一种重组猪白细胞介素2及其编码基因和表达方法

专利名称：一种重组猪白细胞介素2及其编码基因和表达方法
技术领域：
本发明属于生物工程基因领域，涉及一种重组猪白细胞介素2及其编码基因，以及其表达、纯化和包涵体复性方法。
背景技术：
白细胞介素2 (Interleukin-2，简称IL-2)是由活化的T淋巴细胞产生的一种重要的细胞因子，能激活T细胞和促进B细胞分化和分泌抗体，诱导产生干扰素，增强单核细胞以及自然杀伤细胞(natural killer c ell,简称NK)的杀伤活性,在机体的免疫反应中具有重要的调节作用，是一类天然的免疫增强剂。在医学领域商品化的重组人白细胞介素2已经用于肿瘤、艾滋病、乙型肝炎等疾病的治疗。在动物医疗中，由于白细胞介素2能提高疫苗的免疫应答和减少疾病的发生，从而也展现出广阔的应用前景。目前，对鸡、牛白细胞介素2基因的研究较多，均已在原核和真核表达系统中表达，其中鸡的重组白细胞介素2能与多种病原疫苗一起使用，可显著提高免疫水平，减少应激，缓解疫苗的副反应，并有很强的治疗作用。但对于猪白细胞介素2基因的研究则较少，更没有猪白细胞介素2在原核表达系统中表达、纯化等方面的研究。而我国是世界上养猪大国，猪的疾病种类繁多，特别是病毒性传染病造成的发病率和死亡率最高，每年给养猪业造成巨大的经济损失。因此，提供一种生产量高适于产业化且对这些病毒性疾病的治疗和预防有效且经济实用的产品成为养猪业的首要任务。在各种表达系统中，原核表达系统是最早被采用进行研究的，这也是目前掌握最为成熟的表达系统。该项技术的主要方法是将已克隆入目的基因DNA片段的载体(一般为质粒)转化细菌(通常选用的是大肠杆菌)，通过IPTG诱导并最终纯化获得所需的目的蛋白。其优点在于能够在较短时间内获得基因表达产物，而且所需的成本相对比较低廉。但与此同时原核表达系统还存在许多难以克服的缺点例如通常使用的表达系统无法对表达时间及表达水平进行调控，有些基因的持续表达可能会对宿主细胞产生毒害作用，过量表达可能导致非生理反应等，更重要的是原核表达系统翻译后加工修饰体系不完善，目的蛋白常以生物活性较低的包涵体形式表达。而包涵体的复性是一个复杂的过程，针对不同蛋白的个体差异性较大。如果复性条件应用的不适宜将导致分子内二硫键错配，分子间共价结合或疏水结合形成聚合体，不仅降低重组蛋白的比活率，造成产品质量不合格，同时又易产生沉淀析出，影响得率。因此，本发明所要解决的另一个技术问题是采用合适的方法将大肠杆菌表达的重组猪白细胞介素2包涵体进行复性。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，通过密码子优化的方式，提供一种可在大肠杆菌内高效表达重组猪白细胞介素2以及其基因和表达、纯化、复性方法。本发明提供了一种重组猪白细胞介素2，其氨基酸序列如SEQ ID NO 2所示。本发明提供了编码上述所述重组猪白细胞介素2的基因，其碱基序列如SEQ IDNO :1所示。该序列是专为大肠杆菌表达系统进行密码子优化得到的序列，相比之下能显著提高异源基因在宿主菌中的表达效率。本发明还提供了包含了上述所述编码重组猪白细胞介素2的基因的载体，所述的载体优选为原核表达质粒，最优选为pET21b。本发明还提供了包含有上述所述载体的大肠杆菌菌株，优选地，所述菌株选自大肠杆菌BL21 (DE3)菌株。本发明还提供了重组猪白细胞介素2在大肠杆菌表达方法，包括如下步骤该方法的步骤为1.挑取一个含有上述所述重组猪白细胞介素2的大肠杆菌菌落，接入50mL的LB培养液，在250mL摇瓶中于37 °C培养过夜；2.取5mL过夜培养物接入于500mL的LB培养液中，在2L摇瓶中于37°C震荡培养至对数中期(A6qq=L O);3.在培养物中加入IPTG至lmmol/L，于37°C，诱导表达4h后，于4°C以5000rpm/min，离心处理15min收集含有重组猪白细胞介素2的大肠杆菌菌体沉淀。所述LB培养液中均含有氨苄青霉素50-100 μ g/mL。本发明还提供了重组猪白细胞介素2的包涵体纯化方法，包括如下步骤1.将收集得到的上述含有诱导重组猪白细胞介素2大肠杆菌菌体沉淀，用预冷的PBS重悬，并于4°C高速离心处理；重复一次。2.吸去上清，称菌体沉淀重量，每克(菌体湿重)加入裂解缓冲液BufTerA3-10mL，用磨光玻璃棒搅动，使菌体悬起。3.每克(菌体湿重)菌体加入3-10 μ L浓度为100mmol/L的PMSF，3-100 μ L浓度为lOOmg/mL的溶菌酶，于冰上搅动。4.破碎菌体，样品置于冰上，超声，并于4°C高速离心处理，弃上清。5.沉淀用洗涤缓冲液Buffer B洗涤，并于4°C高速离心处理，沉淀包涵体，重复一次。6.包涵体沉淀用变性缓冲液Buffer C溶解，室温下搅拌30_60min。7.充分混匀后室温高速离心处理，弃沉淀，取上清，即得到重组猪白细胞介素2变性溶液。该纯化方法优选步骤如下1.将收集得到的上述含有诱导重组猪白细胞介素2大肠杆菌菌体沉淀，用预冷的PBS重悬,于4°C,以12000rpm/min的转速离心15min ;重复一次。2.吸去上清，称菌体沉淀重量，每克(菌体湿重)加入裂解缓冲液Buffer A5mL,用磨光玻璃棒搅动，使菌体悬起。3.每克(菌体湿重)菌体加入5 μ L浓度为100mmol/L的PMSF, 5 μ L浓度为IOOmg/HiL的溶菌酶，冰上搅动20min。4.用探针型超声波仪破碎菌体，样品置于冰上，超声120次，每次5s间隔5s，循环三次，每次循环至冷却样品之间等待2min,等待样品冷却。于4°C,以12000rpm/min的转速离心15min,弃上清。5.沉淀用洗漆缓冲液Buffer B洗漆,于4°C,以12000rpm/min的转速离心15min,沉淀包涵体，重复一次。6.包涵体沉淀用变性缓冲液Buffer C溶解，室温下搅拌30min。7.充分混勻后室温下以12000rpm/min的转速离心15min,弃沉淀,取上清，即得到重组猪白细胞介素2变性溶液。本发明还提供了优化后的重组猪白细胞介素2的包涵体复性方法，包括如下步骤取适量用变性缓冲液Buffer C溶解的上述所述的重组猪白细胞介素2变性溶液，测其浓度，然后用变性缓冲液Buffer C将蛋白浓度稀释到O. 2mg/mL，注入截留分子量IOKDa的透析卡中，4°C透析复性，每隔6h换一次复性缓冲液Buffer D。复性至24h时，将复性后重组蛋白溶液用O. 45 μ m滤膜过滤，即得到低浓度的重组猪白细胞介素2复性溶液。并可进一步用截留分子量IOKDa的超滤脱盐、浓缩，于真空冷冻干燥机低温真空干燥，即获得重组猪白细胞介素2粉末。 本发明的上述所述表达、纯化、复性方法是经过发明人反复多次实验摸索和验证得到的用于大肠杆菌表达系统表达重组猪白细胞介素2的最为有效的方法，该方法的表达量高，且表达得到包涵体复性后活性更高。本发明还提供了重组猪白细胞介素2在制备治疗和预防猪繁殖与呼吸综合征、猪流感以及猪蓝耳病疾病的药物中的用途。在动物医疗中，由于白细胞介素2能提高疫苗的免疫应答和减少疾病的发生率，重组猪白细胞介素2与多种病原疫苗联合使用，可显著提高免疫水平，减少应激，缓解疫苗的副反应，并有很强的治疗作用。重组猪白细胞介素2也可作为新型免疫佐剂使用，这不仅能避免常规佐剂的不良反应，显著增强病毒、细菌和寄生虫疫苗的免疫效力，提高抗体整齐度和延长抗体持续时间，并且还可以降低某些疫苗的副作用。本发明的经优化过的重组猪白细胞介素2的基因序列，更适于大肠杆菌表达系统的表达，所表达的重组猪白细胞介素2远高于猪白细胞介素2天然基因序列在大肠杆菌表达系统的表达量。


图1表示猪白细胞介素2密码子优化前后核苷酸序列比较其中，奇数行(即“原始序列”对应的行)为猪白细胞介素2天然基因核苷酸序列，即密码子优化前的序列；偶数行(即“优化序列”对应的行)为本发明的重组猪白细胞介素2的基因核苷酸序列，即密码子优化后的序列。图2-a、图2-b为猪白细胞介素2密码子优化前后在大肠杆菌表达宿主中CAI指数。其中，图2-a表示猪白细胞介素2天然基因核苷酸序列在大肠杆菌表达宿主中CAI指数经过程序计算为O. 61 ;图2-b表示优化后的本发明的重组猪白细胞介素2密码子在大肠杆菌表达宿主中CAI指数经过程序计算为O. 86。图3-a、图3-b为猪白细胞介素2密码子优化前后在大肠杆菌表达宿主中最优密码子频率分布区域图。其中，图3_a表示猪白细胞介素2天然基因核苷酸序列在大肠杆菌表达宿主中最优密码子频率分布区域图，从图中可以看出猪白细胞介素2天然基因核苷酸序列的低利用率密码子出现百分比为13%;图3-b表示优化后的本发明的重组猪白细胞介素2密码子在大肠杆菌表达宿主中最优密码子频率分布区域图，优化后的本发明的重组猪白细胞介素2密码子序列的低利用率密码子出现百分比为O。图4-a、图4-b为猪白细胞介素2密码子优化前后在大肠杆菌表达宿主中平均GC碱基含量分布区域图。其中，图4_a表示猪白细胞介素2天然基因核苷酸序列在大肠杆菌表达宿主中平均GC碱基含量为38. 97 %;图4-b表示优化后的本发明的重组猪白细胞介素2密码子在大肠杆菌表达宿主中平均GC碱基含量为48. 14%。图5-a、图5-b为猪白细胞介素2密码子优化前后mRNA的二级结构预测图。
图5-a猪白细胞介素2天然基因mRNA的二级结构预测图，图5_b为密码子优化后的本发明的重组猪白细胞介素2mRNA的二级结构预测图。图6为重组猪白细胞介素2表达质粒构建过程图。图7为重组猪白细胞介素2基因PCR产物的琼脂糖凝胶电泳图。其中，泳道I为500bp DNA Ladder ;泳道2为NdeI和XhoI酶切pET21b载体；泳道3为两端含有NdeI和XhoI酶切位点的重组猪白细胞介素2基因PCR产物。图8-a、图8-b为重组猪白细胞介素2的SDS-PAGE凝胶电泳图及相应的免疫印迹图。图8-a为重组猪白细胞介素2SDS-PAGE凝胶电泳图。其中，泳道I为(10-230kDa)宽范围的预染的蛋白上样Marker ;泳道2为未加入IPTG诱导的重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道3为加入IPTG诱导的重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液。图8-b为重组猪白细胞介素2免疫印迹图。其中，泳道l(10_230KDa)宽范围的预染的蛋白上样Marker，泳道2为未加入IPTG诱导的重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液泳道3为加入IPTG诱导的重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液图9重组猪白细胞介素2高效表达诱导条件优化的SDS-PAGE凝胶电泳图。其中，泳道I为(10_230kDa)宽范围的预染的蛋白上样Marker ;泳道2为O. 5mmol/L IPTG诱导Ih的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道3为O. 5mmol/LIPTG诱导2h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道4为O. 5mmol/L IPTG诱导3h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道5为O. 5mmol/L IPTG诱导4h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道6为lmmol/L IPTG诱导Ih的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道7为lmmol/L IPTG诱导2h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道8为lmmol/L IPTG诱导3h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道9为lmmol/L IPTG诱导4h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道10为1. 5mmol/L IPTG诱导Ih的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道11为1. 5mmol/L IPTG诱导2h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道12为1. 5mmol/L IPTG诱导3h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液；泳道13为1. 5mmol/L IPTG诱导4h的含重组猪白细胞介素2大肠杆菌裂解液。
图10重组猪白细胞介素2包涵体透析复性法和稀释复性法对NK92细胞增殖影响曲线图。在不同剂量浓度的重组猪白细胞介素2作用下，透析复性法所得重组猪白细胞介素2与稀释复性法所得重组猪白细胞介素2对NK2细胞增殖率影响的曲线可知，前者对重组猪白细胞介素2包涵体的复性效果较好，所得重组蛋白生物活性较高。图11为复性后的重组猪白细胞介素2包涵体SDS-PAGE电泳图其中，泳道I为(10_230kDa)宽范围的预染的蛋白上样Marker ;泳道2为用BufferB第一次清洗后重组猪白细胞介素2 包涵体沉淀；泳道3为Buffer B第二次清洗后重组猪白细胞介素2包涵体沉淀；泳道4为透析法复性后的重组猪白细胞介素2。图12为重组猪白细胞介素2活力测定曲线。图12-a表示阳性对照人白细胞介素2对NK92细胞增殖率的影响，图12_b表示阳性对照猪白细胞介素2对NK92细胞增殖率的影响，图12-c表示与阴性对照相比，本发明的重组猪白细胞介素2对NK92细胞增殖率的影响。其中，由图12-a、12-b、12_c可以看出，本发明的重组猪白细胞介素2和阳性标准品对照一样，对NK92细胞的增殖有促进作用；由12-c可以看出，与不用白细胞介素2处理的NK92细胞相比，在浓度为100ng/mL重组猪白细胞介素2样品作用下，NK92细胞增殖了约5倍。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，引用实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。实施例1重组猪白细胞介素2基因优化设计1.密码子优化遗传密码子有64种，但是绝大多数生物倾向于利用这些密码子中的一部分。那些被最频繁利用的称为最佳密码子(optimal codons)，那些不被经常利用的称为稀有或利用率低的密码子(rare or low-usage codons)。实际上,常用做蛋白表达或生产的每种生物(包括大肠杆菌，酵母，哺乳动物细胞，植物细胞和昆虫细胞)都表现出某种程度的密码子利用的差异或偏爱。大肠杆菌、酵母和果蝇中对含最佳密码子的基因的表达效率明显高于含低利用率的密码子的基因的表达效率。因此，在异源表达系统中，密码子的偏爱性很大程度上影响了重组蛋白的表达。利用偏爱密码子(preferred codons)并避免利用稀有的密码子进行基因合成，这种基因的重新设计叫密码子优化。优化过程充分考虑到蛋白表达不同阶段可能遇到的多种复杂因素，如密码子适应性、mRNA结构以及转录和翻译过程中不同的顺式元件。因此，本发明对猪白细胞介素2的基因设计不仅包括密码子优化，还包括mRNA结构修正、翻译起始位点的优化等。2.密码子偏爱性优化密码子偏爱性在原核基因表达中已经被证实是一个很重要的影响因素，它引起了同一密码子在不同生物体之间，蛋白的表达水平之间以及同一操纵子的不同部位间利用率的改变。引起这种偏爱性差异的主要原因是不同细胞内可用的tRNAs量的差异。因此优化翻译系统最佳的方法就是保持密码子的使用频率与同源tRNA之间的平衡。在大肠杆菌中表达哺乳动物基因是不可预测和具有挑战的，如在大肠杆菌中，AGG和AGA所对应的tRNA分子就很少，这种差异很明显会影响基因的表达。3.将低利用率的密码子替换成宿主常用密码子通常基因中包含的密码子在特定宿主中的利用率越低，该种蛋白的表达量也就越少，甚至当这种密码子存在与蛋白簇间或者N末端的时候表达量会更少。在不改变氨基酸序列的前提下将低利用率的密码子替换为宿主常用密码子能提高功能蛋白的表达水平。任何来源的密码子如果在宿主生物体内的利用率低于5%到10%时，就会出现表达抑制，当这些低利用率密码子临近或相连时，对蛋白表达的影响更大。成簇的低利用率的密码子抑制了核糖体的运动，这是基因不能以合适水平表达的一个明显机制。核糖体翻译由九个密码子组成的信使(含几个低利用率密码子或全部为低利用率密码子)时的运动速
度要比翻译不含低利用率密码子的同样长的信使的速度慢。即使低利用率密码子簇位于3’端，信使最后也会被核糖体“拥挤”而损害，核糖体又回到5’端。3’端低利用率密码子簇的抑制效应可以和全部信使都由低利用率密码子组成的抑制效应一样大。如果低利用率密码子簇位于5’端，其效应是起始核糖体数目的全面减少，导致蛋白合成中信使的低效率。去除低利用率的密码子或者容易被误读为终止信号的密码子能够防止低表达或者不表达。4.表达载体和转录启动子虽然密码子偏爱在基因表达中起着重要的作用，但表达载体和转录启动子的选择同样重要，N端核苷酸序列的蛋白表达对于低利用率密码子和接近起始位点的密码子AUG非常敏感。翻译与mRNA的稳定性间也存在着相互的影响，虽然降低翻译效率会使mRNA由于缺少了核糖体的保护而更容易被endo-RNAses分解，但目前还没有它们之间影响的完整解释。其他因素也可以影响蛋白表达，包括使mRNA去稳定的序列。稳定mRNA 二级结构和接近5'端的分子也对基因表达有重要的影响。利用翻译时目的基因上游的开放式阅读框能够成功提高难度基因的表达效率。发明人根据GenBank已公开的猪白细胞介素2 (Sus scrofa interleukin2)的cDNA序列(GenBank登录号NM_213861.1)，对该基因进行密码子优化后得到本发明的重组猪白细胞介素2基因，如SEQ ID No:l所示。下面是对重组猪白细胞介素2进行密码子优化，优化前后各参数对比如下1.密码子适应指数(Codon Adaptation Index, CAI)由图2_a可知，密码子没有优化前，猪白细胞介素2天然基因在大肠杆菌中密码子适应指数(CAI)为0. 61。由图2-b可知，通过密码子优化后，使得本发明的重组猪白细胞介素2基因在大肠杆菌中CAI指数为0. 86。通常CAI=I时被认为该基因在该表达系统中是最理想的高效表达状态，CAI指数越低表明该基因在该宿主中表达水平越差，因此可以看出经过了密码子优化后得到的基因序列可以提高重组猪白细胞介素2基因在大肠杆菌中的表达水平。2.最优密码子使用频率(Frequency of Optimal Codons, FOP) 由图3-a可知，基于大肠杆菌表达载体，密码子没有优化前，猪白细胞介素2天然基因序列的低利用率密码子出现百分比为13%。这条未进行优化的基因含有串联稀有密码子，这些密码子可能降低翻译效率，甚至能够解散翻译装配物。由图3-b可知，通过密码子优化后，本发明的重组猪白细胞介素2基因在大肠杆菌系统中出现低利用率密码子的频率为O。3. GC 喊基含量(GC curve)GC含量理想分布区域为30% -70%，在这个区域外的出现任何峰都会不同程度地影响转录和翻译效率。由图4-a、图4-b的猪白细胞介素2基因的GC碱基平均含量分布区域图对比可知，由图4-a中显示猪白细胞介素2天然基因中在优化前GC碱基平均含量为38. 97%，由图4-b中显示出优化后的序列消除了 GC含量在30% -70%区域外的60个碱基，最终得到优化后重组猪白细胞介素2的GC碱基平均含量为48. 14%。3.优化前后顺式作用元件情况如下
权利要求
1.一种重组猪白细胞介素2，其氨基酸序列如SEQ ID N0:2所示。
2.—种编码权利要求1中所述的重组猪白细胞介素2的基因，其碱基序列如SEQ ID NO 1所示。
3.一种载体，所述载体具有权利要求2的基因。
4.如权利要求3所述的载体，所述载体为pET21b。
5.一种大肠杆菌，所述大肠杆菌具有权利要求3的载体。
6.如权利要求5所述的大肠杆菌，所述大肠杆菌为BL21(DE3)菌株。
7.—种重组猪白细胞介素2在大肠杆菌中的表达方法，包括如下步骤(O在合适的条件下于培养基中培育权利要求5或6中所述的大肠杆菌；(2)从大肠杆菌和/或培养基中分离重组猪白细胞介素2。
8.如权利要求7所述的表达方法，包括如下步骤(1)挑取一个含有权利要求5或6中所述的大肠杆菌菌落，接入含抗生素的LB培养液， 培养过夜；(2)取过夜培养物转接入于含抗生素的新鲜LB培养液中，震荡培养至对数中期A = I O ·n600 丄· U，(3)在培养物中加入浓度为Immo I/L的IPTG，37°C，诱导表达4小时后，离心处理收集含有重组猪白细胞介素2的大肠杆菌菌体沉淀。
9.一种重组猪白细胞介素2的纯化和复性方法，其特征在于，包含如下步骤(1)将权利要求8中所述的含有重组猪白细胞介素2的大肠杆菌菌体沉淀，用预冷的 PBS 重悬，于 4°C,以 12000rpm/min 离心 15min,重复一次；(2)吸去上清，按每克(菌体湿重)加入3-10mL裂解缓冲液BufferA，用磨光玻璃棒搅动，使菌体悬起；(3)每克(菌体湿重)菌体加入3-10μ L浓度为100mmol/L的PMSF，3-100 μ L浓度为 100mg/mL的溶菌酶，冰上搅动20min ；(4)破碎菌体细胞，4°C，12000rpm/min离心，弃上清。(5)包涵体沉淀用洗漆缓冲液BufferB洗涤，4V，12000rpm/min离心15min,弃上清。 包涵体沉淀重复本步骤一次；(6)包涵体沉淀用变性缓冲液BufferC溶解，室温搅拌30_60min ；(7)充分混勻后室温条件下12000rpm/min离心15min,弃沉淀,取上清，即得到重组猪白细胞介素2变性溶液；(8)用变性缓冲液BufferC将重组猪白细胞介素2变性溶液的浓度稀释至0. 2mg/mL, 4°C透析复性24小时，期间每6小时更换一次缓冲液Buffer D，重组猪白细胞介素2复性溶液经滤膜过滤后，即得到重组猪白细胞介素2复性溶液。
10.如权利要求9所述的纯化和复性方法，其特征在于，所述重组猪白细胞介素2复性溶液可进一步用截留分子量IOKDa的超滤浓缩、脱盐至最小体积，低温真空干燥，即获得重组猪白细胞介素2粉末。
全文摘要
本发明提供了一种重组猪白细胞介素2及其编码基因、表达、纯化和包涵体复性方法，属于生物基因工程领域。白细胞介素2在疾病发生过程中起到十分重要的免疫调节作用，在动物疾病治疗中应用广泛。为获取大量的猪白细胞介素2，本发明采用大肠杆菌表达系统对密码子优化后的重组猪白细胞介素2基因进行异源表达。此外，由于原核表达体系中的猪白细胞介素2多以包涵体的形式表达，本发明还提供了重组白细胞介素2包涵体纯化方法，并对该包涵体的复性方法进行了筛选。最终本发明所得重组白细胞介素2活力为1.05x107IU/ml，是国际公认的猪白细胞介素2标准品活力的1.05倍，完全达到产业化生产的标准。
文档编号C12N15/26GK103012578SQ20121058491
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者马永, 王安良, 章成昌, 徐春林, 陈晨, 王耀方 申请人:江苏众红生物工程创药研究院有限公司, 常州京森生物医药研究所有限公司