1.简介
据估计,热带和亚热带74个国家的2亿多人患有慢性被忽视的疾病——裂体病或血吸虫病,另有6亿人面临风险(世界卫生组织,2002年)
). 大多数感染是由三种物种引起的,曼氏血吸虫,血红假单胞菌和日本血吸虫它们生活在血管中。血吸虫病通过接触含有感染性幼虫阶段尾蚴的水传播。尾蚴渗入皮肤,成熟进入成虫体内,成虫产卵后排泄到水源中。从卵中孵化出来的毛蚴感染中间宿主,生物鞭毛虫属蜗牛曼索尼,在其中它们成熟为尾蚴。蜗牛将这些感染性尾蚴释放到水源中,感染循环继续进行(法里亚斯等。, 2012
). 除了血吸虫病导致的直接发病率外,寄生虫还对身体造成严重破坏,并与泌尿生殖道癌、肝癌和膀胱癌的风险增加有关(Khaled,2013年
). 目前治疗血吸虫病的首选药物是吡喹酮,但不幸的是,疟原虫对这种药物的耐药性越来越强(Doenhoff等。, 2002
). 因此,包括疫苗在内的其他血吸虫病治疗方法的开发正在进行中。
实验候选疫苗的初始选择基于来自曼索尼基因组,该基因组鉴定了推测的表面暴露/分泌蛋白,能够对宿主免疫系统起调节作用(Verjovski-Almeida等。, 2003
). 实验候选疫苗包括属于超家族的蛋白质,即CAP(富含半胱氨酸的分泌蛋白/抗原5/致病相关-1)和SCP/TAPS(精液包被蛋白/Tpx/抗原5/致病相关-1/Sc7)超家族。CAP超家族的不同成员包括昆虫和爬行动物毒液过敏原;因此曼索尼直系木被命名为曼索尼S.mansoni毒液过敏样蛋白(SmVAL;Chalmers等。, 2008
). 28个SmVAL属于两个不同的亚家族(第1组和第2组),这些蛋白的表达受发育调控(Chalmers等。, 2008
). 第1组SmVAL是在寄生过程中产生的,并与宿主-寄生虫的相互作用有关。第1组的成员可以被认为是感染性L3钩虫在宿主进入时分泌的主要蛋白质的同源序列(Goud等。, 2005
; 查尔默斯等。, 2008
). 第1组是迄今为止较大的组,其成员包括SmVAL1–5、SmVAL7–10、SmVAL12、SmVAL24、SmVAR15和SmVAL18–29。已经获得了一些SmVAL的生命周期表达谱:特别是SmVAL1、SmVAL4和SmVAL10与宿主入侵有关,SmVAL5在尾蚴和3 h血吸虫(Chalmers)中都表达等。, 2008
). SmVAL4是在与入侵相关的阶段分泌的,这使其成为一种可行的候选疫苗。
选择分泌分子作为蠕虫候选疫苗的基本原理是通过阻断或损害关键过程(例如皮肤渗透、血管渗透和血液喂养)来干扰寄生虫的迁移。这一理论正在应用于蠕虫美洲坏死菌通过靶向钩虫肠道分泌的两种酶(Na-APR-1和Na-GST-1),使钩虫饥饿(Hotez等。, 2013
). 在血吸虫病中,释放到皮肤中的尾蚴蛋白应该是免疫系统能够获得的第一种蛋白质,因此可以被认为是可行的候选疫苗。幼虫分泌物也是高度免疫原性的疫苗靶点,因为用这些分泌物的抗血清进行被动免疫可以提供大约50%的保护,以抵抗挑战性感染(休伊森等。, 2009
). 作为设计阻止或损害寄生虫迁移和血液喂养过程的血吸虫疫苗的基本原理,以最初感染阶段的产品为目标是很重要的(例如SmVAL4,可能局限于髋臼腺)以及成年患者(例如SmVAL7,位于成年蠕虫的食道腺)(Rofatto等。, 2012
).
SmVAL的特征是单个CAP结构域,也称为SCP/TAPS、NCBI结构域cd00168或Pfam PF00188,其存在于细菌、植物、动物和病毒(Geer等。, 2002
; 吉布斯等。, 2008
; 米尔恩等。, 2003
; 坎塔塞西等。, 2009
; 丁等。, 2000
; 霍顿等。, 1999
; 詹等。, 2003
; 高等。, 2001
). SCP/TAPS结构域是一个15kDa结构域,与需要细胞防御或增殖的条件有关,包括植物对病原体的反应和人脑肿瘤的生长(Ding等。, 2000
; 霍顿等。, 1999
; 詹等。, 2003
; 高等。, 2001
; 吉布斯等。, 2008
). 此外,一些CAP超家族成员也参与了绑定脂质。来自一种吸血节肢动物的tablysin-15的结构特征揭示了一个疏水通道,它可以结合白三烯具有亚摩尔亲和力,表明该蛋白作为二十烷酸类抗炎清除剂发挥作用(Xu等。, 2012
). 哺乳动物CAP蛋白GLIPR2/GAPR-1在多形性胶质母细胞瘤中高度过度表达,并与含有负电荷的脂质体表面结合脂类(范加伦等。, 2010
, 2012
). GAPR-1可以结合多达三个磷脂酰肌醇分子,强度足以抵抗变性或有机物溶剂萃取(范加伦等。, 2010
, 2012
). 此外,酵母中的SCP/TAPS家族成员最近被证明需要出口甾醇 体内这些蛋白质结合胆固醇体外(Choudhary和Schneiter,2012年
). SCP/TAPS蛋白的几种结构已被报道,尽管序列同源性较低,但它们都显示了一个保守的α/β-夹心CAP域(Asojo等。, 2005
, 2011
; Asojo,2011年
; 塞拉诺等。, 2004
; 费尔南德斯等。, 1997
; 王等。, 2005
; 岛本茂等。, 2005
; 郭等。, 2005
; 徐等。, 2012
; 吉布斯等。, 2008
; 博洛等。, 2013
). CAP域的主要结构差异包括其股和螺旋的长度以及环的长度、方向和位置(Asojo等。, 2011
; Asojo,2011年
). 此外,先前对CAP蛋白结构的分析表明,每个蛋白都有长而灵活的环,这导致难以准确预测这些蛋白的结构(Asojo等。, 2005
, 2011
; Asojo,2011年
). SmVAL的结构研究是目前对这些假定候选疫苗的结构和功能进行表征的工作的一部分。因此,第一个晶体结构SCP/TAPS或CAP蛋白曼索尼S.mansoni显示SmVAL4。
2.实验程序
2.1. 重组蛋白的表达与纯化
pPICZ公司α如前所述,构建了含有成熟SmVAL4蛋白ORF的载体(Farias等。, 2012
),在成熟蛋白序列的末尾包含一个终止密码子。中的转化者毕赤酵母菌株X33在抗zeocin YPD平板上筛选,并用pPICZ进行PCR扩增鉴定α载体侧翼引物(α-因子和3′AOX1)。选取20个具有正确插入物的菌落,在30°C下用0.5%甲醇诱导重组SmVAL4蛋白72小时。用表达量最高的菌落制作研究种子库,从中培养出发酵剂培养物(29°C,250转/分钟)−1)在25 ml缓冲的最小甘油中(BMGY;100 mM(M)磷酸钾pH 6.0,1.34%酵母氮碱,4×10−5%生物素、1%酵母提取物、1%甘油)置于250 ml带挡板的烧瓶中,29°C,300转/分−1直到OD600达到2.0(约18小时)。将发酵剂培养物接种到300 ml BMG中的2.0 l挡板烧瓶中,并继续生长直至OD600达到2到6之间。细胞被轻轻地造粒(3000克,室温下5分钟),并重新悬浮在1000 ml缓冲的最小甲醇中(BMMY;100 mM(M)磷酸钾pH 6.0,1.34%酵母氮碱,4×10−5%生物素、1%酵母提取物、0.5%甲醇)启动诱导。每24小时,将100%甲醇添加到0.5%的最终浓度以保持诱导。诱导72小时后,通过10 000转/分离心分离酵母细胞中含有分泌SmVAL4蛋白(CSP)的培养基−1。CSP通过0.22µm膜过滤器过滤,并在−80°C下储存,直至使用。解冻CSP后,在4°C下对500 ml CSP进行过夜透析,以0.1M(M)Tris–HCl pH 8.0,具有3.5 kDa分子量截止值的再生纤维素膜(Fisher Scientific)。在净化之前,大量透析去除了培养基和其他盐类。通过阳离子交换法在150 ml批次中纯化蛋白质色谱法在自然条件下,使用两个5 ml HiTra SP XL色谱柱(GE Healthcare),用0.1的七个色谱柱体积(CV)串联预平衡M(M)Tris–HCl pH 8.0,用0–1洗脱M(M)NaCl线性梯度。包含主峰的分数和制剂的纯度通过以下方法进行评估电泳使用NuPAGE Novex 4–12%Bis-Tris凝胶和MES运行缓冲液(Invitrogen)。1升振荡生长的典型产量约为25毫克>99%的纯蛋白质。
2.2。结晶
合并峰分并浓缩至8 mg ml−1柠檬酸钠溶液pH 5.0。使用Cryos and PEG Suites(Qiagen)和Crystal Screen(Hampton Research)筛选晶体后,确定并优化结晶条件。通过将1.5µl蛋白质溶液与由0.085M(M)三水合醋酸钠pH 4.6,25%(w个/v(v))聚乙二醇2000,0.17M(M)15%硫酸铵(v(v)/v(v))甘油。这些晶体的形状通常类似于剑,尺寸为0.1×0.3×0.7 mm。我们用微酚切割每个晶体,得到一个较小的碎片,用于数据收集。由于晶体生长在含有足够低温保护剂的溶液中,所有晶体都直接在N流中闪蒸冷却2在收集衍射数据之前,在113 K温度下对气体进行测量。
2.3. 数据收集和结构确定
使用Rigaku HTC探测器在贝勒医学院核心设施收集X射线衍射数据。X射线源是Rigaku FR-E+超亮微焦点旋转阳极发生器,带有VariMax高频光学元件。使用CrystalClear公司(d*TREK公司)包(Pflugrath,1999
). 数据处理使用MOSFLM公司(莱斯利,2006年
). 该晶体属于四方晶系空间组 P(P)61,具有近似的单位-细胞参数一= 78.65,b条= 78.65,c(c)= 83.52 Å,α=β= 90,γ= 120°.
正如我们实验室中解决的其他SCP/TAP蛋白结构的情况一样分子置换(MR)使用不同的搜索模型(Asojo等。, 2011
, 2005
; Asojo,2011年
)带有相位器(麦考伊等。, 2005
; 斯托罗尼等。, 2004
). 唯一的MR搜索模型产生了一个具有R(右)自由的小于40%的是sGLIPR1(PDB条目第三季度; Asojo公司等。, 2011
)去掉主回路。正确的MR溶液意味着每非对称单元马修斯系数(Kantardjieff&Rupp,2003)
; 马修斯,1968年
)第3.97页三 Da公司−1溶剂含量为69%。通过自动建模改进了模型ARP协议/弯曲(莫里斯等。, 2003
, 2004
)然后使用库特(埃姆斯利等。, 2010
)和结构精炼具有REFMAC公司5(穆尔舒多夫等。, 2011
)在中央对手方清算所4包(Winn等。, 2011
). 除非另有说明,否则使用PyMOL公司(德拉诺,2002
). 结构质量和数据收集的详细信息如表1所示
。原子坐标和结构因子已作为条目保存在PDB中第4页,共27页。
“空间”组 | P(P)61 | 单位-细胞参数(Ω,°) | 一= 78.65,b条= 78.65,c(c)= 83.52,α=β= 90,γ= 120 | 分辨率极限(Ω) | 30.8–2.16 (2.23–2.16) | 〈我/σ(我)〉 | 5.1 (1.0) | 反射次数 | 342026 (28776) | 独特反射次数 | 15770 (1361) | 多重性 | 21.2 (21.1) | R(右)合并†(%) | 7.1 (76.2) | 完整性(%) | 99.7 (99.3) | R(右)晶体‡ | 0.175(0.218) | R(右)自由的§ | 0.208 (0.284) | 相关系数 | F类o个−F类c(c) | 0.960 | F类o个−F类c(c)(免费) | 0.945 | R.m.s.偏差 | 粘结长度(Ω) | 0.024 | 粘结角度(°) | 2.303 | 平均值B类系数(Ω2) | 39.37 | 模型组成 | 单体 | 1 | 氨基酸残基 | 155 | 水分子 | 93 | N个-乙酰-D类-葡糖胺 | 1 | | †R(右)合并=![[\textstyle\sum_{hkl}\sum_}|i_{i}(hkl)-\langle i(hk1)\rangle|/]](teximages/be5268fi1.gif) ,其中我我(香港特别行政区)和〈我(香港特别行政区)〉是我用指数测量反射的平均强度香港特别行政区分别是。 ‡R(右)晶体=![[\textstyle\sum_{hkl}\big||F_{rm obs}|-|F_}\rm calc}|\big|/]](teximages/be5268fi3.gif) ,其中F类光突发事件被观察到并且F类计算是计算出的结构系数振幅。 §R(右)自由的使用随机选择的5%的反射来计算。 |
SEC-MALS实验是通过以0.25 ml min的流速将10µg蛋白质样品加载到TSKgel SuperSW mAb HTP柱(美国宾夕法尼亚州普鲁士国王托索生物科学公司)上进行的−1使用安捷伦1260 Infinity系列HPLC。柱缓冲液为1×PBS(pH 7.4)。紫外检测器(安捷伦)、miniDAWN三角光散射检测器(怀亚特技术)和Optilab rEX差动折射计(怀亚特技术)在柱下游串联。折射计提供了蛋白质浓度的连续指数。A和dn个/d日c(c)0.185 ml mg的(折射指数增量)值−1已使用。牛血清白蛋白用作各向同性散射体,用于检测器归一化。蛋白质散射的光与其重量平均分子质量和浓度成正比。因此,使用ASTRA公司6.0软件。
2.5.体内突变酵母细胞的甾醇输出
乙酰化和出口甾醇按照蒂瓦里的描述,对培养上清液进行检查等。(2007年
). 大麻(血红素1Δ)在含有胆固醇/Tween 80的培养基中培养缺陷酵母细胞,并用0.025µCi ml标记−1[14C] -胆固醇(美国放射性标签化学品公司,美国密苏里州圣路易斯)。通过离心收集细胞,用合成完整(SC)培养基洗涤两次,稀释至OD600在含有非放射性标记胆固醇的新鲜培养基中培养1个,隔夜培养。细胞离心脂类用氯仿/甲醇[1:1从细胞颗粒和培养上清液中提取(v(v)/v(v))]。样品经干燥和分离薄层色谱法使用硅胶60板(TLC;德国达姆施塔特默克公司),使用溶剂系统石油醚/乙醚/乙酸(体积比70:30:2)。无线电标签脂类通过使用Berthold Tracemaster 40自动TLC线性分析仪(德国Bad Wildbad Berthold Technologies)进行扫描,对TLC进行定量。然后将TLC板暴露在荧光成像仪屏幕上并进行放射性标记脂类使用磷光体成像仪(Bio-Rad Laboratories,Hercules,California,USA)进行可视化。
2.6.体外固醇结合
如前所述进行放射性配体结合测定(Im等。, 2005
; Choudhary&Schneiter,2012年
). 在结合缓冲液(20 m)中纯化蛋白质(0-300 pmol)M(M)Tris pH 6.5,30 mM(M)NaCl,0.05%Triton X-100)与[三H] -胆固醇(50或200 pmol)在30°C下保持1小时。然后通过Q Sepharose微球(GE Healthcare,USA)吸附将蛋白质从未结合配体中分离出来,冲洗微球并通过闪烁计数定量放射性配体。对于竞争性结合分析,结合反应中包括未标记的胆固醇(50或500 pmol)。为了确定非特异性结合,在没有添加蛋白质的情况下培养离子交换珠。
4.讨论
4.1. SmVAL4是独一无二的,缺乏典型的CAP图案
使用的“结构相似性”选项确定了与SmVAL4最相似的结构PDB折叠(https://www.ebi.ac.uk/msd-srv/sm网站/)这使得三维结构线形能够同时考虑线形长度和r.m.s.d。与SmVAL4最相似的结构是带有Zn的sGliPR12+(PDB条目第三季度; Asojo公司等。, 2011
)这表明SmVAL4与人类CAP蛋白相比,与其他寄生虫的CAP蛋白更为相似。我们之前曾观察到钩虫GST的类似情况,与血吸虫同源物相比,钩虫GSTs在结构上更类似于人类GSTs(Asojo等。, 2007
). NaASP2(PDB条目)的结构1个u53; Asojo公司等。, 2005
)是第二个与SmVAL4最相似的CAP结构,其次是含有肌醇的人类GAPR-1(PDB条目4年; 范加伦等。, 2012
),GAPR-1 apo结构(PDB条目1兆字节; 塞拉诺等。, 2004
)和pseudechetoxin(PDB进入第二天; 铃木等。, 2008
),然后通过17个蛇毒CRISP结构和表素-15(PDB条目3个u3; 徐等。, 2012
). 这些代表性CAP的比对表明,最大的差异在于环区以及螺旋和股的长度。尽管SmVAL4是一种较短的CAP蛋白,但其螺旋比其他CAP蛋白长。SmVAL4还有一个额外的310-螺旋涉及α–β–α在任何其他代表性CAP蛋白结构中未观察到的三明治(图2
和3
).
与其他CAP或SCP/TAPS结构一样,SmVAL4具有一个较大的中央空腔(图3
). CAP腔是在所有其他报道的SCP/TAPS蛋白质结构中观察到的暴露中央腔(Asojo,2011
; Asojo公司等。, 2005
, 2011
; 吉布斯等。, 2008
, ). 在许多SCP/TAPS结构中,CAP腔的特征通常是来自四个特征CAP基序CAP1、CAP2、CAP3和CAP4(Gibbs等。, 2008
). PROSITE数据库中只定义了其中两个基序,即CAP1和CAP2(https://www.expasy.ch/文章). 有趣的是,SmVAL4的PROSITE扫描显示这些CAP基序都不保守。Gibbs和同事定义了另外两个CAP基序,他们的一致序列是HNxx个CAP3和CAP4基序的R和G(EQ)N(ILV)(吉布斯等。, 2008
). SmVAL4中只存在CAP4基序,SmVAL5的CAP腔中除了一个外,其余都缺乏特征性CAP腔四元氨基酸残基(图2
和4
). 此外,没有与锌配位的组氨酸2+在拟定锌中2+和肝素硫酸盐依赖性炎症调节机制在眼镜蛇CRISP钠蛋白研究中的应用(Wang等。, 2010
)在SmVAL4中保守(图2
和4
). 这些组氨酸的缺乏使SmVAL4不能与锌配位2+并暗示SmVAL4功能的不同潜在机制,与这些残基无关;事实上,在酵母CAP蛋白(Choudhary等。, 2014
). 两种组氨酸的缺乏并不是SmVAL4独有的;另一种结构已知但不含组氨酸的CAP蛋白是tablysin-15(图2
). 由于其他几种SmVAL保留了两种组氨酸(Chalmers等。, 2008
). 此外,根据对第1组SmVAL序列和结构的比较,很明显,由于这些CAP结构中存在大量的环路和转弯区域,因此无法从SmVAL4的结构或其他代表性CAP结构的结构准确预测大多数其他SmVAL的结构(补充图S11). 此外,尚不清楚是否有SmVAL形成典型CAP四分体基序,未来的结构分析是必要的,以确定是否是这种情况。还不清楚许多SmVAL中的插入区域和附加末端区域是如何折叠的(补充图S1)。需要其他SmVAL的结构特征来回答这些问题。