为 /Ms 解离速率 (kd)为 /s 亲和力(KD)达到 M 根据BIAcore3仪器说明 强的抗原抗体的亲 和 力 为 1 8 ~1 1 M 说 明 纯 化 后 的 单 链 抗 体 ScFv对重组VHSV病毒G蛋白具有较高亲和力 但低于原始单抗1G5的亲和力( M 表3) 3 讨论 VHSV可感染虹鳟 牙鲆 大菱鲆等8多种 淡水和海水鱼类 且在欧洲 北美洲 东亚均 构建原核表达载体pET28a-ScFv并进行诱导 已发现其存在 [11] 基于VHSV病毒的N基因或G基 表达 从SDS-PAGE电泳图可以看出 重组菌株 因序列的进化树分析表明 VHSV病毒分为4个 基因型(I II III IV) 其中I型又分为Ia Ib Ic Id 和Ie 5个亚型 IV型又分为IVa IVb和IVc 3个亚型 [12] 由于VHSV病毒拥有较多的基因型且 可在多个种属鱼类中携带 建立快速 准确的 VHSV病毒检测方法无疑对阻止其在世界范围内 传播具有重要意义 VHSV病毒检测方法在国外的研究较早 大 致可分为分子生物学方法和免疫学方法两大 类 其中分子生物学方法主要包括反转录-聚合 图1 SOE-PCR法扩增的 ScFv基因电泳图 M. DNA分子质量标准 1. VH基因 2. VL基因 3. ScFv基因 4. ScFv基因 Fig. 1 ScFv gene amplified by SOE-PCR M. DL2; 1. VH; 2. VL; 3. ScFv; 4. ScFv 酶链反应(RT-PCR) [13] 实时荧光定量PCR(Realtime PCR) [14] 和逆转录环介导等温扩增技术(RTLAMP)[15]等 免疫学方法主要包括中和实验 免 疫荧光 免疫组化 酶联免疫法(ELISA) [16] 等 基于血清学检测的酶联免疫法(ELISA)在VHSV病

4 1 期王宏华, 等 : 病毒性出血性败血症病毒单链抗体的原核表达及其功能鉴定 131 图 2 ScFv 抗体基因序列 Fig. 2 Gene sequence of ScFv antibody 毒检测中具有快速 准确和操作简单等特点, 备受国内外关注 ELSIA 方法需要高特异性和敏 感性的抗体, 而国内对 VHSV 病毒的抗体研究相 [7] 对比较缺乏, 仅见景宏丽等少量报道, 且未见 进行下一步功能性鉴定的数据 本实验室用超速纯化的 VHSV 病毒免疫小鼠 后筛选获得一株单抗 1G5, 其为 VHSV 病毒特异 性抗体, 与鲤 (Cyprinus carpio) 春病毒血症病毒 (spring viremia of carp virus,svcv) 传染性造血 组织器官坏死病毒 (infectious hematopoietic necrosis virus,ihnv) 均无交叉反应 单链抗体 (ScFv) 是将抗体的重链可变区 (VH) 与轻链可变区 (VL) 用 Lingker 连接起来获得的一种基因工程抗体, 它保留了完整抗体的特异性, 在血液内更容易被清除, 组织穿透力更强, 且可以通过计算机结构模拟和氨基酸替换等方法提高其抗体活性 本研究利用实验室保存的 VHSV 病毒单抗 1G5 的杂交瘤细胞株, 通过 PCR 方法扩增了其单链抗体 ScFv 基因全长, 约 75 bp VH VL 基因片段符合鼠源抗体可变区的排列结构,Blast 比对表

5 132 水 产 学 报 4 卷 表2 Tab. 2 ScFv对VHSV病毒的体外中和活性 The neutralizing activity of ScFv against VHSV ScFv 浓度/(ng/µL) ScFv concentration 病变率/% percent of CPE G5 5 ScFv 5 1 VHSV对照 VHSV control 正常对照 normal control 表3 图3 ScFv与纯化的VHSV病毒G蛋白结合的动力学参数 Tab. 3 单链抗体ScFv的原核表达与 Kinetics parameters of ScFv proteins binding to G protein of VHSV 纯化的SDS-PAGE检测 M. 预染的蛋白质分子质量标准 1. 纯化的单链抗体蛋白 2. 单 链抗体基因在大肠杆菌BL21(DE3)中的表达产物 3. pet28a 空 载体在大肠杆菌BL21(DE3)中的表达产物 Fig. 3 SDS-PAGE of the expression and ka/(1/ms) kd/(1/s) KD/(M) 单抗 1G5 MAb 1G 单链抗体1G5 ScFv 1G purification of ScFv protein M. prestained Pr; 1. purified ScFv protein; 2. the expression product of 的基因工程抗体 目前鱼类病毒的单链抗体研究较少 本研究 ScFv gene recombinant in BL21(DE3); 3. the expression product of pet28a vector in BL21(DE3) 的开展一方面为VHSV病毒的诊断试剂开发 基 因工程抗体改造提供了物质基础 同时也为其 他鱼类疾病的研究提供了借鉴 参考文献 [1] Brudeseth B E, Evensen O. Occurrence of viral haemorrhagic septicaemia virus (VHSV) in wild marine fish species in the coastal regions of Norway [J]. Diseases of Aquatic Organisms, 22, 52(1): [2] 图4 单克隆抗体的制备及其特性分析[J]. 细胞与分子免疫 ScFv原核表达产物的Western-blot分析 学杂志, 213, 29(4): M. 预染的蛋白质分子质量标准 1.单链抗体蛋白 Fig. 4 景宏丽, 王静波, 曹欢, 等. 病毒性出血性败血症病毒 Western-blot analysis of the expression product Jing H L, Wang J B, Cao H, et al. Preparation and of recombinant ScFv gene in BL21(DE3) characterization of monoclonal antibodies against viral hemorrhagic septicemia virus [J]. Chinese Journal of M. prestained Pr; 1. ScFv Cellular and Molecular Immunology, 213, 29(4): 明同源性与鼠源单链抗体基因最高 原核表达 的抗VHSV单链抗体可以中和VHSV病毒对CHSE (in Chinese). [3] Mortensen H F, Heuer O E, Lorenzen N, et al. Isolation 214细胞的攻击 与杆状病毒表达的VHSV病毒 of viral haemorrhagic septicaemia virus (VHSV) from G蛋白有免疫印迹反应 且与VHSV病毒G蛋白的 wild marine fish species in the Baltic Sea, Kattegat, 亲和力(KD)高达1.4 1 Skagerrak and the North Sea [J]. Virus Research, 1999, 8 M 证明本研究获得的 单链抗体确实为VHSV病毒的功能性抗体 本研 究获得的单链抗体与原始单抗1G5具有相似的生 63(1 2): [4] Hedrick R P, Batts W N, Yun S, et al. Host and 物学活性 但其制造成本更低 更利于长期保 geographic range extensions of the North American 存 且便于进一步改造获得效价和特异性更高 strain of viral hemorrhagic septicemia virus [J]. Diseases

6 1 期王宏华, 等 : 病毒性出血性败血症病毒单链抗体的原核表达及其功能鉴定 133 of Aquatic Organisms, 23, 55(3): antibodies against viral hemorrhagic septicaemia virus [ 5 ] Takano R, Nishizawa T, Aritmoto M, et al. Isolation of by flow cytometry [J]. Journal of Virological Methods, viral haemorrhagic septicaemia virus (VHSV) from wild 215, 219: Japanese flounder, Paralichthys olivaceus [J]. Bulletin of [11] He M, Yan X C, Liang Y, et al. Evolution of the viral the European Association of Fish Pathologists, 2, hemorrhagic septicemia virus: Divergence, selection and 2(5): origin [J]. Molecular Phylogenetics and Evolution, 214, [ 6 ] Kim S M, Lee J I, Hong M J, et al. Genetic relationship 77: of the VHSV (viral hemorrhagic septicemia virus) [12] Einer J K, Ahrens P, Forsberg R, et al. Evolution of the isolated from cultured olive flounder, Paralichthys fish rhabdovirus viral haemorrhagic septicaemia virus olivaceus in Korea [J]. Journal of Fish Pathology, 23, [J]. Journal of General Virology, 24, 85(5): 16(1): [ 7 ] Zhu R L, Zhang Q Y. Determination and analysis of the [13] Knüsel R, Bergmann S M, Einer J K, et al. Virus complete genome sequence of Paralichthys olivaceus isolation vs RT-PCR: Which method is more successful rhabdovirus (PORV) [J]. Archives of Virology, 214, in detecting VHSV and IHNV in fish tissue sampled 159(4): under field conditions? [J]. Journal of Fish Diseases, [ 8 ] 翁善钢. 病毒性出血性败血症的流行与诊断 [J]. 水产 27, 3(9): 养殖, 214(2): [14] Kim J O, Kim W S, Kim S W, et al. Development and Wong S G. Prevalence and diagnosis of viral application of quantitative detection method for viral hemorrhagic septicaemia [J]. Journal of Aquaculture, hemorrhagic septicemia virus (VHSV) genogroup IVa 214(2): 49 5 (in Chinese). [J]. Viruses, 214, 6(5): [ 9 ] 苗向阳, 邵建军, 朱瑞良, 等. 天然鼠源噬菌体抗体库 [15] Soliman H, El M M. Reverse transcription loop- 的构建及抗羊抑制素基因工程单抗的筛选 [J]. 中国农 mediated isothermal amplification (RT-LAMP) for rapid 业科学, 29, 42(1): detection of viral hemorrhagic septicaemia virus (VHS) Miao X Y, Shao J J, Zhu R L, et al. Construction of [J]. Veterinary Microbiology, 26, 114(3 4): naive mouse phage antibody library and screening of [16] Encinasa P, Gomez C E, Estepa A, et al. An ELISA for monoclonal antibodies specific for sheep inhibin [J]. detection of trout antibodies to viral haemorrhagic Scientia Agricultura Sinica, 29, 42(1): (in septicemia virus using recombinant fragments of their Chinese). viral G protein [J]. Journal of Virological Methods, [1] Zhou Y, Xie Z G. High throughput screening of scfv 211, 176(1 2):

7 134 水产学报 4 卷 Prokaryotic expression and functional verification of ScFv antibody against viral hemorrhagic septicemia virus WANG Honghua 1, HOU Zhumei 2, ZHANG Quanqi 1*, YU Haiyang 1, WANG Zhigang 1, QI Jie 1, WANG Xubo 1 (1. College of Marine Life, Ocean University of China, Qingdao 2663, China; 2. College of Marine Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 26619, China) Abstract: The aim of this study is to prepare the ScFv antibody (single chain variable fragment antibody) against viral hemorrhagic septicemia virus (VHSV) and analyze the biological properties. The variable heavy (VH) and the variable light (VL)chain gene fragments were derived from mab 1G5 hybridoma cells against VHSV. The VH and the VL DNA fragments were assembled through a flexible linker DNA to generate ScFv DNA that was cloned subsequently in the pet28a vector to express ScFv protein in E.coli cells. The expressed ScFv protein, with a relative molecular mass of about 28 ku, existed in a form of soluble expression in cytoplasma. The ScFv protein could specifically identify VHSV glycoprotein (G), and neutralize viral virulence of VHSV in vitro. The ScFv protein showed good affinity for VHSV glycoprotein (G) antigen, as indicated by KD values of M. ScFv protein preparation has laid a foundation for further study of VHSV therapeutic antibodies as well as rapid diagnostic reagent. Key words: fish; viral hemorrhagic septicemia virus; ScFv antibody Corresponding author: Zhang Quanqi. qzhang@ouc.edu.cn Funding projects: National High Technology Development Plans (211AA1A42)

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