2. 西北农林科技大学动物医学院, 杨凌 712100;
3. 山东农业大学动物科技学院, 泰安 271018
2. College of Veterinary Medicine, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
3. College of Animal Science and Veterinary Medicine, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China
细胞受到病毒感染、砷酸盐刺激、热休克、氧化应激时,细胞中均会形成致密的颗粒状结构,被称为应激颗粒(stress granules,SG)[1]。有研究表明:这些外源刺激抑制细胞蛋白翻译的启动,导致mRNAs从核糖体中释放,这些非翻译mRNAs和RNA结合蛋白聚集形成SG[2-3]。应激状态下,抑制细胞内SG的形成会促进细胞死亡。这表明SG的形成有助于细胞应对外界刺激。SG中有大量翻译起始成分的存在,包括40S核糖体亚基、poly(A)结合蛋白以及翻译起始因子等,但不包含核糖体大亚基,因为翻译终止发生在大亚基进入翻译复合体之前[2, 4]。形成SG的主要标志蛋白:RNA结合蛋白(RBPs)、胞内蛋白TIA-1、TIA-1相关蛋白1(TIAR)和Ras-GTPase活化蛋白SH3结构域结合蛋白(Ras-Gap-SH3 domain-binding protein,G3BP),这些蛋白主要是通过分子内和分子间的作用聚集形成SG[5-6]。G3BP1特异性分布于细胞质中,与TIA-1/R类似,在细胞应激后招募之SG中,且都是SG形成关键蛋白[7]。TIA-1/R为细胞核定位蛋白,应激之后部分迁移至细胞质中,但大部分仍位于细胞核内。G3BP1未应激状态下弥散分布于细胞质中,细胞受到应激后,G3BP1形成的点状荧光特异性分布于细胞质中[8]。与TIA-1/R相比,G3BP1的荧光更特异,因此,更适合作为SG的标志物。
G3BP1蛋白是高度保守的多结构域蛋白,G3BP可分为G3BP1和G3BP2两个亚型,均含有几个结构域:NTF2样结构域、RNA识别基序(RNA recognition motif,RRM)、酸性区域以及C端的精氨酸富集区(RGG),其中,C端的RRM和RGG具有DNA/RNA解旋酶活性并参与识别RNA[9]。近年来,有研究表明G3BP1对环鸟苷酸-腺苷酸合酶(cGAS)活化并识别DNA非常重要,它通过促进cGAS复合物的形成来促进cGAS与DNA结合。G3BP1缺失会导致cGAS不能有效结合DNA,从而抑制cGAS介导的IFN的产生[10]。除此之外,G3BP1还是RIG-I信号通路中的重要组分,G3BP1有助于RIG-I诱导抗病毒细胞因子IFN-β产生[11]。这些报道说明G3BP1在抗病毒先天性免疫中发挥重要作用。
SG是宿主应对外界应激的方式,因此,对于多数病毒而言,SG能够抑制病毒复制,而许多病毒通过改变细胞内SG成分或抑制细胞内SG形成来逃逸SG的抗病毒作用[8, 12, 13]。根据病毒与SG互作的机制不同,大致分成3类:1)病毒对PKR-eIF2α通路的调控:汉坦病毒感染抑制依赖于PKR活化的SG形成,这可能是该病毒能够持续感染的关键[14]。2)病毒“挟持”SG核心蛋白:塞姆里斯森林病毒(SFV)感染早期使eIF2α磷酸化,从而诱导SG形成,在感染后期,G3BP1蛋白被SFV的非结构蛋白P3(nsP3)包裹在病毒复制复合物中, SG的形成被抑制[15];3)病毒切割SG的组分。已有研究证实,脊髓灰质炎病毒能利用自身编码的3C蛋白酶切割SG成核蛋白G3BP1,从而抑制SG的形成[16]。以上这些结果说明,病毒通过多种方式调控SG的形成,逃逸SG介导的抗病毒作用。
不同于其他病毒,新城疫病毒(Newcastle disease virus,NDV)是少数几个能稳定诱导SG形成,还能在细胞中高效复制的病毒[8],但其中的机制尚不清楚,为了进一步研究NDV诱导SG形成的机制,本研究应用慢病毒包装系统构建稳定表达GFP-G3BP1的HeLa细胞系,并验证SG刺激物亚砷酸钠(ARS)、热休克处理以及新城疫病毒感染细胞导致GFP-G3BP1形态的变化,以说明细胞形成SG的动态过程,为进一步探索新城疫病毒感染调控SG机制奠定基础。
1 材料与方法 1.1 质粒、菌株、病毒和细胞质粒psPAX2(#12260)、pMD2.G(#12259)购自Addgene质粒平台,pLenti-CMV-GFP-Puro质粒由上海兽医研究所赵款博士馈赠。NDV Herts/33标准强毒株购自中国兽医药品监察所,由本实验室保存。HeLa细胞购自美国ATCC生物标准品资源中心,用含10%胎牛血清(FBS)的DMEM培养基(Thermo Fisher Scientific),于5% CO2、37 ℃条件下培养。DH5α为天根生物科技有限公司产品。
1.2 抗体与试剂Anti-GFP抗体为美国Abcam公司产品,anti-β-actin抗体为美国Sigma公司产品,anti-TIAR抗体为美国Santa Cruz公司产品。新城疫病毒抗核蛋白(NP)单克隆抗体由本实验室制备。DMEM培养基、Opti-MEM培养基、胎牛血清FBS为美国Thermo公司产品。PEI为美国Polyscience公司产品。嘌呤霉素为美国Merck Millipore公司产品。T4 DNA连接酶,限制性核酸内切酶为美国NEB公司产品。Western细胞裂解液为碧云天生物公司产品。ECL化学发光试剂为Thermo公司产品。
1.3 重组慢病毒质粒的构建参考GenBank中人G3BP1基因序列(Gene ID:10146)和慢病毒载体pLenti-CMV-GFP-Puro的基因组序列设计特异性引物1对,pLenti-CMV-GFP-Puro-F:5′-TGCTCTAGATATGGTGATGGAGAAGCCT-3′,pLenti-CMV-GFP-Puro-R:5′-TATGCGGCCGCTCACTGCCGTGGCGCAA-3′, 下划线为内切酶识别位点。提取人HeLa细胞的总RNA,以此为模板通过RT-PCR扩增G3BP1序列。PCR产物经琼脂糖凝胶电泳鉴定正确后纯化回收,将慢病毒载体pLenti-CMV-GFP-Puro及回收产物均用XbaⅠ和NotⅠ双酶切,经凝胶电泳鉴定正确后纯化回收,回收产物用T4 DNA连接酶连接。连接产物使用DH5α感受态细胞进行转化,而后涂于氨苄抗性的琼脂平板,挑取7个单个菌落测序,测序正确的菌液扩大培养,提取质粒,并命名为Lenti-GFP-G3BP1。
1.4 慢病毒包装取状态良好的293T细胞悬液计数,确定细胞数及细胞活力(细胞活力>95%)。取106个细胞接种于10 cm2培皿中培养,待细胞密度达到75%左右时,将质粒Lenti-GFP-G3BP1(22 μg)以及空载体Lenti-GFP(22 μg)分别与psPAX2(10 μg)和pMD2G(12 μg)共转染293T细胞,60 h后观察并收取细胞上清液,1 000 r·min-1离心5 min,0.45 μm过滤器过滤,滤液保存于-80 ℃。
1.5 慢病毒感染和单克隆的制备及生长取状态良好的对数生长期Hela细胞悬液计数,确定细胞数及细胞活力(细胞活力>95%)。取106个细胞接种于六孔板,细胞密度达到75%时,取“1.4”中60 h慢病毒包装上清感染细胞,孵育1 h后,弃去感染液,PBS清洗3遍后,加入新鲜2% FBS DMEM培养基,于37 ℃、5% CO2培养箱培养。待细胞密度达到90%时,弃去原有细胞上清,PBS清洗3遍后,0.25%胰酶消化,用含嘌呤霉素(1.25 μg·μL-1)的新鲜10% FBS DMEM培养基悬浮细胞,重新接种于六孔板中,每天观察,待阴性对照全部死亡,0.25%胰酶消化阳性细胞,含嘌呤霉素(1.25 μg·μL-1)的新鲜10%FBS DMEM培养基悬浮细胞,重新接种于六孔板中。重复筛选3次。梯度稀释法稀释阳性细胞至96孔板中,培养1周后观察单克隆生长情况,约两周后将单克隆转移至48孔板中扩大培养,长满后转移至六孔板中继续培养。
1.6 Western blot收集Lenti-GFP和Lenti-GFP-G3BP1单克隆细胞,裂解细胞后进行SDS-PAGE电泳,转印至硝酸纤维素膜,5%脱脂乳封闭,兔源GFP多克隆抗体作为一抗4 ℃过夜孵育,TBST洗涤后,加入HRP标记羊抗兔二抗,37 ℃孵育1 h,ECL化学发光试剂盒显影。β-actin作为内参。
1.7 间接免疫荧光将5×105个Lenti-GFP和Lenti-GFP-G3BP1单克隆细胞接种于六孔细胞培养板(培养皿中事先放置已灭菌的细胞飞片),待细胞密度达到60%后,PBS清洗3次,分别以ARS(500 μm)处理30 min,热休克(52 ℃)处理30 min,NDV(1个感染复数,1 MOI)感染18 h,阴性对照以PBS处理30 min。弃去原有培养基,PBS清洗3次,加入4%多聚甲醛固定10 min,0.1% Triton X-100透化10 min,5% BSA室温封闭1 h,TIAR一抗孵育1 h,二抗孵育1 h,DAPI孵育10 min,以上每步均在37 ℃孵育,且孵育间隔用PBS清洗3次。封片剂封片,置于激光共聚焦显微镜避光观察结果。
1.8 活细胞成像技术将5×105个Lenti-GFP-G3BP1细胞接种于六孔细胞培养板,待细胞密度达到60%后,PBS清洗3次,分别以ARS(500 μm)处理,热休克(52 ℃)处理,NDV(1 MOI)感染。处理后立马将培养板置于Cytation 5细胞成像多功能检测仪(BioTek)中,ARS和热休克处理组,每隔30 s拍摄1张;病毒感染组,每隔1 h拍摄1张。获得图片流以Image J软件分析,获得Stack动态图像,Montage处理后,导出图片。
2 结果 2.1 Lenti-GFP-G3BP1质粒鉴定为了获得稳定表达GFP-G3BP1的慢病毒质粒,通过XbaⅠ和NotⅠ两个酶切位点,将G3BP1插入pLenti-CMV-GFP-Puro质粒的GFP序列后的多克隆位点,质粒扩增后PCR鉴定,产物大小约1 400 bp左右(图 1),与预期结果一致,阳性克隆送生工生物测序,测序结果正确(图 2),测序正确的质粒命名为Lenti-GFP-G3BP1。
为了检验筛选出的单克隆细胞系是否特异性表达Lenti-GFP-G3BP1蛋白,以荧光试验和Western blot进行双重验证:G3BP1是1种胞质蛋白,直接免疫荧光试验可以看出Lenti-GFP-G3BP1蛋白特异性表达于细胞质中,而对照组GFP蛋白在细胞中均匀表达,细胞核中表达居多(图 3A)。Western blot结果显示,GFP-G3BP融合蛋白和对照组GFP均符合目的条带大小(图 3B),证明稳定表达GFP-G3BP1蛋白的HeLa细胞系构建成功。
为了验证Lenti-GFP-G3BP1细胞系是否能形成SG特异性荧光,笔者用ARS、热休克处理和NDV分别刺激Lenti-GFP-G3BP1和对照Lenti-GFP细胞,以TIAR作为SG指标,观察细胞应激后GFP-G3BP1是否形成SG点状荧光并且与内源性TIAR共定位。结果显示:ARS、热休克处理以及NDV感染后GFP细胞以及GFP-G3BP1细胞中TIAR均呈现点状聚集(图 4A、B),但仅在Lenti-GFP-G3BP1细胞中观察到外源G3BP1与内源TIAR有明显的共定位现象(图 4B)。通过对10个随机视野中SG阳性细胞(GFP-G3BP1)与所有细胞(DAPI)的计数,结果显示,阳性刺激组(ARS、热休克、NDV感染)中阳性SG细胞比值显著多于对照组(图 4C);而对照Lenti-GFP细胞中GFP弥散分布在细胞中,与TIAR没有明显的共定位现象(图 4A),这说明NDV感染后诱导的GFP-G3BP1点状聚集为SG特异性聚集,细胞系功能正常,可用于下一步研究。
为了研究NDV感染后不同时间点SG的形成情况,以1 MOI NDV感染Lenti-GFP-G3BP1细胞,不同时间点(6、12、18 h)固定细胞,直接免疫荧光法染色观察病毒蛋白NP与SG的特异性标志物G3BP1。结果显示:在NDV感染后6 h,细胞中基本没有SG形成,在12 h后,感染的细胞中(以病毒蛋白NP荧光为标志)有明显SG形成,随着感染时间的增加形成的SG的数目逐渐增加,说明NDV感染诱导形成稳定的SG(图 5)。
为了深入观察NDV感染诱导的SG形成过程,以1 MOI NDV感染Lenti-GFP-G3BP1细胞,在Cytation 5细胞成像多功能检测仪中进行观察和拍摄,每隔1 h拍摄1张GFP绿色荧光图像;阳性对照以ARS和热休克处理细胞,每隔30 s拍摄1张GFP绿色荧光图像。结果显示:ARS刺激后,13 min时,SG开始形成,15 min后,明显形成SG,20 min后,绝大多数细胞都形成SG(图 6A,movie S1)。热休克处理后,12 min时,少数细胞中开始出现少量SG聚集,15 min后,绝大多数细胞中形成明显的SG(图 6B, movie S2)。两者结果均与IFA结果基本保持一致。NDV Herts/33感染后11 h少数细胞中出现少量SG聚集,12 h后,多数细胞中有明显的SG聚集,随着感染时间的增加,最先形成SG的细胞产生细胞病变,具体表现为皱缩,细胞裂解(图 6C, movie S3)。ARS,热休克和新城疫病毒感染后的SG动态监测结果与IFA结果基本一致,说明本研究中以稳定表达GFP-G3BP1和检测方法建立成功,可用于后续新城疫病毒感染后SG的动态监测。
慢病毒载体是通过对慢病毒进行重组而得到的一类载体,其类似于逆转录病毒载体,和逆转录病毒载体的不同之处在于:逆转录病毒只能感染分裂的细胞,而慢病毒载体则能感染非分裂细胞[17]。慢病毒载体是一种常用的研究工具,它有着比较高且稳定的转染率,能在细胞内稳定、持续、高效地表达[18-19]。本研究用到的pLenti-CMV-GFP-EF1a-Puro载体具有GFP绿色荧光标记,并且含有嘌呤霉素筛选标记,当GFP基因整合进入宿主细胞基因组DNA表达后,通过嘌呤霉素抗性筛选,亚克隆之后可获得稳定表达GFP-G3BP1的细胞系。G3BP1特异性分布于细胞质中,与TIA-1/R类似,在细胞应激后招募至SG中,且都是SG形成关键蛋白[7, 20],与TIA-1/R相比,G3BP1形成的细胞质点状荧光更特异。而TIA-1/R应激后除了在细胞质中形成点状荧光,大部分还位于细胞核中,不易与空载体GFP区分开。因此,本研究选取G3BP1作为的特异性标志用以监测SG的形成。有研究表明:ARS、热休克处理和NDV感染诱导内源性G3BP1形成点状荧光,并且与TIA-1有共定位现象[8]。因此,利用ARS、热休克和NDV感染作为阳性刺激建立试验模型,对GFP-G3BP1细胞系进行评价。
目前, 针对病毒感染后SG的检测主要还是应用IFA方法[4, 8, 21],但病毒调控SG的形成有多种方式,例如NDV诱导稳定SG形成[8];流感病毒和日本脑炎病毒抑制SG形成[4, 21];脊髓灰质炎病毒感染初期形成经典SG,后期其3C蛋白切割G3BP1,抑制SG形成[16];丙肝病毒诱导SG呈现“动态振荡”,即病毒感染后反复历经多次SG形成和降解过程[22]。由于病毒感染后形成SG的复杂性,利用IFA选取感染后特定时间点收样检测SG就有很大弊端,因此,利用本试验建立的Lenti-GFP-G3BP1细胞核活细胞成像是检测病毒感染后SG形成的最优方案,能够作为研究病毒调控SG机制的工具。
近年来,越来越多证据表明,SG在动物病毒的致病过程中发挥关键作用。流感病毒抑制SG形成,而NS1是其抑制SG的关键蛋白[21]。传染性支气管炎病毒能够通过eIF-2α非依赖方式诱导SG形成[23]。猪繁殖与呼吸综合征病毒通过PERK依赖通路诱导SG形成[24]。机制方面,口蹄疫病毒的内部核糖体进入位点是重要的病毒翻译调控元件,SG关键蛋白G3BP1能够通过调控与IRES直接互作负调控翻译进程[25]。但总体来看,大部分研究还基于现象水平。为了进一步阐述SG调控病毒复制的机制,首先需要做到细胞水平对SG的监测。本研究丰富了SG研究手段,为病毒调控SG机制的研究奠定了基础。
4 结论利用慢病毒系统构建了稳定表达GFP-G3BP1的单克隆细胞株,利用活细胞成像技术监测细胞在受到ARS、热休克处理和病毒感染后SG形成的动态变化。
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