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[新城疫病毒TS09耐热株HN基因的序列测定与分析]基因七型新城疫

发布时间:2019-02-23 04:43:23 影响了:

  摘要:新城疫病毒TS09耐热株是由V4株经耐热选育得到的新毒株。对其血凝素-神经氨酸酶(Hemagglutinin-Neuraminidase,HN)基因进行序列测定分析。选取GenBank中国内外具有代表性的序列与其进行同源性和系统进化分析。结果表明,氨基酸序列同源性比较中,TS09耐热株与V4株的氨基酸的同源性为96.8%;在核苷酸系统进化树中,V4株位于基因I型的分支上,TS09耐热株位于基因II型的分支上;耐热株中HN基因中GC含量为47.58%,比不耐热株GC含量高;但比较耐热株和不耐热株HN蛋白的α螺旋,耐热株比不耐热株的HN蛋白在跨膜区和胞外区均多出一个长的α螺旋。同源性和系统进化分析表明TS09耐热株与V4株有很近的亲缘关系;耐热株和不耐热株HN蛋白的GC含量、α-螺旋有很大的差别,这可能与耐热性有一定的关系。
  关键词:新城疫病毒;TS09耐热株;HN基因;序列测定;耐热分析
  中图分类号:S852.65+9.5文献标识码:A文章编号:0439-8114(2011)12-2543-03
  
  Sequencing and Analysis of HN Gene of The Newcastle Disease Virus TS09
  Heat-resistant Strain
  
  SHANG Yu1,SHAO Hua-bin2,WANG Hong-lin2,YANG Jun2,HU Xue-ying1,CHENG Guo-fu1,WEN Guo-yuan2
  (1. Veternary Pathology Laboratory of Academe of Veterinary Medicine, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;
  2. Insitude of Animal Husbandry and Veterinary, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430209, China)
  
  Abstract: The Newcastle disease virus TS09 heat-resistant strain is a new strain obtained from the V4 strain by heat-resistant breeding. Its hemagglutinin-neuraminidase (HN) gene was sequenced and analyzed. Domestic and international representative sequences in GenBank were selected to analyze the homology and the phyletic evolution with HN gene of TS09 heat-resistant strain. Amino acid homology of the TS09 heat-resistant strains and the V4 strain was 96.8% in the comparison of amino acid homology. In the phylogenetic tree of nucleotide, TS09 heat-resistant strain is on the branch of genetype II and V4 strain is on the branch of genetype I. The GC content in HN gene of TS09 heat-resistant strain is 47.58% that is higher than thermolabile strains. Comparison of the α helixes in the HN protein of heat-resistant strains and thermolabile strains, the heat-resistant strains have two α helixes more than the thermolabile strains,one is in the transmembrane domain and the other one is in the extracellular domain. The similarity and phylogenetic analysis showed that genetic relationship of TS09 heat-resistant strain and V4 strain are very close. GC content and α helixes of HN protein are very different between heat-resistant strains and thermolabile strains,which may representate thermostability.
  Key words: Newcastle disease virus; TS09 heat-resistant strain; HN gene; sequencing; thermal analysis
  
  新城疫(Newcastle disease,ND)是由新城疫病毒(Newcastle disease virus,NDV)引起的禽类急性烈性传染性疾病,每年给国内外的养殖业带来了巨大的经济损失。NDV属于副黏病毒科腮腺炎病毒属,其基因组有15 186、15 192和15 198个核苷酸三种长度[1,2],有六个大的开放阅读框,编码6个主要蛋白(即NP核蛋白,P磷蛋白,M基质蛋白,F融合蛋白,HN血凝素-神经氨酸酶和L聚合酶)[3]。F蛋白和HN蛋白是NDV的两种囊膜糖蛋白,它们与NDV的致病性和免疫原性密切相关。HN蛋白具有血凝素和神经氨酸酶活性,在NDV侵染宿主细胞的过程中,HN蛋白能识别、吸附受体,并且能促进F蛋白与胞膜的融合。在不同的毒株中,HN基因的长度大小不一,其长度范围在1 716~1 851 nt,编码的蛋白质长度也随之变化。
  新城疫在我国属于强制性免疫疫病。目前,市场上使用的疫苗有活疫苗和灭活疫苗两种,活疫苗包括低毒力株疫苗和中等毒力株疫苗。这些疫苗各有缺点:中等毒力株活疫苗有较强的毒副反应,且有出现毒力返强的风险[4];低毒力活疫苗冷藏条件要求高,常因保存或使用不当而影响疫苗免疫效果;灭活疫苗需要肌肉注射,费工费时,免疫成本高,且影响禽肉品质。因此,研制无毒耐热活疫苗在防控新城疫方面有很重要的意义。NDV V4株是澳大利亚学者Simmons从8周龄有溃疡的鸡腺胃中分离的1株自然无毒耐热毒株,1988年,我国从澳大利亚引进该毒株,并对其部分生物学特性进行了研究,结果表明引进的V4株免疫鸡群后,HA抗体水平十分不一致,因而影响免疫鸡群的保护率。随后国内一些学者结合我国的实际进行了多方面的研究,并培育筛选出新的克隆株[5-7]。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文   湖北省农业科学院畜牧兽医研究所于1989年引入该株,并对其进行了耐热选育,获得了1株新的耐热疫苗株TS09株。经耐热试验分析(数据未列出),该毒株的耐热性比亲本株更好,且其保持原有的无毒力。该研究对TS09耐热株的HN基因进行了序列测定,分析了其与V4株的进化关系,并从蛋白一级结构与耐热性的关系角度探讨了其可能的耐热机制,为寻找NDV耐热株的耐热因子提供理论依据。
  1材料与方法
  1.1毒株
  NDV TS09耐热株由湖北省农业科学院畜牧兽医研究所对NDV V4株经耐热选育后获得,为鸡胚尿囊液,鸡胚半数感染剂量(EID50)为1×109.7/mL。
  1.2试剂
  主要仪器和试剂:PT-2000 PCR仪、Model 3000Xi电泳仪购自BioBAD公司;Agarose Gel DNA Extraction Kit、琼脂糖购自OMEGA公司;Trizol裂解液购自Invitrogen公司;dNTPs、Taq酶、M-MLV反转录酶和随机引物购自上海宝生物公司;Viral RNA Mini Kit(50)购自上海华舜生物技术有限公司;氯仿等试剂为分析纯试剂。
  1.3引物设计
  参考Genbank上与NDV V4株HN基因相似度最高的序列(序列号为AY935493),设计了两对引物。两条扩增片段之间有72 nt的重叠区,覆盖了整个HN基因区域以及其上游下游部分序列。两对引物的序列为:
  F1:5′-AATGCTGCCAACATCCTCCG-3′
  R1:5′-CCCTCCCTGTTGCAGATGTCC-3′
  F2:5′-TCACATCAATATTTAGCACTTGGTGTG-3′
  R2:5′-GCCTTCCATCATATCTGCATACATC-3′
  由上海博尚生物有限公司合成。
  1.4病毒RNA提取及cDNA合成
  根据RNA提取试剂盒说明书提取病毒全基因组RNA。病毒RNA样品用40 μL的DEPC水溶解。取17 μL RNA样品和1 μL随机引物在70 ℃水浴5 min,立即冰浴;加入5 μL 5×Buffer,1.5 μL dNTPs,0.5 μL M-MLV,混匀后42 ℃ 60 min;95 ℃ 5 min;冰浴,待进行PCR扩增。
  1.5PCR扩增及产物纯化
  取1 μL cDNA作为模板进行HN基因的PCR扩增。PCR体系为:5 μL 10×Buffer(含Mg2+),1 μL dNTPs,1 μL上游引物,1 μL下游引物,1 μL模板,0.5 μL Taq酶,40.5 μL H2O;PCR反应条件为:95 ℃ 5 min;94 ℃ 45 s,52℃ 45 s,72 ℃ 2 min,35个循环;72 ℃ 10 min。PCR产物以1%琼脂糖凝胶电泳。电泳完成后,切下目的片段,用Agarose Gel DNA Extraction Kit纯化回收DNA。
  1.6序列测定与分析
  纯化的PCR扩增产物送上海生工生物技术有限公司进行序列测定。对TS09株以及由Genbank(美国国家生物信息数据库,NCBI)检索获得到的25株NDV HN基因序列(其具体信息见表1)进行同源性和遗传进化分析。氨基酸同源性分析采用DNAstar软件包中的Megalign程序。遗传进化分析采用MEGA4软件(Molecular Evolutionary Genetics Analysis,4.0版本),具体参数设置参照文献[12]进行。
  2结果
  2.1NDV TS09耐热株HN基因的扩增
  分别以引物对(F1;R1)、(F2;R2)扩增出1号和2号片段,琼脂糖凝胶电泳结果见图1,由图1可得,两条目的条带均在2 000 bp左右,与预期的大小(1号2 085 bp和2号2 095 bp)相符。
  2.2NDV TS09耐热株HN基因序列测定
  对PCR产物进行纯化及序列测定后,将两条序列进行拼接,获得NDV TS09株HN基因的全长序列。该基因全长为1 734 nt,编码由577个氨基酸残基组成的多肽。推导的蛋白质分子量为62.8 kD,等电点为6.64。
  2.3NDV TS09耐热株HN基因的氨基酸同源性分析
  应用DNAstar软件包中的Megalign程序,对包括TS09耐热株在内的26株NDV HN基因进行氨基酸同源性分析。结果表明,TS09耐热株与其余25株NDV HN蛋白的氨基酸同源性为87.6%~96.8%。TS09株与V4、Lasota株的同源性最高,均为96.8%;与HB92株的同源性为96.7%。
  2.4基于HN基因的遗传进化分析
  应用MEGA4软件,对包括TS09耐热株在内的26株NDV HN基因进行遗传进化分析,得到图2。由图2可得,26个NDV毒株依据其亲缘关系的远近,可分为7个基因型。毒株的基因分型结果与表1中所描述的分型结果一致,表明进化树构建成功。分析TS09耐热株与其亲本V4株的亲缘关系:V4株属于基因I型,而TS09耐热株则位于基因II型的单独一个分支上,与Lasota、B1等II型代表株亲缘关系较远。结果表明,经过长期耐热选育,TS09耐热株已经由原有的基因I型进化为基因II型。
  2.5NDV TS09耐热株HN基因以及蛋白质α螺旋分析
  比较4株NDV耐热株(TS09、I-2、I-2 progenitor和V4)和4株非耐热毒株(Clone30、Lasota、B1和Mexico)HN基因GC含量和疏水性氨基酸含量,结果显示耐热毒株GC含量明显比不耐热毒株高(表2)。
  比较上述8株NDV毒株的HN蛋白α螺旋时发现,耐热毒株HN蛋白在跨膜区域里面有一个较长的α螺旋(位置大约在39-51氨基酸),而不耐热株没有或很短;耐热株HN蛋白在胞外区(280-298氨基酸区)有一个大的α螺旋(TS09株除外),而不耐热株在这个区域只有一个或两个较小的α螺旋(图3)。
  3讨论
  NDV HN蛋白是一种跨膜蛋白,HN蛋白的主要疏水区在N端,1~26氨基酸残基为囊膜内区,27~48氨基酸残基是跨膜区,其余为膜外区。TS09耐热株与其他26株HN蛋白氨基酸序列同源性为87.6%~96.8%,与V4、Lasota和HB92株同源性较高(达96.7%以上),这在一定程度上表明TS09耐热株与V4、Lasota和HB92株有一定的亲缘关系。有研究表明,HN蛋白的差异主要集中在1~80氨基酸上,81位以后变异相对较少[8],因此前80位氨基酸的相似性可以很大程度上说明毒株之间的亲缘关系。在比较TS09耐热株HN蛋白前80个氨基酸与其他毒株的相似性时发现,TS09株HN蛋白前80个氨基酸与V4株HN蛋白前80个氨基酸的相似性达到100%(其他数据未列出)。这进一步证实了TS09耐热株与V4株具有较近的亲缘关系。在基于HN基因的遗传进化分析中,由V4株选育得来的HB92株和TS09耐热株位于同一分支上(II型),而V4株却在I型的分支上。由此表明,在耐热选育的过程中,HN蛋白存在一定程度的变异,其基因型也随之发生由I型到II型的改变。在II型的分支中TS09耐热株有单独在一分支上,而HB92和Clone30、LaSota、B1株位于另一分支上。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文   TS09耐热株HN基因长1 734 bp,编码577个氨基酸,而V4株HN基因长1 851 bp,编码616个氨基酸。比对发现,缺失的长度全部在HN蛋白的末端,也就是膜外区的末端。这可能是由于选育压力导致的,HN蛋白暴露在膜外的部分较大,末端的部分缺失可以减小蛋白在膜外的体积,使其结构更趋稳定,这大概是TS09耐热株比V4株耐热性更好的原因。有学者认为HN蛋白对耐热没有太大作用[9],但我们的耐热试验结果表明,TS09耐热株和V4株在56℃水浴中温育2 h后,依旧具有一定的血凝活性,而对照Lasota株则完全丧失血凝活性,表明TS09耐热株和V4株HN蛋白具有耐热性。
  研究表明部分疏水性氨基酸随GC含量增加而增加[10],疏水性氨基酸的增加可以增加蛋白质的结构紧密性,从而使蛋白质结构更趋向稳定[11]。比较耐热株和非耐热株时发现前者GC含量显著高于后者,但统计数据得到疏水性氨基酸含量并不与GC含量呈正相关。可见,HN蛋白的耐热性增加并不依赖于疏水性氨基酸的增加,GC含量的增加,可能是通过其他途径增加HN的耐热性。在分析HN蛋白中的α螺旋时发现,耐热株普遍比不耐热株多两个长的α螺旋,其中一个在跨膜区,这可能促进跨膜区蛋白质的稳定,有利于蛋白镶嵌在膜上,从而促进耐热;另一个在胞外区,这可以促进胞外区的蛋白的稳定,有利于维护蛋白的空间构象,保护功能区不受破坏,从而增加了HN蛋白的耐热能力。
  综上所述,由氨基酸同源性分析可知TS09耐热株与亲本V4株又很近的亲缘关系,但进化树分析表明两株之间存在一定的变异。蛋白质二级结构分析结果表明,发现耐热株和非耐热株HN蛋白α螺旋存在一定的差异,这可能是HN蛋白耐热的部分因素。但病毒的耐热的机制是很复杂的,不但与核酸和蛋白质的组成以及蛋白质的二级结构和三级结构有关,还与蛋白质与蛋白质之间的相互作用等因素有关。该研究的后期工作是对NDV TS09耐热株的全基因组进行测定,从全基因组的角度分析耐热毒株和不耐热毒株之间的差异,进一步推动病毒耐热机制的研究。
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