病毒载体 概述.docx

1、病毒载体 概述病毒载体概述引言基因导入系统(gne eliverysystem)是基因治疗的核心技术,可分为病毒载体系统和非病毒载体系统。本章主要论述用于人类基因治疗的病毒载体系统。用于基因治疗的病毒载体应具备以下基本条件:1、携带外源基因并能包装成病毒颗粒;、介导外源基因的转移和表达;3、对机体不致病、然而,大多数野生型病毒对机体都具有致病性、因此需要对其进行改造后才能用于人体。原则上,各种类型的病毒都能被改造成病毒载体。然而由于病毒的多样性及与机体复杂的依存关系,人们至今对许多病毒的生活周期、分子生物学、与疾病发生及发展的关系等的认识还特别不全面,从而限制了许多病毒发展成为具有实用性的载体

2、。近20年来,只有少数几种病毒如反转录病毒(包括HI病毒)、腺病毒、腺病毒伴随病毒、疱疹病毒(包括单纯疱疹病毒、痘苗病毒及EB病毒)、甲病毒等被成功地改造成为基因转移载体并开展了不同程度的应用。第一节 病毒载体产生的原理病毒载体的产生建立在对病毒的生活周期和分子生物学认识的基础之上。研究病毒载体首先要对病毒的基因组结构和功能有充分的了解,最好能获得病毒基因组全序列信息。病毒基因组可分为编码区和非编码区、编码区基因产生病毒的结构蛋白和非结构蛋白;依照其对病毒感染性复制的影响,又可分为必需基因和非必需基因。非编码区中含有病毒进行复制和包装等功能所必需的顺式作用元件。各种野生型病毒颗粒都具有一定的包

3、装容量,即对所包装的病毒基因组的长度有一定的限制。一般来说,病毒包装容量不超过自身基因组大小的10511%。基因重组技术的发展使病毒载体的产生成为估计。最简单的做法是,将适当长度的外源DN插入病毒基因组的非必需区,包装成重组病毒颗粒。比如,本实验室曾将4、k的lacZ基因表达盒(CMV-lZolA)插入SV1病毒的U4(糖蛋白C)基因的XaI位点中,病毒基因组的其余部分不改变,构建成重组病毒HSV-lZ0(吴小兵等,19)。由于44基因产物关于HSV病毒在培养细胞中产毒性感染是非必需的,因此,该重组病毒能够在细胞中增殖传代。用这种重组病毒感染细胞,能将lcZ基因带入细胞并高效表达、用同样的方法

4、,将AAV2病毒的re和cap基因片段(4、3k)插入SV1病毒的UL2(编码尿嘧啶DNA糖基化酶)或U4(编码糖蛋白C)基因中,构建成具有提供重组AAV载体复制和包装所需的全部辅助功能的辅助病毒rHV-r(伍志坚等,19)。然而,如此的重组病毒作为基因转移载体有许多缺点。首先,许多野生型病毒通过在细胞中产毒性复制而导致细胞裂解死亡;或带有病毒癌基因而使细胞发生转化、因此必须经过改造使其成为复制缺陷性病毒同时删除致癌基因后才能用于基因治疗。其次,插入外源DNA的长度受到特别大限制,尤其关于基因组本身较小的病毒如腺病毒伴随病毒(A,4、kb)、反转录病毒(0kb)、腺病毒(3kb),假如不去除病

5、毒基因,可供外源DA插入的容量就十分小。因此,必须删除更多的病毒基因以腾出位置插入较大的外源DNA、为了增加病毒载体插入外源DNA的容量,除了能够删除病毒的非必需基因外,还能够进一步删去部分或全部必需基因,这些必需基因的功能由辅助病毒或包装细胞系反式提供。病毒载体大体上可分为两种类型:重组型病毒载体:这类载体是以完整的病毒基因组为改造对象。一般的步骤是选择性地删除病毒的某些必需基因尤其是立早基因或早期基因,或控制其表达;缺失的必需基因的功能由互补细胞反式提供;用外源基因表达单位替代病毒非必需基因区;病毒复制和包装所需的顺式作用元件不变、这类载体一般通过同源重组方法将外源基因表达单位插入病毒基因

6、组中。如在传统的重组腺病毒构建方法中,将外源基因表达盒(exogenous gene exresionassette)插入穿梭质粒(如pXCX2或pFd1)的腺病毒同源序列中,与辅助质粒(含有腺病毒基因组的质粒如JM7或pBHG)共转染293细胞,通过细胞内的同源重组获得含有外源基因的重组腺病毒(Gaham F nd Preve L 19)。无病毒基因的病毒载体(gessvectrs):这类载体在不同的病毒载体系统中的称谓不同。关于腺病毒,一般称为miniA;在HSV载体系统,一般称为扩增子(amplic)载体或质粒型载体、重组AA载体也属于无病毒基因的病毒载体。这类载体系统往往由载体质粒和辅

7、助系统组成、重组载体质粒主要由外源基因表达盒、病毒复制和包装所必需的顺式作用元件及质粒骨架组成。辅助系统包括病毒复制和包装所必需的所有反式作用元件。在辅助系统的作用下,重组载体质粒(包含或不包含质粒骨架)以特定形式(单链或双链,DNA或A)被包装到病毒壳粒中,其中不含有任何病毒基因。这类病毒载体的优点在于载体病毒本身安全性好,容量大。缺点在于往往需要辅助病毒参与载体DN的包装,而辅助病毒又难以同载体病毒分离开来,造成最终产品中辅助病毒污染,从而影响其应用。实际上,无病毒基因的病毒载体能够看作是重组病毒载体的一种极端减毒情况、表列举了几种常见的病毒载体的顺式作用元件和经典的包装方式。载体顺式作用

8、元件经典包装方式反转录病毒载体1)两个长末端重复序列(TR):含有整合和调节转录的必需序列;含有转录增强子和启动子;2) tRNA 引物结合位点p;3)包装信号序列、载体质粒转染整合了所有必需基因(gg,pol,v)的包装细胞系如PA3,经选择培养获得产病毒细胞系(VPC);细胞不裂解,病毒不断分泌至培养上清中。腺病毒载体两个末端倒转重复序列(IR);包装信号序列、载体质粒与辅助质粒共转染29细胞获得重组腺病毒、重组腺病毒感染293细胞而扩增;细胞每次被感染后发生裂解。腺病毒伴随病毒载体两个末端倒转重复序列(R);其中包括了病毒复制起点、包装信号及整合和拯救所必需的顺式元件、V载体质粒和辅助质

9、粒共转染3细胞,并加辅助病毒(腺病毒或单纯疱疹病毒)感染。单纯疱疹病毒载体SV病毒复制起点ri; 病毒包装信号pac。PTA重组病毒在互补细胞上传代;扩增子病毒在辅助病毒存在下传代。第二节 病毒载体的包装系统将外源基因包装到病毒壳粒中,是病毒载体生产的核心技术、一般地,病毒载体的制备包括以下要素:宿主细胞尽管现在已有估计对有些病毒载体(如V载体)进行体外(无细胞)包装(Zh XH et a 。 1; in L e l、 1),然而这种包装系统仍然需要细胞提取物,同时包装效率相当低,远远达不到可生产水平。至今为止,病毒载体的包装主要是在对该病毒敏感的宿主细胞中进行的。宿主细胞不但提供了病毒复制和

10、包装的环境条件,许多细胞成分还直截了当参与了病毒复制和包装的过程。病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒一般地,病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒由细菌质粒携带,组成病毒载体质粒,是被包装的对象。由于病毒复制方式的不同,有些病毒载体如单纯疱疹病毒扩增子(HSV amplicon)载体在包装时,整个载体质粒都被包装进入病毒颗粒中;而有些病毒载体如反转录病毒、腺病毒伴随病毒载体的质粒骨架部分并不被包装到病毒颗粒中,只有病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因表达盒被包装到病毒颗粒中。构建重组型病毒载体时,病毒复制和包装所需的顺式作用元件存在于病毒基因组中(病毒基

11、因组能够由具有感染性的病毒颗粒提供,也能够质粒形式提供)。先将外源基因表达盒插入穿梭质粒携带的病毒同源序列中;将重组穿梭质粒转染至细胞中,再用辅助病毒超感染;或将重组穿梭质粒与病毒基因组质粒共转染细胞;重组质粒与病毒基因组在细胞中进行同源重组而产生表达外源基因的重组病毒。重组腺病毒(Gaham FLnd Prve L 1995)和重组单纯疱疹病毒(les B e al、 197;Kram C et al、 197)的传统制备方法都是采纳这种方式。为了使病毒载体的生产更为方便,病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒除了能够用质粒携带以外,也能够用另一种病毒(往往是辅助病毒)或生产细

12、胞来携带。辅助元件包括病毒复制和包装所必需的所有反式作用元件。这些元件一般包括病毒基因转录调控基因、病毒D合成和包装所需的各种酶类的基因、病毒的外壳蛋白基因等。辅助元件的表现形式能够多种多样、常用的形式有:辅助质粒(hlprlsmid),如用于产生重组腺病毒的质粒1,用于重组AAV包装的辅助质粒AAV/A(RolngF and Samulki J 995)等; 辅助病毒(elr virus),如用于HSV扩增子载体包装的辅助病毒H1tsK株; 包装细胞系如用于反转录病毒载体包装的P17细胞。这些表现形式之间能够相互转化或合并。例如,辅助病毒能够转化为辅助质粒:传统的AA载体生产系统常用腺病毒作

13、为辅助病毒。研究发现,并非腺病毒的所有基因对AAV病毒的产生都是必需的,只需要腺病毒E1a, E, E2, E和 RA 5种基因就行了、因此,将这5种基因置于同一个质粒中,构建成的这种新的辅助质粒就完全能够替代原来的辅助病毒(iao X a、 199;GrmD a。1998),不但提高了包装效率,而且幸免了产品中腺病毒污染的问题、上述几种要素的不同组合,便产生了各种各样的病毒载体包装策略。依照病毒载体生产系统的组成因素的多少,可将其分成以下几种:单组成因素生产系统(ne-pnentsyste):所有的组成成分都集中在生产细胞中。经典的反转录病毒生产系统就是由产病毒细胞(PC)组成,重组反转录病

14、毒由VPC细胞不断分泌至培养上清中。这种生产系统操作最为简单,然而往往产量不高或不稳定。采纳这种策略,需要将重组病毒产生所需要的所有元件都稳定地置于生产细胞中、由于许多病毒基因产物本身对细胞有破坏作用或不能在细胞中稳定表达,因此这种策略在许多病毒载体的生产中难以实施、双组成因素生产系统(tw-oent sysem)这种生产系统一般由”一株病毒/一株细胞组成。典型的例子是重组腺病毒生产系统。先用共转染的方法获得重组腺病毒毒种,再由该毒种和生产细胞(如23细胞)组成一个双组成因素的生产系统使病毒大量扩增。多组成因素生产系统(multiponetsysem)是由两种以上的组成因素组成的生产系统。传统

15、的AV载体生产系统就是由载体质粒,辅助质粒,辅助病毒和生产细胞4种因素组成、这种策略的缺点是影响因素多,操作复杂,产量不容易稳定,不利于大规模生产。 以上各种生产系统也能够相互转化。我们实验室通过将上述V载体生产系统的4种因素进行两两合并,马上辅助质粒和辅助病毒合并成一种重组的辅助病毒,将载体质粒和生产细胞合并成A前病毒细胞株,成功地将其转化成一种双组成因素的新型高效生产系统(伍志坚等,1999)。一般来说,发展新的包装策略主要是为了以下几种目的:(1) 减少生产系统中的组成因素,简化操作过程;(2)提高生产效率,降低生产成本;(3)幸免或降低野生型病毒的产生;()幸免使用难以与产品病毒分离的

16、辅助病毒。第三节 病毒载体的纯化方法重组病毒的纯化与基因工程产品的纯化既有许多共性,又有显著的不同之处、病毒能够看作是一个具有特定结构的生物大分子,一般都由位于中心的核酸和包裹于其外的蛋白外壳组成、有些病毒还具有脂质膜和糖蛋白或糖脂。许多分离纯化蛋白质的方法如离心和梯度离心、盐析、柱层析、超滤、透析等方法都可用于病毒的纯化。然而,由于病毒结构的复杂性,纯化时不能采纳蛋白质变性和复性的方法,因为一旦病毒蛋白发生变性,或病毒结构发生破坏,在体外就特别难再重建成有感染性的病毒颗粒。因此,在病毒的纯化过程中必须保持病毒的结构不受破坏,同时监测其感染活性、病毒的纯化一般分为以下几个步骤:初始物(star

17、 ateal)的收集或制备依照病毒产生方式的不同而采取不同的方式。关于不导致细胞病变和死亡的病毒如反转录病毒,可不断收集产毒细胞(VP细胞)的培养上清作为初始物;关于在生产病毒过程中宿主细胞发生病变和死亡的病毒如腺病毒,在病毒产生达到高峰时,收集培养上清,并裂解细胞以释放细胞内的病毒。培养上清和细胞裂解液都可作为纯化的初始物。在实验室的小规模制备中,往往采纳将培养上清与细胞一起反复冻融34次的方法制备细胞裂解液作为初始物。关于初始物体积大于500m的较大规模的制备,则需要考虑采纳不同初始物的损益率。假如收集时大部分(90%以上)目标病毒仍存在于细胞中,为了减少操作大体积初始物带来的不便,能够考

18、虑放弃上清中含有的目标病毒,而通过低速离心收集细胞,重悬于较小体积的缓冲液中进行细胞裂解制备细胞裂解液。关于腺病毒和AV病毒的大规模制备都能够采纳这种方式。假如通过延长培养时间能够使大部分的目标病毒释放到培养液中,也能够只收集培养上清而弃去细胞,从而省去反复冻融的步骤。除了用反复冻融方法裂解细胞外,还能够依照目标病毒的生物学性质采纳其它不影响其感染性的方法,如超声法、化学法(如在AV病毒制备中用脱氧胆酸或氯仿)等。初始物的浓缩当初始物体积较大时,要考虑对其进行浓缩后再分离纯化。浓缩时最好同时能获得初步纯化关于效果、 在不影响目标病毒的感染性的前提下,可选用盐析、超滤、透析等方法进行浓缩、盐析法

19、不仅能够用来浓缩初始物,同时也能达到一定的分离纯化效果。最常用的盐是硫酸铵;许多病毒如腺病毒、AAV病毒和单纯疱疹病毒用聚乙二醇/氯化钠系统沉淀可获得特别好的效果同时不影响病毒的感染性、目标病毒的分离纯化氯化铯密度梯度离心法至今仍是分离纯化各种病毒的最常用方法。主要是依据不同病毒具有特征性的浮力密度,使其与细胞裂解液中的其它成分分离开来。收集到目标病毒特异的组分后,用透析法除去其中的氯化铯,获得纯化的病毒。用这种方法有时可获得极高纯度的病毒。目前在临床实验中应用的重组腺病毒大都是用这种方法进行纯化的、然而,这种方法也存在明显的弊病,主要是费时且操作难度较大,重复性较差;同时氯化铯对人体有毒性。

20、因此随着基因治疗研究和应用的发展,用这种方法纯化的重组病毒估计不能习惯人体内应用的要求、用柱层析法尤其是亲和层析法分离纯化病毒估计成为用于临床的重组病毒载体大量纯化的主要方向。将病毒的特异性受体、抗体或化学合成的配体偶联在层析基质上并制备成亲和层析柱、将含有目标病毒的初始物经简单处理后直截了当上柱,最后洗脱和收集目标病毒。这类方法最近在AV病毒载体的纯化中得到特别高评价(Sumerford C and Samulski 99)、第四节病毒载体在基因治疗中的应用自19年开展第一例人体基因转移(标记基因)以来,据不完全统计,至今已开展了近400项基因治疗临床试验,涉及病人000余人、2/3以上的临

21、床方案中应用了病毒载体进行基因导入。由于各种的病毒载体具有其特定的生物学特性,这些特性决定了其在基因治疗中的应用。表2列举了常用的病毒载体的特性和适用范围载体顺式作用元件经典包装方式反转录病毒载体1)两个长末端重复序列(LTR):含有整合和调节转录的必需序列;含有转录增强子和启动子;2) tR 引物结合位点;3)包装信号序列、载体质粒转染整合了所有必需基因(gag,l,nv)的包装细胞系如P317,经选择培养获得产病毒细胞系(VPC);细胞不裂解,病毒不断分泌至培养上清中。腺病毒载体两个末端倒转重复序列(IT);包装信号序列。载体质粒与辅助质粒共转染293细胞获得重组腺病毒。重组腺病毒感染29

22、3细胞而扩增;细胞每次被感染后发生裂解、腺病毒伴随病毒载体两个末端倒转重复序列(IT);其中包括了病毒复制起点、包装信号及整合和拯救所必需的顺式元件。A载体质粒和辅助质粒共转染29细胞,并加辅助病毒(腺病毒或单纯疱疹病毒)感染。单纯疱疹病毒载体HSV病毒复制起点ori;病毒包装信号pc。PCA重组病毒在互补细胞上传代;扩增子病毒在辅助病毒存在下传代、第五节 安全性检测总的来说,病毒载体制剂的安全性检测主要涉及以下几个方面(Aderon RW 96):有复制能力的病毒(replication petnt v, RC)RCV一般产生于重组病毒生产过程中基因重组事件。由于R具有复制能力,在生产过程中

23、一旦出现,就估计呈现优势生长,从而影响载体病毒的产量;另外,含有V的制品用于人体内估计导致严重的病毒感染或急性慢性病毒血症。RCV是对用于基因治疗的病毒载体制剂安全性检测的特有项目。检测RCV的方法因不同的病毒载体而异、关于反转录病毒载体,检测有复制能力的反转录病毒(RCR)的方法主要是G4 S+-分析法;也可采纳其它的变通方法、关于腺病毒载体,检测有复制能力的腺病毒(RA)主要采纳空斑分析方法及PC方法、辅助病毒关于生产过程需要辅助病毒参与的病毒载体如AAV病毒载体,由于这些辅助病毒本身具有复制能力并对机体细胞有破坏性,因此检测病毒制剂中的辅助病毒如腺病毒或单纯疱疹病毒的残存量十分重要、其它

24、成分的污染检测指标包括细菌、霉菌、支原体、内毒素等及在纯化过程中所用试剂如氯化铯等的残余量。第六节病毒载体的发展方向基因治疗研究的快速发展对基因导入系统提出了越来越高的要求。病毒载体的发展也日新月异,包括对已有病毒载体的不断改进和完善,和越来越多的其它病毒被改造成为新的病毒载体。病毒载体的发展方向可归纳成以下几个方面:简便、高效的病毒载体包装系统:考虑到包装的高效性和操作的简便性,越来越多的病毒载体生产系统将采纳双组成因素系统。这种系统容易用于病毒载体的大规模生产(L XL al、199; Conway E t al、19 )。无病毒基因的病毒载体(utlessvira cor):去除病毒载体

25、中所有的病毒基因,只保留其复制和包装所必需的顺式作用元件,是病毒载体的重要发展方向。这种策略可最大限度地扩大载体的容量和减少病毒对细胞的直截了当毒性和病毒蛋白表达引起的免疫毒性。腺病毒的微载体(i-Ad)、AV载体、HS扩增子载体都是无病毒基因的病毒载体。这一发展方向需要解决的主要问题是建立高效、安全(无辅助病毒污染)的包装系统。可调控表达外源基因的病毒载体:在许多疾病的基因治疗中,实现外源基因的可调控表达十分重要。如糖尿病的基因治疗,外源的胰岛素基因的表达最好能受血糖水平的调控;肾性贫血的基因治疗,EP基因的表达最好能受血氧含量的调控等。目前所研究的表达调控系统主要包括各种药物诱导的表达开关

26、。其中四环素控制系统(Teton和eoff)是人工设计的一种基因表达调控模式。这个系统在体外和动物体内实验中都表现出良好的表达调控作用(Fotaki ME et l、197; illr and Whan 997)。然而,由于其中的反式作用蛋白(t或rtTA)是异种蛋白,在机体内估计引起毒性作用和免疫反应,因此用于人体前还需考虑其安全性和长期有效性。最近Binle 等(9)报道了用缺氧反应元件(ypoiaresnse element ,HE)腺病毒载体中外源基因的表达。缺氧可激活bHLH/PA 家族转录因子的表达,它们可结合HRE核心序列上,诱发其下游基因的表达。自我扩增型载体(slmplifi

27、ngector)(HerweijerHand Wolf JA 1997):目前的基因转移方法基因转移的效率仍相对较低,尤其是在体内。为了提高外源基因表达总水平,除了提高基因转移效率外,另一种方法是尽量提高外源NA在细胞中的表达水平。用自我扩增型的表达载体是达到此目的的方法之一、这些载体是以正链RN病毒indis病毒和emli Fre 病毒为基础的。用目的基因代替病毒的外壳蛋白编码序列,导入靶细胞中,病毒的复制蛋白大量复制重组的基因组,mRNA水平的大量增加导致高水平的转导基因表达。自我扩增型载体的表现形式能够是NA,DNA和重组病毒、特异性复制型性病毒载体(specfically replic

28、aing vctr):指可在某种特性的组织中产毒性复制,而在其它组织中不增殖的病毒载体。这类病毒载体主要用于特异性裂解肿瘤细胞。如腺病毒突变株Onyx1是55KdaE1B基因功能缺失的腺病毒突变株,能够选择性地在p53基因突变的肿瘤细胞中增殖,而在正常组织细胞中不增殖、用这种突变株联合化疗治疗恶性肿瘤II期临床结果令人鼓舞(KrD et a、 998),已进入III期临床试验,从此,许多人工改造的腺病毒突变体被用于肿瘤治疗研究中。如将腺病毒E1基因的表达用甲胎蛋白(AFP)启动子控制,使得该病毒只能在甲胎蛋白阳性的肝癌细胞中增殖导致细胞死亡、也能够将这种病毒的基因组分开装在两个互补的缺陷性腺病

29、毒载体上(Alemany R t al。 1999),其中一个载体除了腺病毒复制和包装所必需的顺式作用元件外,只含有1区基因,其中EA基因的表达受FP启动子的控制;另一个载体为1区缺失的重组腺病毒。这两个载体同时感染FP阳性的肝癌细胞时,病毒可不断增殖而引起细胞死亡;关于AP阴性的细胞,EA基因不表达,因而病毒不能增殖。类似的设计在H载体系统也有报道。除了用甲胎蛋白作为反式激活因子外,各种其它组织特异性表达的蛋白和调控序列都可被用来控制病毒的增殖。嵌合型病毒载体(hybrid vial vector):是指将不同病毒的基因元件进行组合,形成的重组杂合病毒、如腺病毒与A病毒的杂合体病毒,既具有腺

30、病毒的感染性和基因组特性(双链线状A),又具有AV病毒的染色体整合性(Lieber A et al、199)。各种病毒基因元件组合形成新的杂合载体的报道层出不穷,如单纯疱疹病毒扩增子与AA病毒杂合载体(Johns M et 、 197)、腺病毒与病毒复制子杂合载体(TanBT e al、 9)腺病毒与反转录病毒杂合载体(Caplen N tal。 1999)等,不一而足。这些杂合载体使重组病毒的特性多样化,以习惯不同基因转移目的的需要。靶向性病毒载体(tareed vil vector):是指能特异性地结合并感染某种细胞的病毒载体。靶向性病毒载体的产生主要有两种方法。一种方法是将病毒颗粒与某一靶向分子(HariOA et a、199 )或特异性抗体(BartletJS et al、1999)偶联;另一种方法是通过改变病毒外壳蛋白的结构,使其对细胞的亲嗜性发生改变(Ryolds P t a、 1999;Kasnkh VN al、 16 )、用各种其它病毒构成新型病毒载体:略。参考文献AdrsonW。 1996、 Forum96: Gee Terapy、 P24Ale R,Lai , u C al、 199。 plentary deil vctor fo oncolsis、 Ccer GeTer。6:21-2BartlttJS,Klschmidt J, Bohe RC et al、