柔嫩艾美耳球虫耐药相关基因特性初步研究及耐药株与敏感株全基因组重测序分析

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柔嫩艾美耳球虫(Eimeria tenella)是一种寄生于鸡盲肠的单细胞寄生原虫,是鸡球虫病的主要病原体,目前国内外对鸡球虫病的防治主要依靠药物。长期使用药物使其对药物表现出严重的抗性,给禽类的养殖带来了大量的经济损失。为研究鸡球虫耐药性产生的机制,本实验室前期以柔嫩艾美耳球虫的药物敏感株(DS)为亲本,诱导出抗地克珠利耐药株(DZR)和抗马杜拉霉素耐药株(MRR)。对2个耐药株和敏感株进行转录组测序,筛选了敏感株与耐药株的差异表达基因。在此基础上,本研究选择4个在耐药株体内显著上调的基因,分别为柔嫩艾美耳球虫含HD域蛋白(HD domain-containing protein,EtHDCP)、3-磷酸甘油醛脱氢酶(Glyceraldehyde-3-phosphate dehydiogenase,EtGAPDH)、伴侣蛋白TCP-1环状复合物亚基α(T-complex protein1subunitα,EtTCP-1α)和苹果酸脱氢酶(Malate dehydrogenase,EtMDH)。对这4个基因进行特性和功能的初步分析,并用全基因组重测序的方法对敏感株和2个耐药株进行测序,以期蛋白水平和基因水平寻找球虫耐药性产生的可能机制。  1.EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH基因的克隆和生物信息学分析  以柔嫩艾美耳球虫敏感株孢子化卵囊cDNA第一链为模板,PCR扩增获得了EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH的ORF序列。EtHDCP的ORF序列长462bp,编码153个氨基酸,该基因编码的蛋白分子量为16.8kDa,没有跨膜结构和信号肽,功能域结构分析表明EtHDCP具有N-糖基化位点等多种结构域。EtGAPDH的ORF序列长1.020bp,编码339个氨基酸,该基因编码的蛋白分子量为37.3kDa,没有跨膜结构和信号肽,功能域结构分析表明EtGAPDH含有3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性位点等多种结构域。EtTCP-1α的ORF序列长843bp,编码280个氨基酸。该基因编码的蛋白分子量为30.8kDa,役有跨膜结构和信号肽,功能域结构分析表明EtTCP-1α含有分子伴侣分子TCP-1标签2位点等多种结构域,属于TCP-1/cpn60分子伴侣家族。EtMDH的ORF序列长954bp,编码317个氨基酸。该基因编码的蛋白分子量为339kDa,没有跨膜区和信号肽,功能域结构分析表明EtMDH含有乳酸/苹果酸脱氢酶活性位点等多种结构域。利用定量PCR对柔嫩艾美耳球虫发育的4个不同阶段(未孢子化卵囊,Unsporated oocysts,UO,孢子化卵囊,Sporated oocysts,SO;子孢子,Sporozoites,SZ,第二代裂殖子,Second-generation merozoites,SM)中EtHDP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH的mRNA转录水平进行检测,结果显示:EtHDCP基因在SM阶段高表达,在其他3个发育阶段的转录水平极低,EtGAPDH基因在4个发育阶段均有一定的转录,由高到底依次为SM、UO、SZ、SO,EtTCP-1α基因在UO、SO、SM阶段均有一定的转录,由高到底依次为SM、UO、SO,但在SZ阶段的转录水平极低,EtMDH基因在4个发育阶段均有一定的转录,由高到底依次为SM、UO、SO、SZ。  2.EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH原核重组蛋白的表达和功能初步分析  将EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH基因的ORF分别连接到原核表达载体pGEX-4T-2、pCOLDI、pET-28a和pGEX-4T-2中,构建了原核表达重组质粒pGEX-4T-EtHDCP、pCOLDI-EtGAPDH、pET-28a-EtTCP-1α和pGEX-4T-EtMDH。4个重组质粒经PCR和测序鉴定正确后,分别将其转入大肠杆菌BL21感受态细胞,经IPTG在不同条件下诱导,成功表达了重组蛋白GST-EtHDCP(rEtHDCP)、HIS-EtGAPDH(rEtGAPDH)、HIS-TCP-1α(rEtTCP-1α)和GST-EtMDH(rEtMDH)。经分析,重组蛋白rEtHDCP、rEtGAPDH和rEtTCP-1α都以包涵体形式表达,而rEtMDH则以可溶性形式表达。经切胶纯化(rEtHDCP、rEtGAPDH和rEtTCP-1α)和经GST柱(rEtMDH)纯化后分别获得了4个重组蛋白,用佐剂乳化纯化的rEtHDCP、rEtGAPDH、rEtTCP-1α和rEtMDH并分别免疫新西兰大白兔和BALB/c小鼠获得相应的多抗血清。经Western blot分析表明重组蛋白rEtHDCP、rEtGAPDH、rEtTCP-1α和rEtMDH都具有良好的反应原性,荧光定量PCR和Western blot分析表明EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH在2个耐药株的表达均上调,对EtGAPDH和EtMDH的酶活性分析表明2个耐药株的GAPDH和MDH活性均高于敏感株。利用间接免疫荧光定位对EtHDCP、EtGAPDH、EtTCP-1α和EtMDH在SZ和SM等虫体不同发育阶段的分布进行分析,结果显示:EtHDCP主要位于SZ和SM阶段的的虫体表面,SZ加入DF-1细胞48h后,蛋白表达增加,EtGAPDH主要位于SZ的表面和SM的细胞质,SZ加入DF-1细胞48h后,蛋白表达量增加;EtTCP-1α主要位于SZ和SM的表面,SZ加入DF-1细胞24h后,分布于除后端折光体外的整个虫体;EtMDH广泛分布于SZ阶段除折光体外的部分和SM的表面,SZ加入到DF-1细胞中2h后则主要分布于顶端,当SZ加入DF-1细胞48h后,蛋白表达增加。体外抑制实验表明,经anti-rEtHDCP和anti-rEtMDH抗体作用后的SZ入侵细胞能力明显下降,当抗体浓度升至400μg/mL时,anti-rEtHDCP抗体的抑制率超过40%,anti-rEtMDH的抗体抑制率为40%左右。  3.基于全基因组重测序的敏感株与耐药株SNP位点筛选  收集、纯化柔嫩艾美耳球虫DS、DZR、MRR的孢子化卵囊,提取虫体DNA,用全基因组重测序的方法对DS、DZR、MRR进行了分析,过滤原始数据得到有效数据,在40×覆盖深度下,使用PoPoolation2软件中的Fst与shding window方法,筛选到45个耐药相关基因,GO分析和KEGG分析表明,这些基因参与球虫的生物进程、细胞组成和分子功能。进一步对比分析发现耐药株体内存在乙酰辅酶A羧化酶基因(acetyl-CoA carboxylase,ACC)的50424C>S、50438G>K、50443G>R、51264A>R和51321C>S突变,而敏感株体内不存在;耐药株体内存在钙/钙调素依赖性3,5-环核苷酸磷酸二酯酶(calcrum/calmodulin-dependent3,5-cyclic nucleotide phosphodresterase,CaM-PDE)619583G>K、619603C>S、619605A>R和619607G>S突变,而敏感株体内不存在;敏感株体内存在热重复家族蛋白(Heat repeat family protein,HRFP)2164C>Y、2170T>W和2173G>R突变,而耐药株体内不存在。
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