CN101967466A - Orf7缺陷型水痘病毒株、含有该毒株的疫苗及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及病毒学和生物药学领域。具体而言,本发明提供了缺陷型水痘病毒株、含有该毒株的疫苗及其应用,为水痘-带状疱疹病毒的治疗和预防提供良好的候选疫苗药物。
Description
技术领域
本发明涉及病毒学和生物药学领域。具体而言,本发明提供了缺陷型水痘病毒株、含有该毒株的疫苗及其应用,为水痘-带状疱疹病毒的治疗和预防提供良好的候选疫苗药物。
技术背景
水痘-带状疱疹病毒(Varicella zoster virus:VZV,简称“水痘病毒”或“VZV”)是严格种属特异性的病毒,是导致人患水痘或带状疱疹的致病因子。美国专利3985615中公开了P-Oka株通过豚鼠胚胎组织(GPEC)多次传代,产生减毒的V-Oka病毒,制备预防水痘的V-Oka活疫苗。美国专利4000256中叙述了用人胚成纤维细胞WI-38株传代培养VZV病毒10-80次生产VZV减毒疫苗。迄今为止,只有P-Oka株经细胞传代获得的“水痘病毒减毒冈株”(特公昭53-41202号公报);Lancet 2:1288-1290,1974)为WHO批准的唯一用于预防水痘或带状疱疹疫苗制备的毒株,该毒株制备的疫苗在全球得到了广泛使用[Requirement for Varicella Vaccine(Live)Adopted 1984:WHOTechnical Report Series,No.725,pp.102-104,1985]。
水痘病毒减毒冈株鉴定的专利CN1163604C,从分子水平上揭示该毒株是由多个不同序列组成的混合株。野毒株可能存在于其中,源于V-Oka疫苗接种者产生V-Oka株的带状疱疹已有报道。故该减毒株的潜在危害性还是存在的,但是,现在还没有其它抗VZV的疫苗株上市。该病毒具有严格种属特异性,人是其唯一的自然宿主,病毒基因的功能研究难度较大;再者该病毒对细胞具有强烈的依赖性,获得可用于转化的VZV病毒DNA非常困难,故该病毒的研究进展较为缓慢。
随着分子遗传学研究的飞速发展,基因操作手段的不断革新,基 因插入或删除成为发现新基因或研究基因功能的重要手段,突破了VZV基因研究的瓶颈。1993年Jeffrey I.等在“Generation ofvaricella-zoster virus(VZV)and viral mutants from cosmid DNA s:VZV thymidylate synthetase is not essential for replication invitro”一文中通过科斯质粒(Cosmid)实现对腺苷合成酶基因的操作,揭示将终止密码子引入腺苷合成酶基因导致该酶不表达,但不影响病毒生长速率和对阿昔洛韦的敏感性。这项研究开创了体外VZV基因操作方法,为基因功能研究奠定了基础。2000年George W等在“OpenReading Frame S/L of Varicella-Zoster Virus Encodes aCytoplasmic Protein Expressed in Infected Cells”一文中描述了通过基因部分结构删除的方法发现了VZV新基因,即ORF S/L。随着细菌人工染色体(BAC)在研究中的应用,组织培养技术的进步,异种生物间器官移植屏障的突破(联合免疫缺陷型小鼠的开发),拓宽了种属特异的VZV基因功能研究的空间,可以在体外或动物体内进行VZV基因功能研究。2004年Kazuhiro N.等在“Cloning of thevaricella-zoster virus genome as aninfectious bacterialartificial chromosome in Escherichia coli”一文中揭示被克隆到BAC载体上的VZV Oka株全基因组,可以在大肠杆菌和人胚肺细胞中增殖,BAC可被一同转化到人胚肺细胞中的Cre酶精确切除,产生的重组VZV病毒具有p-Oka同样结构,完全具有亲本病毒的特性。BAC的应用为VZV的功能研究带来了极大便利,加速了VZV基因功能研究进程。2007年Zhang Z.等利用BAC载体和基因同源重组技术揭示多个基因的体内外功能。
发明内容
本申请人以含P-Oka全基因组的BAC(VZV-BAC)为基础,通过基因重组手段,获得ORF7缺失的病毒株VZV-7D,保藏号为:CGMCC3207,保藏日期为2009年7月28日,保藏单位名称为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC),保藏单位地址为北京市朝阳区大屯路,中国科学院微生物研究所(邮编100101),该保藏的病毒株VZV-7D的分类命名为水痘病毒。体内外证实该病毒株不感染皮肤和感觉神经节,故不存在再活化产生带状疱疹的潜在危害;该毒株可在MRC-5、Mewo细胞上生长,且同P-Oka株生长一致;该毒株保留了P-Oka株的所有糖蛋白,其免疫原性理应同P-Oka株的免疫力相同;该毒株是通过Kanr筛选到的单一克隆株,不存于混合型V-Oka株的潜在危害;由于整个ORF7删除,VZV-7D株不可能产生回复突变,因而,以VZV-7D株制备减毒活疫苗更为安全和有效。而且,VZV-7D至少可以克隆10kb的外源基因而不影响其本身生长和增殖,故可以用作外源基因表达载体,制备用于诊断、预防和治疗的生物制品。
申请人如下进行了P-Oka株ORF7缺失株(VZV-7D)的制备。因为水痘-带状疱疹病毒(VZV)的ORF7位于病毒基因组的8607-9386bp之间,编码一个29kDa的蛋白,可能位于皮层结构中,它的功能仍不清楚。VZV ORF7蛋白与单纯疱疹病毒(HSV)中的UL51为同源蛋白。HSV UL51基因编码一个磷酸化蛋白,分子量约为27,29和30kDa,在感染后期表达,与病毒出细胞体有关(Daikoku,Ikenoya et al,1998)。一项研究报告指出HSV UL51蛋白定位于感染细胞的高尔基体标志蛋白上,UL51蛋白通过N-端第9位的半胱氨酸铆钉到高尔基体上(Nozawa,Daikoku,et al,2003)。UL-51无效突变揭示其在HSV复制循环中的作用。最近的研究显示突变株病斑较小,最大滴度比野生株降了100倍。电子显微镜显示核衣壳的形成不受UL51删除影响,但是,病毒出核周质腔受到严重影响,这现象揭示UL51蛋白涉及到HSV病毒颗粒的成熟和出核(Nozawa,Kawaguchi et al.2005)。通过伪狂犬病毒(PrV)UL51缺失突变揭示此基因表达产物也具有相似的功能。一步生长曲线揭示PrV-De lt aUL51F不仅滴度稍有下降,而且病斑减小明显,只有野生株大小的30%。细胞质内的衣壳大量存在,病毒无包被或处于包被不同阶段,所以,研究结果推断UL51蛋白参与病毒的外出,对病毒复制不是必需的(Klupp,Granzow et al.2005)。
本发明以来自斯坦福大学医学院Dr.Ann Arvin实验室的P-Oka临床分离株为材料,以VZV-BAC(P-Oka)为框架,应用细菌同源重组原理产生重组克隆。全长ORF7被Kanr基因取代而产生7D-VZVBAC。7D-VZVBAC与含Cre酶的重组质粒一同电转MRC-5细胞,产生无ORF7的水痘病毒(VZV-7D)克隆株。
VZV ORF7删除突变体构建基于luc VZV BAC(Zhang et al.2007)。操 作过程见图1。A.大肠杆菌DY380株提供高效同源重组系统,所需同源序列短至40bp。同源重组酶受温度控制,32℃抑制/42℃激活。B.删除ORF7,设计的两条引物包含20bp的卡那霉素抗性基因同源核苷酸序列和ORF7删除区起始或终止密码子相连的40bp同源序列。
上游引物(F):
GAT TTA TCC ATA GTT CAA TAC GTT GGA AAG CCA GTC AAT CGC TCT TGTTGG CTA GTG CGT A(SEQ ID NO:1),
下游引物(R):
AAA CAT ACA CCA GAA ACG TTT TTA GTT TTT ATT TCA ATA TTC TGC CAGTGT TAC AAC CAA(SEQ ID NO:2)。
卡那霉素抗性基因从质粒pGEM-or iV/kan1上扩增(Netterwald,Yang etal.2005),PCR产物用DpnI酶进行消化,用Qiagen凝胶提取试剂盒进行回收。C.以1.6ky,250μF的BioRad Gene Pulser II电转仪将大约200ng的PCR产物转进载有VZVLuc BAC的DY380菌体中。D.利用重组酶42℃激活/32℃抑制的特性,完成Kanr基因与ORF7的同源重组,ORF7被Kanr基因取代,在32℃下从含有30μg/ml卡那霉素的琼脂板上选择单克隆的重组子,从大肠杆菌中分离水痘病毒突变株(ORF7缺失)VZV-BAC的DNA。E.所得病毒基因组完整性由HindIII酶切检验,重组DNA经PCR检验。F.7D-BACDNA在DY380中增殖并被纯化提取。G.所得的7D-BACDNA单独电转染至(Marchini,Liu et al.2001)MRC-5细胞,产生7D-BAC,BAC上带的GFP可以用于病毒在细胞中生长增殖研究或与Cre表达载体一同电转染至(Marchini,Liu et al.2001)MRC-5细胞,BAC被Cre酶从其两端的loxP酶切位点完全切除,产生VZV-7D病毒。VZV-7D在Mewo细胞或MRC-5细胞中的生长特性同P-Oka一致,也没有改变病毒在胸腺组织的生长增殖特性,但是,缺失突变的VZV-7D不感染皮肤、神经瘤细胞和感觉神经节,这为疫苗的开发带来了希望。含有荧光素酶基因的VZV-7D(VZV-7DLuc)按照Zhang等(Journal of Virology,Sept,2007,p,9024-9033)描述的方法进行构建。VZV-7DLuc可用于体内VZV-7D功能研究的监测。目前尚无任何VZV-7D的学术报道。据此完成了本发明。
附图说明
图1:水痘ORF-7缺陷型(7D)病毒制备。
图2:ORF7缺失的VZV病毒鉴定。
图3、水痘ORF-7回复突变(VZV-7R)病毒制备。
图4、VZV-7D在人体MeWo细胞中生长曲线。
图5、7D在人胸腺组织培养(TOC)系统中的生长曲线分析。
图6、VZV-7D在人皮肤组织培养(SOC)系统中的生长曲线分析。
图7、VZV-7D的背根神经节培养。
图8、BAC-VZV构建及Mewo细胞中培养。
具体实施方案
实施例1:VZV-7D的鉴定
VZV-7D感染长成单层的MRC-5细胞,用含2%牛血清的MEM培养基培养,约80%细胞病变发生时,弃培养基,收获病变细胞,提取DNA,以P-Oka为对照进行试验。PCR扩增ORF-10和ORF-7基因,用HindIII消化VZV-7D和P-Oka株的DNA。PCR产物和HindIII消化产物用0.5%的琼脂糖凝胶进行电泳,电泳产物见图2。VZV-7D对ORF-10的PCR产物同P-Oka一致,但在ORF-7上没有条带,证实ORF-7缺失。HindIII对病毒的酶切图谱上,VZV-7D和P-Oka间看不出差别
实施例2:VZV-7D的回复突变体(VZV-7R)制备
ORF7缺失正确与否不仅可以用HindIII酶切鉴定,而且可以通过基因的同源重组获得完整的VZV加以验证。即应用细菌同源重组机理拯救出完整的VZV,见图3。利用Invitrogen的高保真Taq DNA聚合酶试剂盒PCR扩增ORF7片段,并将其克隆到质粒pGEM-lox-zeo的NotI和BglII位点之间,从而形成pGEM-zeo-ORF7质粒。该克隆片段通过测序分析鉴定正确,且通过PCR扩增没有错误密码子被引入ORF7编码框中。之后以pGEM-zeo-ORF7质粒为模板用下述引物PCR扩增zeoR-ORF7编码框。
正向引物:
GAT TTA TCCATA GTTCAA TAC GTT GGA AAG CCA GTC AAT CAT GCA GAC GGT GTG TGC CAG(SEQ ID NO:3);
反向引物:
AAA CAT ACA CCA GAA ACG TTT TTA GTT TTT ATT TCA ATA TGG ATG GAT CCATAA CTT CGT(SEQ IDNO:4),
得到的PCR产物是两端各含一段40bp大小与水痘病毒基因组同源的基因,与kanR编码框顺序相连,位于ORF7缺失的位点。将得到的这段嵌合PCR产物按上文提到的方法电转化到携带有ORF7D BAC的DY380菌体中。重组体要通过含有50μg/ml的zeocin(Invitrogen)和12.5μg/ml的氯霉素的琼脂平板32℃培养筛选。正确的VZV克隆通过它们对抗生素的敏感状况而筛选获得。正确的克隆应该是氯霉素抗性、潮霉素抗性、zeoc in抗性、卡那霉素敏感性以及氨苄霉素敏感性。这些克隆进一步被酶切消化和PCR分析确证正确。鉴定正确的克隆(即携带有ORF7缺失或者1uc VZV BAC拯救子的大肠杆菌DY 380)接种于含12.5μg/ml的氯霉素的500mlLB培养基中32℃培养20小时。VZVBAC的DNA通过BAC DNA大量提取试剂盒(BD Biosciences,Palo Alto,CA)分离得到,并且利用转染试剂FuGene6(Roche,Indi anapolis,IN)按照使用说明转染到MRC-5细胞。6孔板中的一孔(35-mm)在转染时DNA与转染试剂的使用比例为1.5μg:6μl。一般情况转染后3天可见水痘病毒病斑。为从水痘病毒基因组中去除BAC载体(两侧有loxP酶切位点),可将Cre表达载体与VZV BAC DNA一起共转染(Marchini,Liu et al.2001)MRC-5细胞,利用Cre酶的特性而精确切除BAC,产生完整的VZV。
水痘ORF-7回复突变病毒具有同P-Oka病毒相同的生长和增殖特性。说明ORF-7的功能可以通过回复突变手段得到恢复。
实施例3:VZV-7D病毒的Mewo细胞培养
六孔板中长成单层的Mewo细胞分别用VZV-7D、VZV-7R和P-Oka株感染,以未感染的Mewo细胞作对照,Mewo细胞在37℃下用含2%牛血清的MEM培养基培养。感染24小时后,D-luciferin加到培养的细胞孔中,终浓度为150μg/ml,37℃培养10分钟,不同孔的生物荧光用体内成像系统IVIS(50Series;Xenogen Corporation,Alameda,CA)同时测量光子数,每天测量3孔感染细胞,测量后,细胞用病毒培养液取代D-luciferin物质继续培养。 病毒荧光量每24小时测量一次,连续测量7天。用3孔测量的数据均值对时间绘制生长曲线。结果见图4。
人MeWo细胞不被感染或者被水痘-带状疱疹病毒野生株(1ucVZV)或者7D突变株或者7D回复株(1uc 7R)感染、培养7天。感染后每天用IVIS系统测量光子数,用3孔测量的均值对时间绘制生长曲线,图中标出3孔测量数据的误差线。本试验表明VZV-7D和VZV-7R和野生株一样都可以在MeWo细胞中正常生长。
实施例4、7D病毒在人胸腺组织的培养
人胸腺-肝脏联合移植体异体移植到雄性的CB-17SCID/beige鼠内。人胸腺-肝脏联合移植体构建和使用按Jennifer F.M(Journal of Virology,Sept.1995,p.5236 5242)描述的方法进行。移植3月后,人胸腺-肝脏移植体经外科手术暴露后,直接注射2×103至4×103PFU的Mewo培养的含有荧光素酶的VZV-7D和P-Oka,10-20μl细胞悬液,每种病毒感染3只小鼠,以未感染鼠为对照,感染后每天测量荧光量。腹腔注射250μl荧光素酶底物,即D-luciferin10分钟后,用生物荧光体内成像系统IVIS在移植区按实施例3的方法测量荧光量,每种病毒测量3只小鼠。结果见图5。
培养的人胸腺组织不受病毒感染或者受VZV野生株或者VZV-7D株感染,培养7天。感染后每天用IVIS系统测量光子数。用3只鼠测量的光子数均值对时间绘制生长曲线。图中显示3只测量数据的误差线。本试验表明7D缺陷株像野生株一样能在胸腺组织(T-细胞)中生长。
实施例5:7D病毒的皮肤培养
人胚胎皮肤完整结构按Jennifer F.M(Journal of Virology,Sept.1995,p.5236 5242)描述的方法,异体移植到联合免疫缺陷(SC ID)小鼠皮下。移植4周后,三种含荧光素酶的VZV-7D、VZV-7R和P-Oka株感染皮肤,每种病毒感染3只小鼠,以未感染鼠为对照,感染后每天测量荧光量。腹腔注射250μl荧光素酶底物,即D-luciferin10分钟后,用生物荧光体内成像系统IVIS在移植区按实施例3的方法测量荧光量,每种病毒测量3只小鼠。结果见图6。
培养的人皮肤组织被病毒野生株或者7D缺失株或者7D回复突变株感染、以不被感染的鼠为对照,培养7天。感染后每天用IVIS系统测量光子数,用3只测量的光子均值对时间绘制生长曲线。图中标出3只测量数据的误差线。实验证实VZV-7D在皮肤中有严重生长缺陷,这种功能缺陷在VZV-7D株回复突变后可以被恢复。
实施例6:VZV-7D病毒的背根神经节培养
用无菌的外科剪刀和镊子分离妊娠20周胚胎的宫颈段和胸段脊骨的背根神经节(DRG),分离的背根神经节用含1%青霉素/链霉素的冰浴1XPBS瞬时洗涤,然后转到冰浴的培养基(DEM,含15%热灭活的胎牛血清和1%青霉素/链霉素),将每个背根神经节单独放到六孔板中胶原覆盖的盖玻片上,加0.5ml培养基,培养5天,其间换培养基一次。六孔细胞板中制备50%Mewo细胞培养物,用于滴度检测和生长曲线分析。第6天收获P-Oka,VZV-7D和VZV-7R新近感染的Mewo细胞,于培养基悬浮至1ml。每个背根神经节单独饲养在六孔板中胶原包被的盖玻片上。10μl悬液用于病毒滴度检测,2μl用于Mewo细胞感染的生长曲线。其余细胞悬液用力通过27针管20次,细胞碎片通过4000rpm离心10min沉淀。上清均分,用于感染背根神经节,-120μl/样品,另外,2滴(20μl)细胞悬液用于感染另一个背根神经节,37℃5%CO2下培养3小时后,背根神经节用1×PBS洗涤,再补加新鲜培养基。每24小时检测一次荧光素酶活性。样品用含150μg/ml的D-luciferin 37℃培养10分钟后,用IVIS仪器和软件分析光子数。检测结果见图7,结果表明VZV-7D在Mewo上生长正常,而在背根神经节中几乎不生长。
VZV-7D不感染背根神经节细胞,这为开发安全的减毒活疫苗奠定了坚实基础。
实施例7:VZV-7D病毒可作为外源基因的表达载体
细菌人工染色体载体(BAC)PUSF-6,含有原核生物的Ori、repE、parA、pa rB基因,Camr基因,gfp基因,两个500bp分别与ORF60和ORF61同源的VZV片段a和b,图A灰框,还有两个loxP位点(图A白框),全长约为10kb。用BamHI消化BAC pUSF-6,产生用于重组的线性片段。P-Oka遗传物质由125kb个核苷酸组成,包括UL、US和末端及中间重复序列。由P-Oka全基因组构建的4个具 有重叠区段的科斯质粒,pvFsp73、pvSpe14、pvPme19、pvSpe23。pUSF-6电转至含pvSpe23的DY380菌体,通过同源重组插入pvSpe23的ORF60和ORF61之间,形成pvSpe23-pUSF-6,提取pvSpe23-pUSF-6的VZV-BAC DNA与其它3个科斯质粒的VZV片段共转染Mewo细胞,同源重组产生VZV-BAC。重组VZV-BAC病毒在Mewo细胞中复制,产生绿色荧光斑点。见图8C,其生长繁殖速度同p-Oka一致,见图8D。BAC的插入没有影响病毒本身的生长特应,而且BAC上载的GFP可以表达。故VZV-7D可以作为其他生物遗传物质的表达载体。
序列表
<110>新泽西医学院北京万泰生物药业股份有限公司厦门大学
<120>ORF7缺陷型水痘病毒株、含有该毒株的疫苗及其应用
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<170>PatentIn version 3.2
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<212>DNA
<213>人工序列
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gatttatcca tagttcaata cgttggaaag ccagtcaatc gctcttgttg gctagtgcgt 60
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<210>2
<211>60
<212>DNA
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aaacatacac cagaaacgtt tttagttttt atttcaatat tctgccagtg ttacaaccaa 60
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<211>60
<212>DNA
<213>人工序列
<400>3
gatttatcca tagttcaata cgttggaaag ccagtcaatc atgcagacgg tgtgtgccag 60
<210>4
<211>60
<212>DNA
<213>人工序列
<400>4
aaacatacac cagaaacgtt tttagttttt atttcaatat ggatggatcc ataacttcgt 60
Claims (6)
1.水痘病毒ORF7全部或部分缺失、插入终止密码子、碱基取代等结构改变引起的功能丧失。
2.水痘缺陷性病毒7D研制方法:
a)通过BAC手段克隆水痘病毒DNA全序列,在通过细菌内重组获得ORF7缺失的水痘缺陷型病毒(7D-BAC);
b)通过Cre酶的作用在Mewo细胞或MRC-5细胞中删除BAC,产生用于疫苗生产的VZV-7D株;
c)在水痘病毒ORF-7缺失基础上的联合缺失突变的水痘缺陷性病毒。
3.根据权利要求1所述的水痘缺陷型病毒7D制备的活疫苗:
a)预防水痘的7D活疫苗,
b)预防带状疱疹的7D活疫苗。
4.根据权利要求2所述的VZV-7D培养的细胞株包括
a)Mewo细胞、MRC-5细胞、2BS细胞、WI-38细胞和Vero细胞
b)但不仅限于a)所列的细胞株。
5.根据权利要求1所述的以7D为载体的生物制品:
a)外源基因插入位点为ORF7所在的位置;
b)外源基因插入位点为ORF7之外的位点;
c)插入的外源基因大小可以为10kb或更大的DNA片段;
d)插入的外源基因可以为荧光蛋白等基质蛋白;
e)插入的外源基因可以为HBsAg、HIV、HCV等病毒的衣壳蛋白;
f)插入的外源基因也可以为细菌的膜蛋白或鞭毛或菌毛蛋白等。
6.根据权利要求1所述的以7D为载体表达的生物活性物质:
a)所述的生物活性物质为用于诊断的蛋白;
b)所述的生物活性物质可以为预防水痘外的预防其他疾病的疫苗;
c)所述的生物活性物质可以为包括含预防水痘的其他治疗性生物原料。
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