2. 江苏省农业科学院兽医研究所, 农业农村部兽用生物制品工程重点实验室, 南京 210014;
3. 南京农业大学生命科学院, 南京 210095;
4. 兽用生物制品(泰州)国泰技术创新中心, 泰州 225300
2. Key Laboratory of Veterinary Biological Products Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Veterinary Medicine, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;
3. School of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
4. Guotai Technology Innovation Center of Veterinary Biological Products(Taizhou), Taizhou 225300, China
黏膜是脊椎动物免疫系统的第一道防线,分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,SIgA)是黏膜免疫中结合病原,保护机体的主要效应分子[1-3]。SIgA主要以二聚体的形式存在,两个IgA分子由一条J链(joining-chain)组装形成二聚体,二聚体IgA与多聚免疫球蛋白受体(the polymeric Ig-receptor)的胞外区,也叫分泌成分(secretory component, SC)相结合,形成完整的SIgA[4-5],随后,SIgA借助分泌成分,从上皮固有层分泌到黏膜器官的腔面[3]。与其它免疫球蛋白类似,IgA分子是由两条分子量约为55 ku的重链和两条分子量约为25 ku的轻链组成,加上15 ku的J链和约为75 ku的分泌成分,SIgA的分子量约为400 ku[6]。除了形成主要的二聚体形式外,SIgA还存在四聚体,五聚体等更多元的聚合形式[7-8]。
近年来,基于IgA单克隆抗体的治疗药物研究越来越多[9-10]。针对结核分枝杆菌,大肠杆菌等呼吸道、消化道的病原,靶向黏膜免疫可产生特异性SIgA的黏膜疫苗也成为疫苗研究的新的方向[9, 11]。病原感染机体后,SIgA出现时间相对较早,存在于取样方便的黏膜分泌液中,因此特异性病原的SIgA也作为早期诊断试剂的靶标分子。如乳汁中猪流行性腹泻病毒IgA抗体的检测[12-13],胃癌的胃液分泌型IgA的检测等[14],猪IgA双抗夹心ELISA检测方法的建立等[15]。无论是作为抗体治疗药物,还是检测靶标,SIgA/IgA的分离纯化是关键步骤。目前,SIgA的纯化多以初乳为原材料,主要集中于人、鼠和牛[16-19]。本团队曾采用传统的硫酸铵盐析法沉淀蛋白,DEAE52纤维离子、SephadexG-200凝胶层析和多次Protein A亲和层析,最终分离纯化出猪SIgA[20]。为了进一步提高猪SIgA的纯化效率,本研究避开了费时的硫酸铵沉淀法,采用串联亲和层析,先用Protein G层析柱吸附过多的IgG,然后再用Protein A和Protein L层析柱结合SIgA,最后用阴离子柱Resource Q和分子筛Superose 6对亲和层析柱上洗脱的蛋白进行精细纯化,获得了较高收率和较高纯度且具有活性的猪SIgA,本研究旨在探究一种分泌型免疫蛋白球(SIgA)纯化鉴定更高效的方法。
1 材料与方法 1.1 初乳的采集及乳清的分离采集产仔当天的二元母猪初乳,4 ℃保存,然后用冷冻离心机5 000×g,在4 ℃下离心30 min,用移液器吸取中层乳清,并分装保存于-40 ℃。
1.2 抗体与蛋白阳性对照SIgA,为本实验室每年由专人通过标准方法与流程[20],从产仔后2 d内母猪初乳中提取,经过鉴定后冻干,保存于-80 ℃的标准品。抗猪SIgA的单抗购于Bethyl公司。SC蛋白和抗SC的单抗也为本实验制备与保存[21]。
1.3 猪初乳SIgA的纯化取10 mL乳清,用PBS缓冲液5倍稀释,然后用超高速离心机100 000×g,4 ℃离心1 h,再次吸取中层乳清并用0.22 μm滤器过滤。用10倍柱体积的PBS缓冲液对Protein G(GenScript)、Protein A(GenScript)及Protein L(GenScript)进行平衡。将过滤后的乳清先到Protein G上进行挂柱,收集流穿液。Protein G的流穿液再依次到Protein A和Protein L柱上进行挂柱。最后用洗脱缓冲液(0.1 mol·L-1 glycine,pH 3.0)对挂柱的蛋白进行洗脱并收集。蛋白被洗脱下来立即用1 mol·L-1 Tris-HCl pH 8.0缓冲液进行中和,防止抗体长期在酸性环境中被破坏。
用SDS-PAGE进行鉴定,将含有目的蛋白的洗脱液使用超滤管进行离心浓缩,用低盐缓冲液A(10 mmol·L-1 Tris-HCl pH 8.0,10 mmol·L-1 NaCl)换液,然后用阴离子交换柱Resource Q(Cytiva)进行纯化,通过缓慢增加高盐缓冲液B(10 mmol·L-1 Tris-HCl PH 8.0,1 mol·L-1 NaCl)的比例来洗脱目的蛋白。收集在A280 nm处有吸收值的洗脱液,经SDS-PAGE及Western blot鉴定,然后选取含有目的蛋白的峰进行下一步试验。
最后用分子筛层析柱Superose 6(Cytiva)进行纯化,缓冲液使用20 mmol·L-1 Tris-HCl pH 8.0,300 mmol·L-1 NaCl。收集在A280 nm处有吸收值的洗脱液,并通过SDS-PAGE及Western blot鉴定收集目的蛋白。整个蛋白的纯化流程如图 1所示。
将纯化后的SIgA按照3 μg·mL-1稀释,每孔100 μL,4 ℃包被过夜,PBST清洗后用5% BSA(PBST缓冲液稀释)37 ℃封闭2 h。用稀释的HRP标记的羊抗猪SIgA的单抗(1 ∶10 000)37 ℃孵育1 h。最后每孔加入TMB显色液100 μL,37 ℃避光显色8~10 min。加入50 μL终止液来终止反应,观察结果。
1.5 Western blot鉴定SIgA的特异性将纯化后的SIgA经SDS-PAGE电泳后,转印至PVDF膜。PVDF膜用含5%脱脂乳的TBST缓冲液4 ℃封闭过夜。TBST洗涤后加入1 ∶10 000稀释的HRP标记的羊抗猪SIgA的单抗(TBST缓冲液稀释),37 ℃,孵育2 h。最后加ECL显色液显色后曝光检测。鉴定SC特异性是以SC单抗为一抗,37 ℃孵育2 h。加入1 ∶10 000稀释的HRP标记山羊抗鼠IgG,37 ℃孵育2 h,其他步骤不变。
1.6 质谱鉴定猪初乳SIgA将纯化后的SIgA进行SDS-PAGE电泳,然后用考马斯亮蓝染色液染色,最后用脱色液进行脱色。将SIgA的重链条带及SC条带切成胶粒,分别装入1.5 mL EP管中,送上海拜谱生物科技有限公司进行质谱鉴定。
每份样品先用胰蛋白酶进行消化,然后使用Easy nLC 1200系统(Thermo Scientific)进行色谱分离。色谱柱使用反相Trap column(100 μm×20 mm,C18)以100%的0.1%甲酸水溶液平衡,再用0.1%甲酸乙腈水溶液进行洗脱,流速为300 nL·min-1,分析时间为60 min。
肽段分离后使用Q-Exactive HF-X质谱仪(Thermo Scientific)进行数据依赖采集式质谱分析。分析时长为30 min,检测模式为正离子,母离子扫描范围为300~1 800 m/z,一级质谱分辨率为30 000@m/z 200,二级质谱分辨率为17 500@m/z 200。
质谱数据库检索软件使用MaxQuant 1.6.17.0,检索的数据库为猪的参考蛋白组数据库(https://www.uniprot.org/proteomes/UP000008227)。
2 结果 2.1 猪初乳乳清的分离经过低温台式离心机离心后,猪初乳可以明显地分为3层,最上层为白色乳脂层,中间层为淡黄色乳清层,最底层为白色酪蛋白沉淀(图 2A),其中乳清层占90%~95%呈现悬浊液状态。把乳清层用超速离心机离心后,依然分成乳脂,乳清和酪蛋白3层,乳清层变为透明的浅黄色(图 2B)。
乳清样品经过SDS-PAGE,显示在50和25 ku处各有一条条带,分别对应免疫球蛋白的重链和轻链,提示在乳清中含有大量的免疫球蛋白(图 3A)。经过Protein G和Protein A和Protein L挂柱后,用甘氨酸洗脱3个亲和层析柱时,从Protein G柱上洗脱下来的蛋白最多,约有400 mg,其次为从Protein A柱上洗脱的蛋白,约有100 mg,从Protein L柱上洗脱下来的蛋白最少,大约只有40 mg。对洗脱下来的蛋白进行SDS-PAGE鉴定,发现从三个亲和层析柱上洗脱下来的样品均在55和25 ku处各有一条蛋白条带(图 3B),为免疫球蛋白,但是尚无法区分IgG和SIgA,洗脱样品的杂蛋白条带较弱或者没有,表明亲和层析已经达到一个较好的效果。由于理论上只有在Protein A和Protein L柱上洗脱下来的样品中含有SIgA,因此,这对这两个样品进行进一步的纯化。
从Protein A柱上洗脱下来的蛋白,进行离子交换时,蛋白分别在15%和35%的离子强度处各有一个洗脱峰,分别命名为P1峰和P2峰(图 4A)。其中P1峰的面积远远大于P2峰,表明P1峰有更多的蛋白。SDS-PAGE对各个峰的不同收集管进行鉴定,发现各个收集管在55和25 ku处都各有一条蛋白条带。对P1峰和P2峰的蛋白条带进行进一步的对比,发现,P2峰收集的蛋白,55 ku处条带要相对P1峰的要略微偏上,即蛋白要略微偏大(图 4A)。根据之前的研究,SIgA的重链要比IgG的重链要略微偏大[20](图 5),因此推测P1峰为IgG,P2峰为SIgA。为了进一步确定P1和P2峰的蛋白性质,作者用羊抗猪SIgA重链的抗体对两个峰的蛋白进行免疫印迹,结果表明,抗体可以很好地与P2峰的蛋白,还有阳性对照SIgA进行反应,而与P1峰的蛋白,猪的IgG,BSA等不发生反应(图 4B)。因此,P2峰是主要含有SIgA的目的峰。
类似,从Protein L柱上洗脱下来的蛋白进行离子交换层析时,出现了P1峰、P2峰和P3峰3个峰,分别在15%、35%和50%的离子强度处被洗脱(图 6A)。对三个峰收集的蛋白进行SDS-PAGE鉴定,结果显示:P1、P2峰的蛋白在55和25 ku处均各有单一的条带(图 6A),其中P2峰55 ku处的重链要略大于P1峰的重链,推测P1峰为IgG,P2峰为SIgA。P3峰的蛋白条带位于33~25 ku,可能为残留的酪蛋白或者乳清中的其它蛋白。此外P2峰的所有收集管在70~90 ku有一条额外的条带,推测可能是SIgA上的SC片段。对P1和P2峰收集的蛋白进行Western blot鉴定,结果显示P2峰的蛋白能够与羊抗猪SIgA重链的抗体于55 ku发生特异性结合,与阳性对照SIgA出现条带的位置一致(图 6B),判断P2峰为SIgA。而抗体与P1峰蛋白,猪的IgG和BSA都没有明显反应。
经过上述阴离子柱交换层析,发现通过Protein L柱纯化得到的SIgA蛋白更多,阴离子交换层析时的峰型更好,因此,选取图 6中的P2峰,进行进一步的分子筛层析。分子筛层析结果显示,蛋白主要在13 mL左右出现较为单一的峰(图 7A),在10和15.5 mL左右分别由一个较小的峰。SDS-PAGE鉴定发现,主峰蛋白在55和25 ku各有一条蛋白条带,提示为免疫球蛋白。10 mL左右的小峰,蛋白条带位于70~90 ku,推测可能是SC蛋白。15.5 mL处的小峰,在55和25 ku各有一条蛋白条带,可能为残留的少量IgG。Western blot鉴定,结果显示主峰的蛋白能够与羊抗猪SIgA重链的抗体在55 ku发生特异性结合,与泳道2阳性对照结果一致(图 7B)。判断该主峰为猪的SIgA。
由于纯化的SIgA可用于ELISA测定,因此,我们用ELISA的方法来鉴定SIgA是否可以很好地被抗IgA(重链)的特异性抗体识别。结果显示,与BSA相比,本研究纯化的SIgA和SIgA阳性对照[20]与都抗IgA(重链)的抗体具有显著的反应性。而本研究纯化的SIgA与抗体的反应性与SIgA阳性对照相当,甚至还略高于SIgA阳性对照。因此,通过本论文中构建的SIgA的纯化方法,保留了SIgA的特性(图 8)。
血清IgA与SIgA的不同之处在于,血清IgA不含有SC成分,SC是分泌型IgA的特有组分,因此,作者用抗SC的单抗对纯化过程中的样品进行了Western bolt杂交。其结果显示,与商品化SC片段一致,不同纯化阶段的SIgA都能够与抗SC的单抗反应,在70~95 ku有一条明显的条带;但是IgG和BSA没有特异性的条带(图 9)。
为了进一步确认纯化得到的蛋白为SIgA,把重链对应的条带以及疑似SC的条带(图 10)进行了质谱鉴定(图 11)。
重链对应条带的质谱结果显示(表 1),丰度最高,匹配性最好,覆盖度最好,匹配的多肽条数最多的为猪的IgA重链区域(uniprot No.: A0A287B626),此外结果中猪的J链也占了相当的比例(uniprot No.: A0A287BJU0;A0A5G2QR26;F1RUQ0;A0A287BEC0;A0A287BJL0;A0A287B5V2;A0A287BQC8)。疑似SC条带的质谱进行搜库后,与猪的多聚免疫球蛋白受体,即SC(uniprot No.: A0A5G2RA19;F1SEY8;A0A287A0N2; A0A287B644;F1SEZ3;A0A287ADL4),有最好的匹配度,因此确定70~95 ku的条带为SC片段。因此,可以判定纯化得到的蛋白确实为猪的SIgA。
近年来,SIgA作为黏膜免疫的“主角”,其作为诊断靶标和治疗药物越来越受到重视[1, 9]。相对IgG的纯化,SIgA的提取更具有挑战性[17, 20]。与大部分传统的SIgA纯化方法相比[17, 20],本研究在如下几个方面具有创新和纯化优势:1)离心步骤中,增加了超速离心,可以使酪蛋白沉淀地更彻底,使乳清层得到一个更好的分离,减少了下一个纯化步骤中杂质蛋白的非特异性吸附。2)先用Protein G填料吸附乳清中的大部分IgG,这样避免由于大量的IgG吸附导致与Protein A及Protein L吸附的SIgA减少,最后使SIgA的收率减少。此外还避免在离子交换这一过程中,过多的IgG蛋白,增加纯化次数及对柱子造成的损害。3)所用的强阴离子柱Resource Q,比DEAE52弱阴离子填料具有更强的蛋白吸附能力,洗脱时具有更好的分辨率。分子筛Superose 6也比SephadexG-200具有更好的分辨率。这将使纯化获得的蛋白具有更高的纯度。4)在收率上,10 mL的初乳可以得到3 mg的SIgA蛋白,而使用传统方法,相同的初乳,获得SIgA的量只有1/3。5)从活性和完整性上,从ELISA的结果可以看出,相比本实验室保存的猪SIgA,本方法纯化的SIgA与抗猪IgA重链的抗体具有更好的反应性(图 8)。此外,本方法纯化的SIgA与抗SC的抗体具有很好的反应性,表明纯化的SIgA较好得保留了SC的部分(图 9),另外,从SDS-PAGE胶图上看SC的条带也比本实验室保存的SIgA明显,提示本纯化方法可能更有利于SIgA的完整性。
与之前构建的方法不同的是,在本方法中洗脱的蛋白没有出现IgM。猪IgM的重链条带大概在75 ku左右[20],可以在没有进行任何纯化的乳清以及亲和层析的流穿液中发现(图 3)。本研究与2011年方法的主要差异,是本方法先用Protein G、Protein A和Protein L进行的串联亲和层析,这些填料与猪IgM的亲和力还是未知。其中Protein G,与人的IgM和IgA有非常弱的亲和力,但是对鼠的IgM和IgA却没有亲和力,因此推测,在本方法中猪初乳中的IgM很有可能没有结合到亲和层析柱上,从而后继的纯化过程中也不会出现。而2011年的方法IgM是先过的SephadexG-200分子筛层析的时候出现的,此过程乳清中的所有蛋白都会出现,因而出现了上述差异。
本研究可以看出,相比SIgA,猪初乳中IgG的含量占了有绝对的优势。进行串联亲和层析后,从Protein G柱上洗脱了400 mg IgG,Protein A柱洗脱蛋白进行离子交换时,IgG还是占据了主要部分(图 4A),甚至Protein L上洗脱的蛋白进行离子交换时,IgG峰依然要比IgA高(图 6A)。鉴于此,推测猪初乳中IgG含量显著高于SIgA的原因,可能有如下三点:1)初乳中含有较多的SIgA,但是IgG依然为主要的抗体组分。2)SIgA的含量也有可能与初乳采集的时间有关,本研究用的初乳是产后当天采集的,此时SIgA的分泌量可能还不多。3)SIgA存在较多的糖基化,可能导致其与填料的亲和力下降,导致纯化得到的SIgA不多。
本研究一方面为从猪初乳中纯化SIgA提供了更高效的方法,为猪病的黏膜抗体诊断试剂盒提供原材料,另一方面也可为从其它动物初乳中提纯SIgA提供参考。
4 结论采用串联亲和层析,强阴离子柱和精细分子筛层析进行纯化,建立了一种从猪初乳中纯化SIgA的高效纯化方法,使用本方法纯化的SIgA较原先方法(即硫酸铵沉淀,DEAE52弱阴离子层析,SephadexG-200凝胶层析和多次亲和层析的纯化方法)具有更高的反应性。
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(编辑 白永平)