病毒基因工程

互联网2013-11-15

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1953年 Watson 和 Crick 发现了 DNA 双螺旋结构，开创了分子生物学的新时代。三十多年来有关 DNA 的研究有了飞跃的发展。基因工程就是指在试管内人为地把 DNA 分子进行切割、拼接（即重组），再设法把它放回到细胞中去进行扩增，并表达产生人们所需要的蛋白。这样就可以按照人们的意愿创造新的生命形态，表现新的遗传学特往。这种 DNA 重组技术，不仅使基因研究在理论上有新的突破，而且产生了基因工程工业。它被认为是二十世纪生物学一项伟大的成就，也是当今第三次工业革命的重要组成部分。

病毒基因工程，就是指DNA 重组技术在病毒学中的应用。它是近十年来基于分子病毒学、分子生物学、微生物遗传学以及细胞生理学的发展而形成的一个边缘性的应用科学领域。病毒基因工程技术，不仅对病毒学本身规律的基础研究十分重要，而且更主要的它又是研究病毒性疾病防治关键问题的一种必要手段。　

一、病毒学发展的三个阶段

1892 年ИBAHOC КИЙ发现病毒以来，病毒学在人类与病毒性疾病长期斗争的实践中，已逐步发展成为在生物学界和医学界中一门十分重要的学科。鉴于象乙型肝炎、流行性出血热、病毒性脑炎、病毒性肺炎、流行性感冒等一些病毒性疾病在我国还比较严重，所以病毒学在我国卫生保健事业中占有十分重要的地位。

随着生物学研究技术的不断革新，病毒学的发展大致经历了如下三个阶段。

（一）机体水平研究阶段

在40 年代以前，病毒学工作者主要采用敏感动物（如小白鼠）或动物胚胎（如鸡胚）来分离、鉴定病毒，研究病毒的繁殖、发病机理、兔疫反应等，甚至使用受染动物组织制备疫苗，如狂犬病疫苗等。

（二）细胞水平研究阶段

在40 ～60 年代，由于组织培养技术广泛应用于病毒学领域，相继分离了上百种过去对动物不敏感的新病毒，如腺病毒、副流感病毒、鼻病毒、呼吸道合胞病毒、ECHO 病毒等，大大扩展了病毒学研究的范围。组织培养技术不仅为临床病毒学的发展奠定了基础，而且还用于病毒复制和遗传方面的研究，对病毒本质有了进一步的认识。此外，一批经济、安全、有效的组织培养疫苗诞生了，如脊髓灰质炎、麻疹、风疹、腮腺炎疫苗等，为预防病毒性疾病做出了贡献。

（三）分子水平研究阶段

60 年代以来，分子生物学有了飞跃的发展，新技术、新方法的应用，使病毒学的研究焕然一新。在这一时期内基本上弄清了 DNA 和 RNA 病毒的繁殖机理，发现了一类亚病毒，建立了许多病毒基因组的无性繁殖系；阐明了某些病毒的结构与功能的关系和一些病毒的基因表达调控原理；搞清了有 48 ， 502 对核苷酸的λ噬菌体 DNA 的全结构（ Sanger et al 1982 ）以及许多动物病毒基因组的一级结构，甚至具有十几万对核苷酸的 EB 病毒基因组的序列分析也已完成（ Epstein ，个人通讯 1984 ）。分子病毒学在理论上的迅速发展，给病毒性疾病的防治实践带来了新的突破。如果说，由受染动物组织制备的病毒疫苗为第一代产品；由受染组织培养细胞制备的为第二代；那么，采用 DNA 重组技术生产的病毒疫苗则为第三代。目前，口蹄疫病毒基因工程疫苗在进行动物实验，乙型肝炎病毒疫苗也已经研制成功。 DNA 重组技术不仅更新了病毒疫苗，对预防病毒性疾病将做出重大的贡献；而且也使抗病毒治疗发生了革命性的变化。例如，具有广谱抗病毒活性的多肽物质——干扰素，在我国也已经可以采用基因工程技术，由细菌发酵来生产（侯云德等 1982 ， 1983 ， 1984 ）。 DNA 重组技术为生产新的多肽类药物，开辟了一条新的途径。

另一方面，分子病毒学的研究成果，对分子生物学的发展也起了很大的推动作用。RNA 肿瘤病毒反转录酶的发现，不仅充实了阐明DNA 复制、转录和mRNA 的翻译表达及蛋白产物的结构功能三者关系的中心法则，而且在实际应用上，使RNA 在试管内反转录成cDNA 成为可能。病毒基因结构和表达的研究，还阐明了有关真核基因表达调控的某些原理，如基因重叠、间隙、内含子的发现，转录后剪修，重复序列和增强子的存在等，都大大丰富了分子生物学的内容。病毒载体的出现，又为研究真核细胞基因表达提供了一个重要的手段。目前，分子病毒学还处于发展阶段。

二、病毒基因工程的主要内容和重要性

根据目前DNA 重组技术的发展及分子病毒学研究的现状和发展趋势，病毒基因工程包括如下主要内容。

（一）病毒基因组的克隆、结构测定和表达

要研究病毒基因组的结构与功能的关系，一般须先建立病毒基因组的无性繁殖系，这样才能获得足够量的病毒DNA 。后者可采用细菌质粒、粘性质粒或λ噬菌体作为载体，转化大肠杆菌来完成。大的DNA 病毒基因组可用限制性内切酶切割成几个片段进行克隆；RNA 病毒可先在试管内反转录成cDNA 再进行克隆；反转录病毒基因组可克隆其前病毒DNA 。建立了病毒基因组的无性繁殖系后，就可以采用化学法（Maxam et al 1977 ）或酶促法（Sanger et al 1977 ；Messing et al 1981 ）测定病毒基因组的核苷酸序列，以了解基因的一级结构；结合在试管内进行的转录和转译试验，或基因缺失变异株的互补试验等，就可逐步阐明其结构和功能之间的关系，并了解基因表达调控的某些原理。在此基础上，就可以设计组建病毒载体或表达病毒多肽。。

（二）病毒基因工程疫苗的研制

对产生中和抗体的病毒多肽基因高效表达的研究，导致了新一代病毒疫苗的诞生。鉴于动物病毒的自然宿主是动物细胞，所以动物病毒基因表达的模式与其他真核基因是类似的。众所周知，真核基因与原核基因的表达调节，在许多方面是不相同的（表1 －2 ），其中最主要的是真核基因的不连续性，以及其调控信号不能为原核细胞正确识别。所以病毒基因在一般情况下，最好采用真核细胞系统来表达。也就是说，病毒基因工程疫苗要采用真核细胞系统来完成。可是，如果病毒基因先在试管内从mRNA 反转录成cDNA ，利用原核细胞的启动子，也可以在原核细胞中进行表达。目前，用于制备病毒基因工程疫苗的表达系统的种类和优缺点详见表1 －3 。

病毒基因工程疫苗虽然还存在一些问题，但是与采用经典方法生产的病毒疫苗相比较，仍有许多明显的优点：

1 ．生产成本可以大幅度降低；

2. 可以生产目前尚无敏感细胞的病毒疫苗，例如乙型肝炎病毒表面抗原疫苗；

3 ．如采用重组病毒系统，例如痘苗病毒，易于制备同一载体的多价病毒疫苗；

4 ．可以完全去除病毒基因中具有潜在危害性的部分，例如某些病毒的致癌基因；

5 ．可以制备单一成分病毒疫苗，也可以制备同一病毒的多个成分的病毒疫苗。

（三）抗病毒多肽物质的研制

如表1 －4 所示，自1979 年底以来，不少人和动物的干扰素基因已经克隆成功。人

干扰素基因在原核细胞中已可高效表达，每升大肠杆菌菌液可以生产lmg 干扰素，相当于2 ～3 ×10 8 国际单位干扰素。采用DNA 重组技术生产的干扰素具有与自然干扰素相同的生物学活性，目前已经试用于临床。采用基因工程技术还可以把几个不同型别的干扰素基因拼接起来，生产具有不同性格的自然界所没有的活性多肽物质，例如把αD －αA 基因拼接后产生的干扰素，既具有具αD 的某些性状，又具有αA 的一些性状。所以DNA 重组技术为生产人造抗病毒多肽物质开辟了一条新途径。

（四）动物病毒载体的组建

原核细胞系统的DNA 重组技术，对真核基因，包括动物病毒基因的克隆、鉴定，无疑是十分必要的，因为真核基因工程的起始步骤，多先在原核细胞内完成。但是，正如表1 －2 所示，真核基因与原核基因的结构与表达调节有很大的差别，要进行病毒基因或其他直接基因的表达调节研究，就必须建立一种真核基因工程系统。考虑到λ噬菌体载体（一种细菌的病毒）在大肠杆菌克隆系统中表现出很多优点，许多学者也就对采用动物病毒作为真核细胞克隆和表达的载体，寄予很大的希望。可是，动物病毒与噬菌体各有许多不同的特点，在使用或改组动物病毒作为载体时，应当注意下列问题：

1 ．作为载体的多数病毒基因的非必需区比较短。在设计λ噬菌体载体时，最简单的途径就是先确定一个对溶细胞性生长不必要的基因片段，然后在这一非必需区替代外源性 DNA ；在设计动物病毒载体时，外源性 DNA 往往代替了病毒基因的必需区。因此，重组病毒是绝对缺损性的，必须在辅助病毒存在的条件下才能繁殖，或者在染色体中已整合有辅助病毒基因的细胞中才能生长。再者，能够作为感染性病毒繁殖的重组 DNA 分子大小，还要受到病毒颗粒包装容量的限制，目前还没有动物病毒的试管内包装系统。

但是，痘苗病毒基因组比较大，有较大的非必需区，作为病毒载体是很有前途的。

2. 动物病毒作为载体，首先要求对该病毒的转录机制有清楚的了解。因为在大多数情况下，真核基因克隆的目的是要使插入基因能够高效表达；而在λ或 M13 噬菌体的大多数工作中，基因克隆的目的大都是为了使外源性 DNA 进行扩增或者进行序列分析。

3 ．在病毒载体中，目前还没有有效的可以控制病毒基因转录的具体方法。而在λ噬菌体的克隆实验中，可以采用λ cIts857 的溶原性细菌或带有 cIts857 的质粒来控制 P L 启动子。采用这样的系统，就可以表达许多对细菌本身有毒性的多肽。

4 ．在动物病毒载体中，要考虑基因表达增强子的作用。而在λ噬菌体，目前尚未见报道。

动物病毒载体的组建有两种类型：第一是组建含有目的基因的感染性重组病毒，随着病毒的繁殖，使目的基因有效表达。采用这一系统时，除反转录病毒外，大多数感染性病毒可以杀死细胞。第二是建立一种能使病毒载体复制的游离基因，其优点是，可以用来建立不产生感染性病毒颗粒就可以不断表达外源性基因的细胞系，而且还可以克服病毒颗粒包装容量的限制。根据不同目的和要求，这两类动物病毒载体各有其用处。

动物病毒载体的用途有如下几方面：

1 ．研究真核基因表达调控原理；

2 ．高效表达真核基因，用于研制病毒疫苗或生产多种活性多肽物质；

3 ．利用病毒基因组中的基因表达增强子；

4 ．人类遗传病的基因治疗。

三、病毒基因工程的主要环节

（一）供体DNA 或外源性DNA

它可以通过提取、人工合成或从mRNA 反转录获得。由于大多数真核基因和病毒基因有插入顺序，所以从mRNA 反转录合成的cDNA 往往不能完全代表真核基因的真正结构。

（二）载体

载体也就是转移外源性DNA 片段的运载体，常用的有细菌质粒、粘性质粒、酵母质粒、噬菌体或动物病毒。根据不同的目的和要求选用不同的载体系统，也可不用载体把外源性DNA 直接转移到受体细胞中去。

（三）受体细胞

受体细胞就是指作为DNA 重组体增殖或复制的宿主细胞。如果采用细菌时，要考虑到安全性。目前认为，大肠杆菌K12 品系是安全的。如采用动物细胞来生产疫苗或其他活性多肽时，要考虑到潜在的致癌因子。

（四）重组体的改造与基因表达

外源性DNA 与载体DNA 的连接，以及重组体的改造大致有如下几种方法：

1 ． T 4 DNA 连接酶进行粘端连接；

2 ． T 4 DNA 连接酶进行平端连接；

3 ．使粘端修饰成平端，或用 Bal 3l 修饰后，再进行平端连接；

4. 用末端转移酶在 3 ′端加上 dA － dT ，或 dC － dG 后进行接连；

5 ．加上人工合成的接头，造成一定的内切酶粘性末端；

6 ．人工合成一个 DNA 片段，含有一定的酶切点以及所需要的序列。

基因表达考虑的因素较多。总结病毒基因工程的主要环节如表1-5 。