《病毒载体》PPT课件.ppt
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1、1,病毒载体,万海英,2,复杂的遗传背景、环境因素和社会因素使得人类遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管性疾病、糖尿病等疾病的发病率和死亡率日益上升,治疗这类疾病对于医学界是巨大的挑战。基因结构及基因表达调控异常是上述疾病发生发展的重要原因,通过DNA重组技术纠正这些异常无疑将为这些疾病的治疗策略带来革命性的变化。基因治疗是这些策略中最直接、最富于挑战性,也可能是最有前景的尝试。,3,基因治疗(gene therapy)是指改变人遗传物质为基础的生物医学治疗,即通过一定方式将人正常的或野生型的基因或有治疗作用的核酸片段导入人体靶细胞以矫正或置换疾病基因的治疗方法。,4,将治疗性基因转入真核细胞内是基
2、因治疗的前提。由于DNA是超螺旋或开环结构,空间结构太大而不能主动进入细胞,因此必须借助一定的方法将其导入细胞中。通常把基因治疗中将基因导入细胞内的运载工具称作基因转移系统或“载体”(vector),目前所用的基因转移方法可分为非病毒方法和病毒方法两大类,各有优缺点,关键问题是提高转移效率。,5,非病毒方法包括脂质体法、磷酸钙法、电穿孔法、微离子轰击法、直接注射法等物理化学方法。但非病毒基因转移方法的效率较低,在很多情况下不能满足治疗需要。因此,科学家希望找一种合适的载体。,6,理想的基因治疗的载体具有的特点:可以有效的进入靶细胞具有可插入治疗基因的较大空间和筛选标志具有控制治疗基因表达的顺式
3、作用元件。由于病毒具有靶细胞定向感染和宿主细胞寄生性两大特征,很适宜于改造成基因转移的载体,因此病毒载体得到广泛使用。据统计基因治疗临床试验中70%采用了病毒作为基因转移的载体。,7,病毒载体,病毒载体发展简史病毒载体的基本特征病毒载体,8,病毒载体发展简史,1968年 Rogers和Pfunderer在研究烟草花叶病毒时,将一段poly(A)n序列加到了烟草花叶病毒基因组 RNA的尾端,然后将病毒注射到植物叶片中,结果在分析该植物的成分时发现多聚赖氨酸的表达水平明显增高了。生化中学习过核苷酸密码子,AAA编码赖氨酸 AAA lysine,9,1972年Berg等在一系列的研究中发展了第一种建
4、立在SV40基础上的重组病毒载体,并将噬菌体部分DNA片段和大肠杆菌半乳糖操纵子连接到 SV40 DNA中。1976年,带有噬菌体DNA的重组SV40载体在猴肾细胞中得到繁殖。,10,1976年Hamer等人组建了类似的携带大肠杆菌抑制基因的 SV40病毒。后来,研究者用反转录酶和DNA聚合酶在体内合成了兔珠蛋白全长cDNA,用它取代SV40病毒的主要外壳蛋白VP1的基因位置,形成的重组质粒在被注射的细胞中表达了兔-珠蛋白。,11,DNA病毒和RNA病毒都可以作为基因治疗的载体。病毒基因组的编码区基因主要为其衣壳蛋白、酶和调控蛋白编码基因,而非编码区中则含有病毒进行复制和包装等功能所必需的顺式
5、作用元件。病毒基因组必须经过切除改造,无致病作用后才可作为基因治疗载体使用。改造的方法是切除病毒复制必须的基因和致癌基因,或将其复制必须的基因置于特异调控序列的操纵之下。,12,在病毒生产时,原有必需基因的功能改由辅助病毒或包装细胞提供。由于野生型病毒插入外源基因的大小不能超过自身基因组大小的105-110%,因此切除改造的目的除确保病毒载体的安全性外,同时也获得了插入外源基因的空间。经过改造的病毒,保留了感染性,去除了致病性,成为介导治疗性基因进入细胞的良好载体。,13,目前用做基因转移载体的RNA病毒均属于逆转录病毒科,包括反转录病毒、慢病毒和泡沫病毒。用做基因转移载体的DNA病毒则包括腺
6、病毒、腺相关病毒、单纯疱疹病毒,以及痘苗病毒、禽痘病毒、埃巴病毒等。,14,病毒载体的基本特征,病毒载体用于基因治疗有以下优点:转移效率较高在转化的细胞中将外源基因整合到染色体上或作为染色体外的遗传物质进行表达,两种途径可供选择有可能将外源治疗基因置于病毒调节信号的控制下进行表达能够将外源基因作为病毒微染色体的一部分,并能进行分离,15,病毒载体作为基因治疗的工具存在的问题:尽管病毒载体介导的基因转移在临床上已经取得了一定得疗效,但是它还存在着一些亟待克服的缺陷。宿主谱窄基因导入效率低外源基因表达不够长期稳定表达缺乏有效调控感染的靶向问题以及对机体的毒性问题等等。,16,如何解决上述问题呢?在
7、充分认识病毒生物学特性、基因组结构及其基因表达调控规律的基础上,对现有病毒载体进行重组改造,以提高基因转移、表达的效率和靶向性,已成为基因治疗研究能否获得突破性进展的关键。,17,病毒载体,DNA病毒载体 腺病毒载体 腺相关病毒载体 单纯疱疹病毒载体RNA病毒载体 逆转录病毒载体 慢病毒载体,18,腺病毒最早发现于1953年,是一种无包膜的DNA病毒,可引起上呼吸道和眼部上皮细胞的感染。人的腺病毒共包含50多个血清型,并根据其凝血特性分为A-F五个亚类。C亚类的2型和5型人腺病毒在人体内基本不致病,因此适合作为基因治疗的载体。,腺病毒载体,19,腺病毒的生物学特点,可以引起人类呼吸道、眼睑的急
8、性感染。可以引起人类扁桃体、腺样体和其他淋巴组织的潜伏感染。可以引起小鼠非允许细胞的转化,某些亚型可以导致新生地鼠的致癌作用。易于培养和纯化;它的基因表达和控制系统与宿主细胞的基因表达和控制系统相似;因此可以作为真核基因表达控制系统研究的模型。,20,人腺病毒基因组为长约36kb的双链线状DNA分子,两端各有一个100-160bp的反向末端重复序列(inverted terminal repeats,ITR),ITR的内侧为包装信号,是病毒包装所需要的顺式作用元件。基因组包含早期表达的与腺病毒复制相关的E1-E4基因和晚期表达的与腺病毒颗粒组装相关的L1-L5基因。,21,编码基因区域:E1:
9、E1A、E1B 早期蛋白 E2:E2A、E2B E3:E4:晚期蛋白 L1、L2、L3、L4、L5 非编码基因区域:反向末端重复序列(ITR,100-160bp)包装信号(5末端194-385bp)病毒基本结构(最小病毒载体基本结构),22,基因组中,E1、E2、E4编码病毒DNA复制所必需的调节蛋白。E1区基因表达产物可以进一步分为E1A和E1B。E1A是腺病毒感染细胞后表达的第一个基因,主要功能是调节细胞代谢,使细胞对病毒复制更易感;E1B19Kd与细胞Bcl-2基因的表达产物同源,可以通过灭活和清除Bax家族成员来防止细胞发生凋亡或坏死,营造有利于腺病毒复制的细胞内环境。E1基因可以激活
10、E2基因,使其表达。,23,E2区基因表达产物可分为E2A和E2B。其中,E2A即DNA结合蛋白(DBP,DNA Binding Protein);E2B主要产物有两种,分别是末端蛋白前体(pTP)和病毒DNA聚合酶(pol)。三种蛋白与至少三种细胞内的因子相互作用,启动腺病毒DNA复制以及病毒晚期基因的转录和翻译过程。,24,E3区基因表达产物主要功能是破坏宿主的免疫防御机制,而与病毒基因组的复制无关。E3基因的产物之一11.6Kd蛋白,由于可以在病毒感染的晚期裂解细胞并释放病毒颗粒而被称为腺病毒死亡蛋白(ADP,adenovirus death protein)。gp 19Kd蛋白可以在内
11、质网上与MHC I类分子的重链结合阻止其转运到细胞表面,并且可以延缓MHC I的表达。14.7Kd蛋白可以抑制由TNF诱发的细胞凋亡,促进Fas降解,下调TNF受体水平。,25,E4区基因表达产物通常被称为orf 16/7,主要与病毒信使RNA的代谢有关。还有促进病毒DNA复制以及关闭宿主蛋白合成的功能。研究发现,一些E4产物可以与DNA激活的蛋白激酶结合,防止病毒DNA发生串联。由于该激酶可以激活p53基因,因此可以认为一些E4区基因产物可以抑制细胞凋亡。许多E1B和E4基因产物都与拮抗E1A蛋白功能有关。比如,E4 orf4抑制E1A对E2F启动子的激活;E4 orf3VA RNA是一些由
12、腺病毒转录的非翻译RNA,与腺病毒抵抗宿主细胞免疫有关。,26,腺病毒载体的构建和改造主要围绕E1-E4基因展开的,突变或缺失其中的一个、几个或全部,或对其调控序列进行特异替换。,27,第一代重组腺病毒载体,在第一代重组腺病毒载体中,E1和/或E3 基因盒子被去除,可以容许导入6.5 kb 的外源基因DNA,并且由异源性的启动子控制其表达。在 E1盒子缺失的情况下,要特别仔细防止ITR和包装信号序列被去除。其缺失的功能由包装细胞来完成。腺病毒的包装细胞包括 293,911,N52.E6 and PER.C6 等。,28,第一代腺病毒载体感染宿主细胞的过程,29,第一代腺病毒载体的优点,1.基因
13、转移效率高,广泛的宿主范围,既可以是分裂期细胞,也可以感染非分裂期细胞 2.产生很高的病毒滴度,1011-1012pfu/ml,并易于制备和操作。(PFU:plaque forming unit,空斑形成单位。感染性滴度的单位一般表示为PFU/ml。)3.可以携带的外源基因的容量是:6.5kb 4.外源基因独立于染色体之外表达,不发生整合,因此不会发生插入突变。,30,存在的问题,腺病毒的免疫原性较强,体内应用容易引起炎症反应和系统毒性。2.腺病毒载体携带的外源基因只能在靶细胞中瞬时表达,不能作为治疗剂长期发挥作用3.缺失E1B 基因产物导致有效地抗凋亡机制的丧失。在E3产物缺失时产生与E1B
14、 基因产物类似的效果。,31,4.可以产生有复制能力的腺病毒(replication-competent adenovirus,RCA)一个原因是细胞中存在E1样蛋白,可以模拟E1蛋白的部分功能,激活E2基因的转录,导致有复制能力的腺病毒产生。另一个原因是在很高的病毒滴度时,E2基因转录对E1基因的依赖性被削弱,导致E2基因的转录,有复制能力的腺病毒产生。,32,第二代腺病毒载体,为了克服第一代载体的缺点,对腺病毒进行进一步的改造。将E2基因和/或E4基因的部分或者全部去除,因此,病毒DNA复制的能力消失,有复制能力的病毒产生机率降低。有复制能力的病毒的产生也可以通过构建不含腺病毒载体重叠序列
15、的细胞系做为病毒复制的辅助细胞的方式阻止其产生。,33,优点与存在的问题,外源基因的容量增加了:14kb外源基因的表达时间比第一代病毒载体有所延长,但仍然不能长期持续表达。宿主的免疫反应仍然是影响外源基因持久表达的主要障碍,特别是在发生重复感染的时候这种作用尤其明显。,34,第三代重组腺病毒载体,第三代腺病毒载体的构建是将病毒的其他基因全部或接近全部删除。这就是所谓的“空肠病毒”载体,它仅保留了ITR和包装信号序列,因此需要辅助病毒和适当的包装细胞用于病毒的繁殖,病毒的获得需要仔细的纯化。,35,而且,这些新技术也带来新的问题,主要是由辅助病毒污染及载体的不稳定性所引起。构建载体的一个因素是需
16、要维持载体的正常大小才能完成有效地DNA的包装。这个问题可以通过“填充”DNA来完成,尽管这些填充DNA片段的性能可以影响转基因的表达。已经明确E4基因的部分保留有利于宿主细胞战胜T细胞免疫反应从而有利于病毒生存,因此改造载体时可以保留部分E4基因。,36,为了解决辅助病毒造成的污染问题,最近的改造载体系统引入了Cre-loxP 辅助依赖系统,该系统可以在特定时段将辅助病毒基因去除,从而避免包装时产生辅助病毒的基因污染问题。辅助病毒污染问题解决了,但是也存在着一定的细胞毒性问题。,37,为了解决病毒载体的细胞毒性问题引入了腺病毒载体的ITR区与其他病毒相杂交的策略,从而有利于转基因的表达。使用
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