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《中国人民解放军军事医学科学院》 2017年
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布鲁氏菌疫苗株104M的蛋白质组学研究与保护性抗原筛选

宰晓东  
【摘要】:布鲁氏菌是一种胞内寄生的革兰氏阴性球杆菌,具有多个种型,它所引起的布鲁氏病是一种人畜共患的国家乙类传染病。近年来,我国的布鲁氏病疫情非常严峻,感染人数迅速攀升,带来较大危害。此外,布鲁氏菌具有在环境中存活能力强、易被气溶胶化等特点,可能被用作生物恐怖剂。布鲁氏菌对我国的人民健康和生物安全带来严重威胁,对其进行深入研究具有重要意义。疫苗是防控布鲁氏病的有效手段。目前,兽用布鲁氏菌疫苗已获得广泛使用,在控制布鲁氏病疫情方面起到重要作用,而人用布鲁氏菌疫苗研制较为困难,国外尚未有疫苗上市,我国唯一批准人用的布鲁氏菌疫苗为减毒活疫苗104M株。人用布鲁氏菌疫苗研制困难的主要原因,可能在于布鲁氏菌存在多个种型,且保护性抗原谱复杂,单一抗原很难起到完全保护作用。随着组学以及生物信息学的发展,反向疫苗学逐渐成为研制新型疫苗的重要方法。反向疫苗学以组学和生物信息学为基础进行抗原预测,并随后对预测的候选抗原进行验证评价,进而获得有效的保护性抗原用于新型疫苗研制。国内外利用反向疫苗学筛选布鲁氏菌抗原已有一些研究,但相关的组学数据还不完善。近年来,随着质谱技术的迅速发展,获得高覆盖率的蛋白质组并采用质谱数据反向注释基因组成为可能,即蛋白质基因组学。同时,蛋白质组学方法也是研究布鲁氏菌本身生理代谢与致病机制的重要工具。本研究首先通过蛋白质基因组学方法来完善布鲁氏菌104M株的组学数据。随后通过定量蛋白质组技术研究布鲁氏菌在模拟胞内应激条件下的差异蛋白质组,进而为了解布鲁氏菌的胞内寄生机制提供线索。在此基础上,建立综合组学与生物信息学的保护性抗原筛选新策略,对布鲁氏菌保护性抗原进行预测,筛选并验证疫苗候选抗原,为新型人用布鲁氏菌疫苗设计提供依据。在蛋白质基因组学方面,本研究建立了多策略蛋白质组质谱鉴定方法,分别采用SDS-PAGE和液相色谱预分离方法,对104M全蛋白质组与膜蛋白质组进行全面的质谱鉴定,并对104M基因组进行反向重注释,获得了较高覆盖率的104M株蛋白质组数据库。共鉴定到蛋白1729个(总注释蛋白3072个),覆盖率达56.3%。鉴定蛋白在等电点、分子量、疏水性、跨膜区等方面分布情况与104M注释基因相符。鉴定蛋白覆盖了几乎全部COG功能分类(20/22),体现出功能分布的全面性。本研究还鉴定到17个重要已知保护性抗原和14个关键毒力基因在104M中大量表达,为了解104M免疫保护性与残余毒性提供了依据。同时,验证了218个假想蛋白的存在,并对假想蛋白的功能进行了分析预测,其中26个为膜或分泌蛋白,57个为潜在保护性抗原或毒力基因。对104M基因组重注释,发现了6处新基因并纠正了3处基因注释错误,并利用RT-PCR方法对这些基因进行了进一步验证。此外,在蛋白质组水平发现了104M大小染色体在蛋白丰度上的差异,提示大染色体上蛋白表达量可能高于小染色体,并初步探讨了导致差异的机理。在定量蛋白质组学方面,本研究采用Label-free定量蛋白质组技术,通过设置多组应激条件模拟胞内生存环境,探究多应激综合作用下布鲁氏菌生理与代谢的改变机制。共设置1个正常体外培养条件对照组(TSB),7个单一应激条件组:血清、营养限制、理化应激、氧化/氮化应激、缺氧、铁缺乏、抗菌肽,以及1个综合应激组来模拟胞内生存环境。结果显示,与正常培养条件相比,104M在不同应激条件下生存率不同(3.2%-73.2%),营养限制、氮化/氧化应激以及缺氧环境对104M的生存具有较大影响。对各应激条件下生长的104M菌株蛋白进行Label-free定量质谱鉴定,共鉴定到定量蛋白2272个,其中1221个蛋白在应激条件下表达与对照组相比具有显著差异。这些差异表达蛋白主要富集在氧化磷酸化、ABC转运蛋白、双组分系统、次生代谢物的生物合成、卟啉和叶绿素代谢、甘油磷脂代谢、柠檬酸循环(TCA循环)、硫胺代谢、氮代谢、碳代谢等与布鲁氏菌胞内生存和环境压力适应密切相关的代谢通路上,为深入了解布鲁氏菌的胞内生存机制提供了线索。在保护性抗原筛选方面,本研究总结了与保护性抗原预测相关的多种因素,最终选定了6个关键因素,包括蛋白亚细胞定位、保护组相似性、抗原性、表位、毒力基因、粘附素,进行预测打分,将打分数据综合后排序,建立了“多因素保护性抗原预测法”(Multi-factor Prediction of Protective Antigens,MPPA)。通过已知的保护性抗原数据库与非保护性抗原数据库对MPPA进行方法验证,证明其可以有效区分保护性抗原与非保护性抗原,预测效果良好(灵敏性0.783、特异性0.940),优于国外报道的预测筛选方法。应用MPPA筛选布鲁氏菌104M株保护性抗原,共获得高概率保护性抗原26个,其中包含9个已知布鲁氏菌保护性抗原,如Omp19、Omp25、Omp31、SodC和Invasion protein B等,进一步验证了筛选方法的可行性。同时还筛选到多个潜在的新保护性抗原,包括外膜脂蛋白LipA、Ⅰ型分泌系统蛋白HlyD、Ⅳ型分泌系统蛋白VirB8、外膜外排蛋白TolC和受体蛋白TonB等,为新型人用布鲁氏菌疫苗的设计提供了基础数据。在候选抗原保护性验证方面,本研究选择了4个代表性保护性抗原Omp19、VirB8、HlyD和LipA进行验证评价。分别通过大肠杆菌表达系统重组表达和纯化获得了Omp19、VirB8、HlyD和LipA重组蛋白抗原,在小鼠模型上进行免疫原性和保护效力评价。血清学检测结果显示,Omp19、VirB8和HlyD免疫后,能够刺激小鼠产生较强的体液免疫反应,总抗体IgG滴度分别为8.2×105,3.0×105与3.3×106。Omp19与VirB8抗体亚类以IgG1为主,为Th2偏向;HlyD抗体亚类以IgG2a为主,为Th1偏向。通过分离各组免疫后小鼠脾细胞,在体外用对应抗原刺激培养,检测细胞因子TNF-a、IFN-γ、IL-6和IL-10的分泌水平,结果显示Omp19、VirB8和HlyD能够较好的刺激机体产生以TNF-α、IFN-γ为特征的Th1型免疫反应,和以IL-6、IL-10为特征的Th2型免疫反应。布鲁氏菌A19攻毒实验结果显示,Omp19、VirB8和HlyD免疫小鼠后,可以显著降低脾脏与肝脏中细菌定值数,具有较好的保护效果。综上所述,本研究通过串联质谱方法对布鲁氏菌疫苗株104M进行了蛋白质基因组学研究,获得了迄今为止最高覆盖率的布鲁氏菌蛋白质组数据库,并完善了基因组注释;通过Label-free定量蛋白质组方法研究了布鲁氏菌在模拟胞内应激条件下的差异蛋白质组,发现了涉及布鲁氏菌胞内生存和环境压力适应的多个重要通路,为深入了解布鲁氏菌的胞内生存机制提供了重要线索;在组学研究基础上,建立了“多因素保护性抗原预测法”(MPPA),对104M进行了保护性抗原预测与筛选,获得了多个潜在的新保护性抗原;对4个候选保护性抗原进行了免疫验证,证实3个抗原Omp19、VirB8和HlyD能够刺激小鼠产生较强的特异性体液免疫反应和细胞免疫反应,且在攻毒实验中显示较好的保护效果,为新型人用布鲁氏菌疫苗的设计提供了依据。
【学位授予单位】:中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R392

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