分支杆菌新型表达系统的建立及其在基因重组卡介苗研究中的应用

论文摘要

结核病是备受世界关注的一种主要公众传染性疾病。目前,全世界约有1/3人口（18.6亿）携带有结核分支杆菌（Mycobacterium tuberculosis,M.tb）,每年约有800万新增病例,200万人死于结核病。而且,结核病的控制也因为多重耐药性（multidrug-resistant,MDR）菌株和艾滋病的出现使得本就十分严重的结核病疫情变得更加复杂化。目前,预防结核病唯一有效的疫苗是卡介苗（bacillusCalmette-Guerin,BCG）,一种活的减毒牛型分支杆菌（M.bovis）。尽管BCG仍在许多国家广泛用于儿童的免疫接种,但其对于成人肺结核的的保护效率仍一直存在很大的争议。临床试验结果显示,卡介苗对肺结核的免疫保护力介于0～80%之间,差异性极大。因此,研究一种保护效力超过BCG的结核病新疫苗势在必行。由于良好的免疫刺激效果以及广泛使用的安全性能,使得BCG可作为预防结核病以及其他传染病的优良细菌表达载体。利用大肠杆菌-分支杆菌穿梭载体,不同病原体来源的保护性候选抗原均可在BCG中克隆并表达,从而构建了相应更为高效的重组BCG（rBCG）疫苗。然而,由于BCG生长缓慢、构建的重组质粒表达水平偏低等因素的影响,其应用受到了一定的限制。近年来,随着分子生物学和基因工程技术的发展,构建可表达外源免疫优势抗原的rBCG研究发展迅速,并展现出了良好的应用前景。本文旨在建立一套分支杆菌的高效表达系统,以期实现目的基因在分支杆菌中的高水平表达;同时将其应用于rBCG的研究中,构建并筛选过表达结核杆菌嵌合抗原的基因重组卡介苗,并在动物水平上分析小鼠所诱导产生的抗原特异性细胞和体液免疫应答效果以评估其免疫原性。以耻垢分支杆菌（M.smegmatis）乙酰胺酶编码基因启动子（pACE）为基础成功构建了分支杆菌可控表达载体pMF系列,在蛋白水平验证了pACE启动子的调控严谨性,并成功的实现了M.tb嵌合抗原在M.smegmatis中的高水平表达;进一步分析其表达形式,发现主要为可溶性蛋白,从而免除了E.coli异源表达系统中所常见的蛋白变性与复性问题的困扰;另外,6×His Tag标签的引入可方便的利用Ni2+-NTA亲和层析实现重组抗原的一步纯化;尝试将重组诱导表达载体转化BCG,尽管加入诱导物,却并未实现嵌合抗原在rBCG中的高水平表达,提示以pACE为基础构建的表达质粒不适合作为rBCG的表达载体。以E.coli lacZ为报告基因,在穿梭表达载体pMV261基础上进行改造,构建了分支杆菌启动子探针载体pMC210;将结核杆菌铁摄入蛋白上游调控序列/启动子区域（pfurA）进行定点突变,并将pfurA及其突变体以基因融合的方式克隆于lacZ基因上游,通过β-半乳糖苷酶活性测定分析其启动子强度。结果显示,在两种分支杆菌中（M.smegmatis和BCG）,pfurA起始密码子GTG→ATG突变（pfurAa）仅能引起大约2倍β-半乳糖苷酶活性的升高,AT富集区序列6-bp的替换突变（pfurAm）可使转录活性升高4～6倍;如果是上述两者的联合突变（pfurAma）,β-半乳糖苷酶活性则升高约10倍,比在分支杆菌中过表达蛋白时常用的强启动子phsp60也要高1.7～2倍。而且,有趣的是,pfurAs在慢速生长的BCG中比在快速生长的M.smegmatis中表现出了更高的β-半乳糖苷酶活性。将带有不同pfurA-lacZ融合片段的rBCG::lacZ菌株感染鼠巨噬细胞RAW264.7单细胞层,发现所有rBCG::lacZ菌株在感染初期,β-半乳糖苷酶表达均迅速上调,1d后达到峰值;并可在细胞内持续表达,7 d后酶活性仍可维持在较之体外略高的水平。随后的动物实验结果显示,接种了rBCG::lacZ的小鼠成功的诱导出了增强的Th1型免疫应答反应,主要表现为高滴度IgG2a的产生以及高水平IFN-γ的分泌,且其所诱导产生分泌IFN-γ的T淋巴细胞数量和rBCG::lacZ所表达的β-gal抗原水平呈正相关性。提示pfurAs启动子系列非常适合在rBCG中驱动异源基因的表达,且以其为基础构建的重组卡介苗可诱导机体产生抗原特异性Th1为主的免疫应答反应。因而,pfurA及其突变体被用来构建分支杆菌的差异表达载体pMFA系列。应用pMFA载体系列,成功的实现了M.tb嵌合抗原在M.smegmatis及BCG中以不同水平的差异性表达;具有起始密码子及AT富集区联合突变的pfurAma导致了最高水平的基因表达,这与β-半乳糖苷酶活性测定结果相一致。接着,以带有不同pfurA-ag856a2融合片段的rBCG856A2免疫小鼠,进一步在动物水平验证了该rBCG856A2可以在小鼠体内分别诱导产生Ag85A、ESAT-6抗原特异的细胞免疫应答和体液免疫应答,说明嵌合基因rBCG856A2具有良好的免疫原性。另外,为了配合嵌合基因rBCG856A2的免疫检测工作,我们还分别在E.coli中表达与纯化了重组蛋白Ag85A、ESAT-6以及嵌合抗原Ag856A2,并同时制备了Anti-Ag85A及Anti-ESAT-6的小鼠单克隆抗体。接下来我们的工作重点将是进行小鼠攻击试验,以评估嵌合基因重组卡介苗的免疫保护效果,为日后的临床试验打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号与缩略语说明
• 前言
• 参考文献
• 第一章 分支杆菌可诱导表达系统的建立及应用
• 1 材料和方法
• 1.1 菌株、质粒及培养基
• 1.2 酶、抗生素和化学试剂
• 1.3 大肠杆菌普通感受态细胞的制备及转化
• 1.4 质粒DNA的小量提取
• 1.5 质粒DNA的小量酶切
• 1.6 目的基因片段与载体的连接
• 1.7 重组克隆的鉴定
• 1.8 分支杆菌基因组DNA的提取
• 1.9 M.smegmatis乙酰胺酶基因启动子pACE的扩增
• 1.10 分支杆菌可诱导表达载体的构建
• 1.11 结核杆菌嵌合抗原Ag856A2在M.smegmatis中的表达与纯化
• 1.12 结核杆菌嵌合抗原在M.bois BCG中的表达与鉴定
• 2 结果与分析
• 2.1 分支杆菌可诱导性启动子pACE的扩增、克隆及鉴定
• 2.2 分支杆菌可诱导表达载体pMF系列构建及鉴定
• 2.3 M.smegmatis生长曲线
• 2.4 结核杆菌嵌合基因的扩增与克隆
• 2.5 结核杆菌嵌合抗原Ag856A2在M.smegmatis的表达及鉴定
• 2.6 结核杆菌嵌合抗原Ag856A2在M.smegmatis的大量表达及纯化
• 2.7 可诱导表达载体pMF系列在M.bovis BCG中不受乙酰胺调控
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 参考文献
• 第二章 分支杆菌差异表达载体的建立及其应用
• 1 材料和方法
• 1.1 菌株、质粒及培养基
• 1.2 酶和引物
• 1.3 E.coli lacZ基因截短片段的扩增
• 1.4 分支杆菌启动子探针载体pMC210的构建
• 1.5 pfurA基因定点突变及其亚克隆
• 1.6 分支杆菌感受态细胞的制备及电转化
• 1.7 体外β-半乳糖苷酶活性分析
• 1.8 鼠巨噬细胞RAW264.7细胞培养与分支杆菌感染
• 1.9 细胞内β-半乳糖苷酶活性分析
• 1.10 rBCG::lacZ疫苗制备与小鼠免疫
• 1.11 ELISA测定血清抗体效价
• 1.12 抗体分型
• 1.13 小鼠脾脏分离及淋巴细胞制备
• 1.14 IFN-γ ELISPOT
• 1.14 统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 lacZ'基因的扩增及分支杆菌启动子探针载体pMC210的构建
• 2.2 pfurA基因定点突变及其亚克隆
• 2.3 体外β-半乳糖苷酶活性分析
• 2.4 细胞内β-半乳糖苷酶活性分析
• 2.5 rBCG::lacZ诱导的体液免疫应答分析
• 2.6 rBCG::lacZ诱导的细胞免疫应答分析
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 结核杆菌嵌合基因重组卡介苗的免疫原性研究
• 1 材料和方法
• 1.1 菌株、质粒及培养基
• 1.2 酶和引物
• 1.3 M.tb主要保护性抗原Ag85A在E.coli中的克隆、表达与纯化
• 1.4 M.tb早期分泌蛋白ESAT-6在E.coli中的克隆、表达与纯化
• 1.5 M.tb嵌合抗原Ag856A2在E.coli.中的克隆、表达与纯化
• 1.6 Ag85A、ESAT-6单克隆抗体的制备
• 1.7 分支杆菌差异表达载体的构建
• 1.8 M.tb嵌合基因重组卡介苗（rBCG856A2）的构建
• 1.9 Western-blot鉴定嵌合抗原在M.bois BCG中的表达
• 1.10 rBCG856A2疫苗制备与小鼠免疫
• 1.11 ELISA测定血清抗体水平及抗体亚类
• -γ ELISPOT测定'>1.12 小鼠脾淋巴细胞制备及IFN_-γELISPOT测定
• 1.13 统计分析
• 2.结果与分析
• 2.1 M.tb主要保护性抗原Ag85A在E.coli中的表达与纯化
• 2.2 M.tb早期分泌抗原ESAT-6在E.coli中的表达与纯化
• 2.3 M.tb嵌合抗原Ag856A2在E.coli中的表达与纯化
• 2.4 Ag85A、ESAT-6小鼠单克隆抗体的制备
• 2.5 分支杆菌差异表达载体pMFA系列的构建
• 2.6 嵌合基因重组卡介苗（rBCG856A2）菌株的筛选及其鉴定
• 2.7 rBCG856A2诱导的体液免疫应答分析
• 2.8 rBCG856A2诱导的细胞免疫应答分析
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 全文总结
• 1 全文研究内容总结、讨论与展望
• 2 本论文的主要创新点
• 第五章 文献综述
• 1 结核分支杆菌及结核病的流行病学
• 1.1 结核分支杆菌的生物学性状
• 1.2 结核杆菌的感染、潜伏及其复燃
• 1.3 结核病的流行病学
• 2 抗结核杆菌感染的免疫机理
• 2.1 结核杆菌感染宿主的生物学过程
• 2.2 巨噬细胞与天然免疫反应
• 2.3 T淋巴细胞与细胞免疫反应
• 2.4 细胞因子和免疫保护之间的关系
• 3 卡介苗的研制历史、保护效果及其失效原因分析
• 3.1 卡介苗的研制与使用
• 3.2 卡介苗的临床试验及其保护效果
• 3.3 卡介苗失效原因分析
• 4 基于卡介苗效力不足,探索结核病新型疫苗研制的优化策略
• 4.1 卡介苗缺乏重要保护性抗原——运用基因组学开发合理的疫苗
• +T细胞亚类'>4.2 加强T细胞亚类的最适组合——靶向CD8⁺T细胞亚类
• 4.3 环境分支杆菌与BCG相互作用——克服环境分支杆菌致敏影响的疫苗设计
• 4.4 防止BCG效力减弱——加强免疫的作用
• 4.5 基于卡介苗效力不足,探索结核病新型疫苗研制的优化策略
• 5 预防性结核病新疫苗的研究方向及其进展
• 5.1 取代卡介苗的初种疫苗（Priming Vaccines）
• 5.2 增强BCG免疫效果的加强疫苗（Late Booster Vaccines）
• 5.3 用于潜伏感染者的多相疫苗（Post-exposure Multiphase Vaccines）
• 6 结核病新疫苗的临床试验及WHO控制和消灭结核病的全球计划
• 6.1 进入临床试验阶段的结核病新疫苗
• 6.2 结核病新疫苗临床试验面临的主要问题
• 6.3 WHO控制和消灭结核病的全球计划（Global Plan to Stop TB）
• 7 结语与展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 实验室常规培养基及分子生物学试剂
• 附录2 常规免疫学检测用试剂
• 附录3 分支杆菌培养基及其电转感受态细胞制备用试剂及仪器
• 附录4 β-半乳糖苷酶活测定所需仪器及试剂
• 附录5 相关分支杆菌穿梭表达载体序列
• 攻读博士学位期间专利申请及学术论文发表情况
• 致谢