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本研究旨在对NDV地方分离株GM株(强毒株)和JM株(弱毒株)进行全基因分析,并在此基础上自行设计、构建2套辅助蛋白表达系统和2套全长基因组cDNA克隆,从而为利用反向操作系统研究NDV的基因结构与功能、发病机制,以及开发新型的基因工程疫苗奠定基础。
研究结果表明,GM株和JM株基因组总长分别为15192bp和15186bp,长度符合“六的倍数”规则。二者基因组3’末端(Leader)和5’末端(Trailer)分别长55nt和114nt。两毒株基因组内部均含有六个ORF,分别编码NP、P、M、F、HN、L等六种蛋白。每个基因起始信号为UGCCCAUCC(u)U,终止信号为AAU<,(1-2)>CUUUUUU。
两个NDV分离株的F基因全长均为1792bp,预计编码553个氨基酸组成的F蛋白。其中GM株F蛋白裂解位点的序列为RRQKRF,有多个碱性氨基酸的插入,符合NDV强毒株的分子特征;JM株F蛋白裂解位点的序列为GKQGRL,符合NDV弱毒株的分子特征。两毒株均有6个保守的潜在糖基化位点(分别在85、191、366、447、471、541位残基处),以及3个与融合活性直接相关的抗原决定簇(分别位于343、72和161位氨基酸残基)。二者的半胱氨酸残基数量和位置基本一致,但JM株在27位和514位比GM株多出2个半胱氨基残基。
HN基因在两毒株间存在差异,其中GM株的HN基因全长2004bp,预计编码571个氨基酸组成的多肽。而JM株的HN基因全长2002bp,预计编码616个氨基酸组成的多肽。对两毒株HN蛋白的关键位点分析后发现除了共有的4个潜在糖基化位点外,JM株还多出538和600两个位点,GM株则多出508位的一个潜在糖基化位点。从半胱氨酸残基的位置看,除了12个很保守的位点外,GM株在188位还有一个残基,而JM株则在186和596位还有两个半胱氨酸残基。两毒株的NP基因全长1746bp,预计编码389个氨基酸的NP蛋白。值得关注的是GM株(强毒株)在1652-1657bp位置(非编码区)比JM株(弱毒株)多出6个碱基,序列为“TCCCAC",这与国内近年分离的NDV强毒株特点相同。GM株和JM株的P基因全长均为1450bp,预计编码395个氨基酸组成的P蛋白,其484位含有保守的mRNA编辑位点(AAAAAGG↓G)。M基因的eDNA全长均为1711bp,预计编码364个氨基酸组成的M蛋白。L基因的cDNA全长均为6703nt,预计编码2204个氨基酸组成的L蛋白。
对GM株和JM株各基因进行生物信息学分析后发现,GM株属于基因Ⅶ型,与国内近年来分离的NDV强毒株亲缘关系最近,尤其与GX11-03株的同源性最高,但与国内早期的标准强毒株F48E9亲缘关系较远;JM株属于基因Ⅱ型,和国内弱毒株HB92 V4及澳大利亚分离株98-1154亲缘关系最近,但与国内广泛使用的疫苗株LaSota亲缘关系较远。
成功模建了GM株、JM株、LaSota株及F48E9株等4个NDV株主要的毒力蛋白F蛋白和HN蛋白C端蛋白单体的空间结构。结果显示,各毒株F蛋白单体分子的空间结构极为相似,大致分为3部分,即头部、茎部和柄部。其中头部结构主要由一些折叠股组成,茎部和柄部主要由螺旋结构组成。比较各毒株F蛋白溶剂可及表面面积和可及分数后发现,该蛋白有5个线性B细胞表位和7个比较保守的抗原决定簇位点,蛋白头部残基的空间位置随毒株的不同而变异较大,GM株与F48E9存在36个残基的差异,JM和LaSota存在20个残基的差异。研究结果还表明,四个毒株的HN蛋白C端空间结构较保守,由多个折叠股和4段螺旋结构组成,其抗原决定簇位点也高度保守,GM株与F48E9、JM和LaSota之间均只有4个残基发生变异。根据GM株和JM株的基因组序列分析结果,本研究自行设计和构建了含T7启动子、终止子及δ型肝炎核酶序列(Rbz)的转录载体,并分别将这两个毒株基因组3’端非编码区和5’端非编码区,以及绿色荧光蛋白(eGFP)基因克隆到该载体中,成功获得了两个毒株的微基因组质粒。同时,将GM株和JM株的NP、P、L基因装入哺乳动物细胞真核表达载体pCI-neo中,与上述微基因组质粒配套,形成了分别针对NDV强、弱毒株的2套反向遗传操作辅助蛋白表达系统质粒。2套质粒分别共转染已感染了可表达T7RNA聚合酶的痘苗病毒的BHK-21细胞后,均能观察到特异性绿色荧光,这表明新构建的NDV反向遗传操作辅助蛋白和表达系统运转正常,表达蛋白具有生物活性。
针对GM株和JM株的基因组序列及限制性内切酶图谱,重新设计新的引物,通过RT-PCR方法分段扩增出两个毒株的全长基因组cDNA,并分别在每个毒株的不同位置对4个核苷酸进行沉默突变,即人为引入新的遗传标记。然后,各基因片段逐个按顺序装入转录载体中,最终成功获得了含GM株全长基因组cDNA克隆pGM和含JM株全长基因组cDNA克隆pSND。