Введение к работе
Актуальность проблемы. V антиген (LcrV) – полифункциональный фактор патогенности и один из основных протективных антигенов иерсиний (Une, Brubaker, 1982). Он представляет собой полипептид с молекулярной массой 37 кДа (Price et al., 1989), кодируемый геном lcrV, расположенным на плазмиде вирулентности (кальцийзависимости) патогенных для человека представителей рода Yersinia: Y. pestis, Y. pseudotuberculosis и Y. enterocolitica. Установлено, что V антиген ингибирует хемотаксис нейтрофилов и запускает механизм супрессии провоспалительных цитокинов (Brubaker et al.,1984, Nakajima et al., 1997). Этот белок регулирует работу многокомпонентной системы секреции белков третьего типа (type 3 secretion system -T3SS) путем прямого влияния на собственно секрецию эффекторных белков Yop (Yersinia outer proteins) и опосредованно – на транскрипцию их генов, а также на перенос белков-эффекторов внутрь эукариотической клетки-мишени (Bergman et al., 1991, Price et al., 1991).
Нуклеотидную последовательность гена lcrV из Y. pestis в 1989 г. опубликовал коллектив авторов из Университета Кентукки, США (Price et al., 1989). Позднее шведские исследователи из Университета Умеа секвенировали аналогичный ген из Y. pseudotuberculosis (Bergman et al., 1991).
По полиморфизму структуры гипервариабельной области на N-конце молекулы в пределах 40-61 а.о. (TLR2 - активный район) V антигены делят на семь классов. Первый из них составляют последовательности белка Y. pestis и Y. pseudotuberculosis, остальные шесть вариантов найдены только у Y. enterocolitica, причем отдельные структурные варианты отличаются по своей иммуносупрессивной активности (Sink et al., 2005).
V антиген является высококонсервативным белком в эпидемически значимых штаммах Y. pestis основного подвида subsp. pestis (Adair et al., 2000, Motin et al., 1992). Вариации в нуклеотидных последовательностях гена lcrV описаны для штаммов неосновного подвида Y. pestis ("полевочьи" штаммы): Pestoides F (Adair et al., 2000) и 91001 (Song et al., 2004, Zhou et al., 2004), циркулирующих в Закавказском высокогорном очаге (Азербайджан, Грузия или Армения) и степях Внутренней Монголии (Китай), соответственно.
Большинство исследований, посвященных оценке протективной активности (Burrows, Bacon, 1958, Une, Brubaker, 1982, Lawton et al., 1963, Motin et al., 1994, 1996), способности образовывать олигомеры (Broz et al., 2007, Caroline et al., 2008, Pouliot et al., 2007, Tito et al., 2001), иммуносупрессивной активности (Pouliot et al., 2007, Motin et al., 1996, Sing et al., 2002, Sodhi et al., 2004), а также определение трехмерной структуры (Derewenda et al., 2004) V антигена проведены с использованием молекул LcrV «классического» (описываемого нами как D) типа.
Анализ генетического и структурно-функционального полиморфизма V антигена Y. pestis с привлечением комплекса методов микробиологии, генной инженерии, биохимии, иммунологии и компьютерного моделирования позволит получить новые сведения о роли различных структурных вариантов V антигена в патогенезе и иммуногенезе чумы, а также о степени его изменчивости в ходе микроэволюции Y. pestis у представителей различных внутривидовых групп. Это создаст основу для разработки методологии получения технологичных штаммов-продуцентов с максимальным уровнем продукции высокопротективных вариантов V антигена, необходимую для конструирования экспериментальных вакцин нового поколения.
Цель исследования - структурно-функциональный и генетический анализ V антигена Y. pestis для рационального конструирования субъединичных противочумных вакцин.
Задачи исследования:
-
Изучить полиморфизм нуклеотидных последовательностей lcrV генов и аминокислотных последовательностей соответствующих им полипептидов у представителей различных внутривидовых групп Y. pestis и оценить влияние структуры V антигена на избирательную вирулентность "полевочьих" штаммов возбудителя чумы.
-
Провести компьютерное моделирование трехмерной структуры различных вариантов V антигена Y. pestis.
-
Осуществить молекулярное клонирование генов различных структурных вариантов V антигена Y. pestis, провести выделение и очистку рекомбинантных белков.
-
Изучить иммуногенность различных структурных вариантов V антигена Y. pestis.
Научная новизна.
Приоритет в определении нуклеотидной последовательности, кодирующей иммуногенный полипептид LcrV(G113), вызывающий защитный иммунный ответ против Y. pestis, и в конструировании рекомбинантного штамма бактерий Escherichia coli BL21(DE3)/pETV I3455 – продуцента иммуногенного полипептида LcrV(G113) защищен патентом на изобретение № 2439155 С1 РФ.
Выявлены три новых структурных типа V антигена Y. pestis. Показано, что LcrV типа D, характерный для эпидемически значимых штаммов Y. pestis subsp. pestis, также широко распространен среди наиболее филогенетически древних штаммов различных биоваров subsp. microtus. Только 39 % от изученных «полевочьих» штаммов обладают вариантными структурами LcrV (отличными от типа D).
Установлено, что структурный полиморфизм V антигена Y. pestis не является причиной избирательной вирулентности «полевочьих» штаммов.
Проведено компьютерное моделирование трехмерной структуры V антигена типа А и проведена оценка влияния выявленного структурного полиморфизма V антигена Y. pestis на структуру молекулы.
Показано влияние полиморфизма по отдельным аминокислотным остаткам V антигена на способность белка к олигомеризации и на его протективную активность.
Практическая ценность диссертации.
Депонированы в GenBank последовательности lcrV гена 18 штаммов Y. pestis (номера доступа: EF645809.1, DQ489557.1, EF645806.1, GQ468417.1, DQ489552.1, GQ468423.1, EF645807.1, EF645808.1, DQ489556.1, DQ489555.1, GQ468422.1, GQ468421.1, GQ468420.1, GQ468419.1, DQ489554.1, DQ489553.1, GQ468416.1, GQ468415.1) (международный уровень внедрения).
Депонирован в коллекции "ГКПМ-Оболенск" ГНЦ ПМБ охраноспособный штамм E. coli BL21(DE3)pETV I3455 - продуцент V антигена с повышенной способностью к агломерации и повышенной протективной активностью (федеральный уровень внедрения).
Материалы диссертации используются в лекциях при подготовке магистрантов Пущинского государственного естественнонаучного института и аспирантов ГНЦ ПМБ.
Препараты V антигена, выделенные из сконструированных продуцентов, были использованы для получения моноклональных антител в группе иммунохимии филиала Института биоорганической химии им. и РАН (Пущино) и в лаборатории молекулярной биологии ГНЦ ПМБ, а также в качестве одного из компонентов экспериментальных чумных вакцин, разрабатываемых в рамках Госконтрактов № 124-Д от 11.06.2009 г. (№ гос. регистрации 01200905859), № 52-Д от 29.06.2010 г. (№ гос. регистрации 01201002280) и № 62-Д от 22.07.2011 г. (№ гос. регистрации 01201174793) с Роспотребнадзором и № Н/3/7/50ф-11-ДГОЗ от 15.04.2011 г. (№ гос. регистрации 01201162945) с Министерством обороны РФ. Кроме того, препараты V антигена применяются в лаборатории биологических испытаний ГНЦ ПМБ для оценки динамики продукции антител у лабораторных животных (мышей, крыс, хомяков и морских свинок), инфицированных Y. pestis.
Положения, выносимые на защиту:
Избирательная вирулентность "полевочьих" штаммов Y. pestis не обусловлена структурной вариабельностью V антигена.
Аминокислотный тип D – широко распространенный и наиболее древний из структурных вариантов V антигена Y. pestis.
Рекомбинантный штамм бактерий E. coli BL21(DE3)/pETV I3455 – продуцент иммуногенного полипептида LcrV(G113), вызывающего защитный иммунный ответ против Y. pestis.
Работа выполнена в лаборатории микробиологии чумы отдела особо опасных инфекций ГНЦ ПМБ по планам НИР в рамках проекта МНТЦ № 2426 (научный руководитель - к.м.н. С.В. Дентовская); проекта РФФИ № 08-04-00405-а (научный руководитель - д.м.н., проф. А.П. Анисимов), договора № 74-Д от 31 декабря 2005 г. (НИР 001-2, № гос. регистрации 01200904237, научный руководитель - д.м.н., проф. И.А. Дятлов) с Роспотребнадзором и Госконтрактов № 124-Д от 11.06.2009 г. (№ гос. регистрации 01200905859), и № 52-Д от 29.06.2010 г. (№ гос. регистрации 01201002280) и № 62-Д от 22.07.2011 г. (№ гос. регистрации 01201174793) с Роспотребнадзором (научный руководитель - д.м.н., проф. А.П. Анисимов).
Личный вклад соискателя. Экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором в сотрудничестве, главным образом, с П.Х. Копыловым (ГНЦ ПМБ) и В.Л. Мотиным (Медицинское отделение Техасского университета, Галвестон, Техас, США). На защиту вынесены только те положения и результаты экспериментов, в получении которых роль автора была определяющей. В исследованиях также принимали участие сотрудники ГНЦ ПМБ Е.А. Панферцев и М.Е. Платонов. Компьютерное моделирование трехмерной структуры различных вариантов V антигена на основании определенных автором нуклеотидных последовательностей проводили B.W. Segelke и A. Zemla из Ливерморской национальной лаборатории им. Министерства энергетики (, , США).
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и представлены на: VI-й Межгосударственной научно-практической конференции государств-участников СНГ "Санитарная охрана территорий государств-участников содружества независимых государств: проблемы биологической безопасности и противодействия биотерроризму в современных условиях" (Волгоград, 2005); 2nd FEMS Congress of European Microbiologists (Madrid, Spain, 2006); NIAID Research Conference (Opatija, Croatia, 2006); VII-й Межгосударственной научно-практической конференции государств-участников СНГ "Чрезвычайные ситуации международного значения в общественном здравоохранении в решениях Санкт-Петербургского саммита государств «группы восьми» и санитарная охрана территорий государств-участников содружества независимых государств" (Оболенск, Московская обл., 2006); 9th International Symposium on Yersinia (Lexington, Kentucky, USA, 2006); научно-практической конференции "Современные аспекты эпидемиологического надзора за особо опасными инфекционными заболеваниями на Юге России" (Ставрополь, 2007); 5th International Conference on Emerging Zoonoses (Limassol, Cyprus, 2007); 9th Symposium of Analytical Microbiology (Beijing, People’s Republic of China, 2007); NATO Science for Peace and Security Programme Advanced Research Workshop “Emerging and Endemic Pathogens: Advances in Surveillance, Detection, and Identification” (Тбилиси, Грузия, 2008); IX Межгосударственной научно-практической конференции государств-участников СНГ «Современные технологии в реализации глобальной стратегии борьбы с инфекционными болезнями на территории государств-участников Содружества Независимых Государств» (Волгоград, 2008); научно-практической конференции, посвященной 75-летию Иркутского НИПЧИ (Иркутск, 2009); II-й научно-практической школы-конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских организаций Роспотребнадзора «Биологическая безопасность в современном мире» (Московская обл., Оболенск, 2009); International Symposium on Bacterial Evolution and Pathogenesis (Zhenjiang, Jiangsu province, China, 2010), III-м съезде военных врачей «Достижения науки и практики в обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия Вооруженных Сил Российской Федерации» (С-Петербург, 2010); III-й научно-практической школы-конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских организаций Роспотребнадзора «Современные технологии обеспечения биологической безопасности» (Московская обл., Оболенск, 2011).
План и аннотация диссертации обсуждены и одобрены на заседании ученого совета ГНЦ ПМБ 9 апреля 2010 г., протокол № 4. Результаты исследований доложены на заседании межлабораторного семинара ГНЦ ПМБ (протокол № 21 от 27 декабря 2011 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 научных публикациях, в том числе в двух статьях, опубликованных в междунарнародных рецензируемых журналах, реферируемых ISI, и в одном патенте на изобретение № 2439155 С1 РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста и включает следующие разделы: введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, три главы результатов исследований с их обсуждением, заключение, выводы и указатель литературы, включающий 16 работ отечественных и 228 - зарубежных авторов. Работа иллюстрирована 13 рисунками и 4 таблицами. Приложения состоят из двух статей, опубликованных по теме диссертации, и описания изобретения к патенту № 2439155 С1 РФ.
