昆虫杆状病毒载体研究
- 格式:ppt
- 大小:1.66 MB
- 文档页数:30
昆虫杆状病毒表达载体系统的应用与展望作者:宋姗姗来源:《中国科技纵横》2017年第22期摘要:昆虫杆状病毒表达载体系统具有生物安全性高、能容纳较大外源基因片段并实现多基因共表达、有完备的翻译后加工修饰系统等特点,因而得到广泛的应用。
近年来,随着重组杆状病毒构建技术、昆虫细胞培养技术的不断发展和改进,加大了昆虫杆状病毒表达载体系统在疫苗制备、治疗性抗体、药物研发和基因治疗中的应用力度。
本文综述了杆状病毒表达载体的研究现状和应用范围,讨论了目前杆状病毒表达载体重组蛋白易降解的问题。
随着科技的进步,对杆状病毒载体的研究与优化会更加深入,昆虫杆状病毒表达载体系统的应用研究尤为重要。
关键词:杆状病毒;疫苗;治疗性抗体;基因治疗中图分类号:Q789 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)22-0209-01昆虫杆状病毒表达载体系统(Baculovirus expression vector system,BEVS)是当今基因工程四大表达系统之一,具有生物安全性高、能容纳较大外源基因片段、可实现多基因共表达、具有完备的翻译后加工修饰系统、无内毒素污染等优点[1-3]。
同时,由于宿主细胞系的建立和优化、细胞培养基成分的不断改进,使得细胞生存率达到95%,基本可实现大规模培养[1]。
因此,昆虫杆状病毒表达系统越来越广泛的应用于疫苗制备、药物研发、农林牧渔等领域。
1 昆虫杆状病毒表达载体系统的研究进展Kitts等在1990年提出了线性技术,并设计了重组-救活方法,提高了杆状病毒基因组同源重组能力,将其设计的BacPAK6的重组效率提到80%以上,有较强的应用价值[4]。
但由于DNA酶切消化效率影响,重组病毒的获得仍需通过噬斑纯化过程。
Bac-to-Bac技术的出现避免了噬斑纯化步骤,缩短了重组杆状病毒的周期,同时,此方法在大肠杆菌中进行,非常便捷,不需要空斑纯化,较为节省时间。
但由于鳞翅目昆虫细胞系缺乏功能性糖基转移酶和唾液酸生物合成与利用途径,其产生的糖基化修饰缺乏末端唾液酸化,影响糖蛋白的整体性质,因此研究人员设计出转基因昆虫细胞系,使昆虫细胞对重组蛋白的糖基化修饰更加接近哺乳动物细胞,更利于昆虫杆状病毒表达载体系统的研究。
昆虫杆状病毒表达系统研究进展昆虫杆状病毒表达系统研究进展摘要:昆虫杆状病毒表达载体系统具有安全性好、重组蛋白表达量高、能同时表达多个基因、重组蛋白翻译后加工完整等特点,因而得到了广泛的应用。
随着重组杆状病毒构建技术的不断发展,昆虫杆状病毒表达载体系统的操作在逐渐简化,重组杆状病毒获得的效率也在不断提高。
昆虫细胞培养技术的改进和转基因昆虫细胞系的发展,进一步推动了昆虫杆状病毒表达载体系统在商品化药物、治疗性抗体、生物农药研发和基因治疗中的应用。
尽管仍存在着重组蛋白降解的问题,但随着分子生物学技术的发展,对杆状病毒载体的研究与改造也会更加深入,未来昆虫杆状病毒表达载体系统的应用将更为广泛。
关键词:杆状病毒;多角体启动子;转基因昆虫细胞系;疫苗;治疗性抗体。
前言作为当今基因工程四大表达系统之一,昆虫细胞杆状病毒表达载体系统(Insect cell baculovirus ex. pression vector system,IC-BEVS)的应用变得越来越广泛。
它不仅具有真核表达系统所具有的传统优势,同时兼具原核表达系统重组蛋白表达量高的特点,且能同时在一个载体上表达多种蛋白。
由于昆虫细胞易于悬浮培养,细胞培养基的改进也使得悬浮培养的细胞活率不断提高,最终得以实现昆虫细胞的大规模培养,这使得其在商业领域如生物医药、农业、疫苗研发等方面均获得了广泛的应用[1]。
1 杆状病毒的分类与分子生物学杆状病毒属于杆状病毒科(Baculoviridae),分为核多角体病毒属和颗粒体病毒属,病毒粒子呈杆状,是一类专一性感染节肢动物并具有囊膜的DNA病毒。
基因组DNA以超螺旋形式压缩包装在杆状衣壳内,大小在90~180 kb之间。
杆状病毒基因组可在昆虫细胞核复制和转录,DNA复制后组装在杆状病毒的核衣壳内,因其具有较大的柔韧性,可容纳较大片段的外源DNA插入而成为表达大片段DNA的理想载体。
其中,目前用作外源基因表达载体的杆状病毒主要为核型多角体病毒(Nuclear polyhedrosis virus,NPV)。
河南农业科学ꎬ2018ꎬ47(9):1 ̄7JournalofHenanAgriculturalSciencesdoi:10.15933/j.cnki.1004 ̄3268.2018.09.001收稿日期:2018-03-29基金项目:国家自然科学基金项目(31570151ꎬ31272094)ꎻ河南省高校科技创新人才支持计划项目(17HASTIT039)ꎻ河南省高等学校重点科研项目(15A210039)作者简介:梁振普(1976-)ꎬ男ꎬ河南濮阳人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ主要从事病毒分子生物学研究ꎮE-mail:lzpbio@126.com∗通讯作者:张小霞(1973-)ꎬ女ꎬ河南济源人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事病毒分子生物学研究ꎮE-mail:lzpzxx@126.com昆虫杆状病毒基因组学研究进展梁振普ꎬ刘雅静ꎬ张小霞∗ꎬ李鹏娟ꎬ王㊀亮ꎬ张俊庆(河南农业大学生命科学学院ꎬ河南郑州450002)摘要:杆状病毒(Baculoviruses)是一类在自然界中专一性感染节肢动物的共价闭合双链环状DNA病原微生物ꎮ由于杆状病毒的宿主特异性高ꎬ其作为无公害生物杀虫剂在生物防治方面发挥重大作用ꎮ此外ꎬ杆状病毒已被开发成为高效的真核表达载体ꎬ广泛应用于药物研发㊁疫苗生产等领域ꎬ并作为基因治疗载体用于疾病的基因治疗ꎮ综述了获得全基因组序列的昆虫杆状病毒类别及其序列特征ꎬ以及昆虫杆状病毒基因组中的主要功能基因ꎬ包括RNA转录相关基因㊁DNA复制相关基因㊁结构蛋白基因等ꎬ也对其应用做了较为详尽的阐述ꎮ关键词:昆虫杆状病毒ꎻ基因组学ꎻ功能基因ꎻ应用中图分类号:S476.13㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1004-3268(2018)09-0001-07AdvancesinGenomicsResearchofInsectBaculovirusLIANGZhenpuꎬLIUYajingꎬZHANGXiaoxia∗ꎬLIPengjuanꎬWANGLiangꎬZHANGJunqing(CollegeofLifeSciencesꎬHenanAgriculturalUniversityꎬZhengzhou450002ꎬChina)Abstract:BaculovirusisakindofcovalentlycloseddoublestrandedcircularDNAinsectvirus.Becauseofthehostspecificityofbaculovirusꎬitplaysamajorroleinbiologicalcontrolasapollution ̄freebiologicalinsecticide.Inadditionꎬbaculovirushasbeendevelopedasanefficienteukaryoticexpressionvectorandiswidelyusedindrugdevelopmentꎬvaccineproductionandsoonꎬmeanwhileusedingenetherapyofdis ̄easeasagenetherapyvector.Thispaperreviewsrecentresearchprogressonthegenomicsofinsectbacu ̄lovirusꎬincludingitssequencecharacteristicsandmainfunctionalgenessuchastranscriptionrelatedgenesꎬDNAreplicationrelatedgenesꎬandstructurerelatedgenesꎬandalsogivesadetaileddescriptionofitsapplication.Keywords:BaculovirusꎻGenomicsꎻFunctionalgenesꎻApplication㊀㊀杆状病毒属于杆状病毒科(Baculoviridae)ꎬ是一类寄生于节肢动物(Arthropoda)的专一性病原微生物ꎬ其宿主主要是鳞翅目(Lepidoptera)㊁膜翅目(Hymenoptera)和双翅目(Diptera)的昆虫ꎮ已经完成测序的基因组大小为80~180kb不等ꎬ编码89~181个开放阅读框(ORF)[1]ꎬ被包裹在长度为230~385nm㊁直径为40~60nm的杆状核衣壳中[2 ̄3]ꎮ目前已从800多种昆虫中分离鉴定出600多种杆状病毒[4]ꎮ杆状病毒在其复杂的复制周期中产生2种不同类型的病毒粒子:出芽型病毒(BuddedvirusꎬBV)和包涵体型病毒(Occlusion ̄derivedvirusꎬODV)[5]ꎮ2种病毒粒子在病毒感染过程中的作用存在明显差异ꎬBV是杆状病毒在昆虫体内传播或在培养细胞中传播所必需的ꎬ而ODV在杆状病毒经口感染宿主过程中发挥重要作用[6]ꎮ杆状病毒可根据包涵体的形态特征分为2类:多角体病毒(Nucleopolyhedro ̄virusꎬNPV)和颗粒体病毒(GranulovirusꎬGV)[7]ꎮNPV和GV形态存在明显差异ꎬNPV包涵体包埋多个病毒粒子ꎬ呈不规则多角体形状ꎬ而GV仅仅包埋1个病毒粒子ꎬ呈圆形或卵圆形ꎮ其中ꎬNPV根据病河南农业科学第47卷毒粒子囊膜内核衣壳的数目又划分为单粒包埋型核型多角体病毒(SNPV)和多粒包埋型核型多角体病毒(MNPV)ꎮ感染鳞翅目昆虫的NPV又根据BV中是否含有GP64蛋白分为2类:GroupⅠ和GroupⅡ[8]ꎮGroupⅠ的NPV利用GP64作为BV的融合蛋白ꎬ而GroupⅡ的NPV由于缺少gp64基因ꎬ由F蛋白代替作为BV的融合蛋白ꎮ2006年Jehle等[9]基于基因组特征将杆状病毒分为4个属:α杆状病毒属(Alphabaculovirusꎬ感染鳞翅目昆虫的NPV)㊁β杆状病毒属(Betabaculovirusꎬ感染鳞翅目昆虫的GV)㊁γ杆状病毒属(Gammabaculovirusꎬ感染膜翅目昆虫的NPV)㊁δ杆状病毒属(Deltabaculovirusꎬ感染双翅目昆虫的NPV)ꎮ杆状病毒杀虫剂与传统农药相比ꎬ有着宿主专一性强㊁环境兼容性好㊁对人畜无害㊁同时在环境中存活时间长等优势ꎬ是未来农药理想的发展方向[10]ꎮ除了在生物农药中的应用ꎬ昆虫杆状病毒表达系统已经被广泛应用于外源基因的表达ꎬ相对于原核表达系统和真核表达系统具有产物后加工好㊁成本低廉等优点ꎬ因而广泛应用于商业领域如生物医药㊁疫苗研发等方面ꎮ杆状病毒除了以上2个方面的应用ꎬ还可以应用于哺乳动物基因转移载体㊁表面展示系统以及病毒样颗粒疫苗制备ꎮ鉴于此ꎬ综述了杆状病毒基因组学研究进展ꎬ以促进对杆状病毒结构和功能的了解ꎬ为更好地开发和利用杆状病毒提供借鉴ꎮ1㊀杆状病毒基因组1.1㊀基因组特征自从1994年Ayres等[11]报道苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒(Autographacalifornicamultiplenucle ̄opolyhedrovirusꎬAcMNPV)C6株的全基因组序列以来ꎬ随着分子生物学技术手段的飞速发展ꎬ已有73种杆状病毒全基因组被测定ꎬ包括45种α杆状病毒㊁22种β杆状病毒㊁1种δ杆状病毒㊁3种γ杆状病毒和2种未分类病毒(表1)ꎮ通过对不同杆状病毒基因组比较发现ꎬ其基因组大小介于80~180kbꎬG+C含量在29%~58%ꎬ全长大于50个氨基酸的ORF有89~181个ꎮ这些ORF几乎均匀地分布在基因组DNA的2条链上ꎬ转录方向没有偏好性ꎬ基因之间的基因间序列非常短ꎬ甚至基因之间有重叠ꎮ非编码区占10%左右ꎬ主要由基因启动子序列㊁基因上游或下游非编码区和同源重复区(Homologousregionsꎬhrs)组成ꎮ表1㊀GenBank数据库中已注册的杆状病毒基因组信息病毒属病毒GenBank登录号大小/bpORF数量/个G+C含量/%年份AlphabaculovirusAdhoNPVNC_00469011322012535.62003AdorNPVNC_01142311172412135.02008AgipNPVNC_01134515512216348.62008AgseNPV-ANC_00792114754415345.72006AgseNPV-BNC_02596014898115045.62014AnpeNPVNC_00803512662914753.42006AgMNPV-37NC_03176113185515644.52016AgMNPV-2DNC_00852013223915844.52015ApciNPVNC_01850412387611733.42012AcMNPVNC_00162313389415440.71994BmNPVNC_00196212841313640.41996BusuNPVNC_02344212042012736.82014CapoNPVNC_03024012805813039.72016ChfuDEFMNPVNC_00513713116014945.82003ChfuMNPVNC_00477812959314650.12003ChmuNPVNC_02317712468814850.02014ChroNPVNC_02192412905214948.62013ChchNPVNC_00715114962215139.12005ClbiNPVNC_00829313545413937.72006CoveMNPVNC_02643012576713842.92015EcobNPVNC_00858613120412637.62006EppoNPVNC_00308311858413640.72001EupsNPVNC_01263914129113940.42009HearNPVNC_00309413075913738.92001HespNPVNC_02192314063313738.12013HycuNPVNC_00776713295914845.120062㊀第9期梁振普等:昆虫杆状病毒基因组学研究进展续表1㊀GenBank数据库中已注册的杆状病毒基因组信息病毒属病毒GenBank登录号大小/bpORF数量/个G+C含量/%年份LafiNPVNC_02692215798913543.72015LeseNPVNC_00834816804114948.62006LydiMNPVNC_00197316104616357.51998LyxyMNPVNC_01395315634415753.42010MbMNPVNC_02368115271015939.92014MacoNPV-ANC_00352915506016941.71997MacoNPV-BNC_00411715848216840.02002MaviMNPVNC_00872511195312638.62006OrleNPVNC_01027615617913539.92008OrpsMNPVNC_00187513199515255.11997PespNPVNC_02462515111013853.32014PsinSNPVNC_02626813913214139.32015SpexMNPVNC_00216913561113943.71999SpfrMNPVNC_00901113133014340.22007SpliNPVNC_00310213934214142.72001SpliNPV-ⅡNC_01161614863414745.02008SujuNPVNC_02863613595213138.72015ThorNPVNC_01994513297814537.92013TrniSNPVNC_00738313439414539.02005BetabaculovirusAdorGVNC_0050389965711934.52003AgseGVNC_00583913168013237.22004ChocGVNC_00816810471011632.72006ClanGVNC_01539810148712344.42011CaLGVNC_02264610181812246.72013CnmeGVNC_02930411124611835.22016CrleGVNC_00506811090712932.42003CypoGVNC_00281612350014343.22001DisaGVNC_0284919839212529.72015EpapGVNC_01887511908213241.52012ErelGVNC_02525710275913038.72014HearGVNC_01024016979417940.82008MospGVNC_02999613427214438.32016MyunGVNC_03378014451015349.92017PhopGVNC_00406211921713035.72002PiraGVNC_01379710859212033.22010PlinGVNC_03225511253612344.22016PlxyGVNC_00259310099912040.72000PsunGVNC_01377217667718339.82010SpfrGVNC_02651114091314646.22015SpliGVNC_00950312412113638.82007XecnGVNC_00233117873318140.72000DeltabaculovirusCuniNPVNC_00308410825210950.92001GammabaculovirusNeabNPVNC_008252842649333.52006NeleNPVNC_005906817559333.32004NeseNPVNC_005905864629033.72004UnclassifiedPeluSNPVNC_02792313283114539.62015BaculoviridaeUrprNPVNC_02999710566712434.82016㊀注:所有数据均来自https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/GenomesGroup.cgi?taxid=10442ꎮ1.2㊀核心基因尽管不同种杆状病毒基因组存在基因组成的多样性ꎬ但研究发现ꎬ有1套相对保守的基因存在于目前已测序的杆状病毒基因组中ꎮ2012年Garavaglia等[12]研究发现37个杆状病毒核心基因ꎮ2017年Javed等[13]报道了第38个核心基因pif7(ac110)ꎮ目前ꎬ杆状病毒的核心基因数目为38个ꎬ具体分类和名称见表2ꎮ按照核心基因的功能可以分为五大类:复制ꎬ转录ꎬ包装㊁装配和释放ꎬ口服感染ꎬ与宿主细胞相互作用ꎮ在核心基因编码产物中ꎬ大约1/2是参与衣壳和ODV囊膜组成以及感染幼虫所必须3河南农业科学第47卷的蛋白质ꎮ其他大部分参与DNA的复制或加工ꎬ或者与晚期或极晚期转录有关ꎮ这些核心基因因其重要性在长期进化中得以保留ꎬ并成为杆状病毒的重要标志[14]ꎮ随着研究的深入也许会发现更多的核心基因ꎬ因为病毒许多共有的基因在进化过程中发生了突变而没有被分析出来ꎮ表2㊀杆状病毒核心基因及分类基因功能㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀核心基因复制lef-2(Ac6)㊁lef-1(Ac14)㊁dna-pol(Ac65)㊁heli ̄case(Ac95)转录p47(Ac40)㊁lef-8(Ac50)㊁lef-9(Ac62)㊁lef-4(Ac90)㊁lef-5(Ac99)口服感染pif-0/P74(Ac138)㊁pif-1(Ac119)㊁pif-2(Ac22)㊁pif-3(Ac115)㊁pif-4(Ac96)㊁pif-5(Ac148)㊁pif-6(Ac68)㊁pif7(ac110)包装㊁装配和释放Ac53㊁vp1054(Ac54)㊁Ac66㊁vlf-1(Ac77)㊁Ac78㊁gp41(Ac80)㊁vp91/p95(Ac83)㊁vp39(Ac89)㊁p33(Ac92)㊁Ac93㊁p25(Ac94)㊁38k(Ac98)㊁p6.9(Ac100)㊁bv/odv-c42(Ac101)㊁p45(Ac103)㊁odv-ec43(Ac109)㊁alk-exo(Ac133)㊁p49(Ac142)㊁odv-e18(Ac143)与宿主相互作用Ac81㊁odv-ev27(Ac144)2㊀杆状病毒功能基因组学2.1㊀RNA转录相关基因杆状病毒基因组的转录表达是按时序进行的ꎮ根据杆状病毒基因在病毒复制过程中的表达时间可分为极早期㊁早期㊁晚期和极晚期[15]ꎮ早期基因的合成依赖宿主RNA聚合酶Ⅱ识别和转录ꎬ而晚期基因则是病毒编码的RNA聚合酶转录[16]ꎮ转录活化因子IE-1与杆状病毒基因组中的hrs相互作用形成二聚体ꎬ该二聚体可与宿主的转录系统相互作用从而促进早期基因的转录ꎮ杆状病毒晚期基因利用的RNA聚合酶ꎬ由4个转录晚期和极晚期基因的亚基构成(LEF-4㊁LEF-8㊁LEF-9和P47)[16]ꎮLEF-4是一种参与RNA加帽的酶ꎮ在LEF-8的C端发现很多物种RNA聚合酶的保守基序ꎬ它编码RNA聚合酶的催化位点[17]ꎮLEF-9存在与RNA聚合酶β亚基同源的基序ꎬ编码酶活化中心Mg2+结合位点[18]ꎮP47是RNA聚合酶中较小的亚基ꎬ与其他RNA聚合酶没有同源性[19]ꎮLEF-5和VLF-1也和晚期基因的转录相关ꎮ研究发现ꎬLEF-5可与自身相互作用且C端含有一段与RNA聚合酶Ⅱ延长因子TFIIS类似的结构域ꎮ通过对LEF-5进行纯化分析表明ꎬLEF-5的功能是起始转录ꎬ而非延伸因子[20]ꎮVLF-1与多角体蛋白和P10的转录相关ꎮVLF-1与多角体和P10基因启动子下游的 爆发序列 结合引发它们的大量表达[21]ꎮ其他与晚期基因表达有关的基因为lef-6㊁lef-10㊁lef-12和39kꎮ此外ꎬ甲基转移酶(Ac69)㊁ADP-核糖焦磷酸水解酶㊁LEF-2和PK1也可能参与了晚期基因的表达ꎮ2.2㊀DNA复制相关基因病毒DNA复制相关基因在病毒生命周期中起着关键的作用ꎮ杆状病毒DNA的复制是由顺式作用元件㊁反式作用因子及其宿主细胞提供的复制因子共同作用而完成的ꎮ顺式作用元件是指病毒DNA复制起点ꎬ它包括同源重复序列和非同源重复序列2类ꎮ反式作用因子是病毒表达产物ꎬ该产物是病毒DNA复制所必需的ꎮ瞬时复制试验证明ꎬdna-pol㊁helicase(p143)㊁ie-1㊁lef-1㊁lef-2和lef-3是DNA复制的必需基因ꎮIE-1是一种多功能调节蛋白ꎬ它能够反式激活多个早期基因和晚期基因的启动子ꎬ且其酸性激活区是病毒DNA复制所必需的[22]ꎮLEF-1具有DNA引物酶活性ꎬ可与LEF-2相互作用[23]ꎮLEF-2是一种DNA引物酶协助因子ꎬ也是DNA复制所必需的[24]ꎮLEF-3是一种单链结合蛋白(SSB)ꎬ也可运送病毒DNA解旋酶进入宿主细胞核中[25]ꎮP143是病毒编码的DNA解旋酶ꎬ具有ATP酶和解旋酶的活性ꎮdna-pol编码了病毒的DNA聚合酶ꎬ具有3ᶄ 5ᶄ外切核酸酶活性ꎮP35㊁IE-2㊁PE38㊁LEF-7㊁VLF-1作为激活因子刺激病毒DNA的复制ꎮAN具有5ᶄ 3ᶄ核酸外切酶和核酸内切酶的活性ꎬ参与DNA的重组[26]ꎮ2.3㊀主要结构蛋白基因将杆状病毒DNA转染至相应细胞可以正常产生有感染性的子代病毒ꎬ病毒的复制和增殖并不受影响ꎮ因此ꎬ推测病毒结构蛋白对早期基因转录和病毒DNA复制并不是必需的[27]ꎮ杆状病毒结构蛋白组成的复杂结构相当于一个将病毒基因组转入宿主细胞中的运载系统ꎬ是通过对宿主昆虫的长期适应进化演变而成的ꎮ有些结构蛋白还具有其他酶活性ꎬ能够促进和帮助病毒在细胞内的复制ꎮ杆状病毒产生的2种不同类型的病毒粒子BV和ODVꎬ具有相同的核衣壳结构但囊膜组分不同(图1)ꎮ表3详细列出了杆状病毒的主要结构蛋白基因ꎬ其主要编码包涵体蛋白㊁BV和ODV的囊膜蛋白及核衣壳相关蛋白组分ꎬ其中后者大部分是BV和ODV共有的ꎮ4㊀第9期梁振普等:昆虫杆状病毒基因组学研究进展图1㊀BV和ODV的结构与主要蛋白质构成表3㊀杆状病毒的主要结构蛋白基因蛋白质分类基因名称敲除后的影响包涵体蛋白polyhedrin可稳定存在pe可稳定存在enhancin可稳定存在P10可稳定存在alkalineproteasesBV囊膜蛋白gp64无法稳定存在F-Protein可稳定存在ꎬ但杀死幼虫的时间延长V-ubiquitin可稳定存在ꎬ但BV产量减少e26可稳定存在ODV囊膜蛋白e26可稳定存在e25无法稳定存在ec43无法稳定存在e18无法稳定存在e66可稳定存在vp91可稳定存在ac145可稳定存在ꎬ但经口感染能力降低p74可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-1可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-2可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-3可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-4可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-5可稳定存在ꎬ没有经口感染能力pif-6可稳定存在ꎬ没有经口感染能力核衣壳相关蛋白p6.9无法稳定存在vp39无法稳定存在gp41无法稳定存在38k无法稳定存在p49无法稳定存在ec27无法稳定存在ac66受到严重影响p33无法稳定存在vp1054无法稳定存在vlf-1无法稳定存在vp80无法稳定存在pp78/83无法稳定存在p24可稳定存在3㊀杆状病毒的应用杆状病毒的分子生物学研究促进了对病毒组装及感染周期的认识ꎬ具有重要的理论意义ꎬ同时也具有重要的实践意义ꎮ目前ꎬ杆状病毒已广泛用作生物杀虫剂和外源蛋白表达载体ꎮ此外ꎬ杆状病毒作为基因治疗载体也越来越受到重视ꎮ3.1㊀杀虫剂昆虫杆状病毒杀虫剂的研究始于19世纪ꎮ目前ꎬ已在20多个国家登记㊁生产和应用了近40种病毒杀虫剂[28]ꎮ野生型杆状病毒杀虫剂具有对人畜和天敌无害㊁宿主特异性高㊁无化学残留㊁对环境安全㊁可自然传播等优点ꎮ然而ꎬ杆状病毒的杀虫速度慢㊁杀虫谱窄等缺点限制了其推广ꎮ为了克服杆状病毒的缺点ꎬ科学家开始尝试用各种分子生物学手段进行改造以获得重组杆状病毒ꎮ近年来ꎬ该方面的研究主要集中在以下几个方面:(1)缺失内源基因增加杀虫效果ꎮ如将AcMNPV中的egt基因缺失ꎬ重组病毒会减少昆虫的摄食ꎬ从而提高感染昆虫的死亡率[29]ꎮ(2)插入外源基因提高杀虫速度㊁降低害虫对病毒的抗性ꎮ如插入昆虫专性神经毒素基因㊁昆虫保幼激素酯酶基因㊁增效蛋白基因㊁蛋白酶基因㊁利尿激素基因等构建的重组病毒ꎬ大大缩短了害虫的发病时间ꎮ(3)内源基因过量表达ꎮ如过量表达vfgf基因的重组AcMNPV明显加速了寄主死亡[30]ꎮ(4)对宿主范围基因操作来拓宽杆状病毒宿主域ꎮ如将源自舞毒蛾核型多角体病毒(Lymant ̄riadisparmultiplenucleopolyhedrovirusꎬLdMNPV)的hrf-1基因插入AcMNPV中ꎬ重组AcMNPV病毒可以在舞毒蛾细胞中复制[31]ꎮ随着对重组病毒的深入研究ꎬ克服了杆状病毒的缺点ꎬ也为增强病毒的杀虫功能提供了可能ꎮ3.2㊀表达载体昆虫杆状病毒表达载体系统(Baculovirusex ̄pressionsystemꎬBEVS)是基因工程四大表达系统之一ꎬ目前市场上商业化的杆状病毒载体有Ac-Bac ̄mid(来源于苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒基因组)和Bm-Bacmid(来源于家蚕核型多角体病毒基因组)[32 ̄33]ꎮ它们在实际应用过程中具有产物表达水平高ꎬ表达产物可进行翻译后加工ꎬ外源蛋白的免疫原性㊁抗原性和功能等生物活性与天然蛋白质相似ꎬ大规模生产基因工程产品成本低等优点ꎮ自1983年人们利用该表达系统首次成功表达人干扰素-β后ꎬ相继成功表达了人生长因子㊁人2ꎬ6-唾液酸转移酶㊁人粒-巨噬细胞集落刺激因子和人抗白蛋白免疫蛋白G1等蛋白[34 ̄37]ꎮ目前ꎬ美国FDA(食品和药物管理局)已经授权上市9种BEVS来源的产品ꎬ其中Cervarix®㊁Provenge®㊁Glybera®和Flublok®疫苗分别用于预防和治疗子宫颈癌㊁前列腺癌㊁脂蛋白酶缺乏遗传病和流感ꎻPorcilis®Pesti㊁BAYOVAC5河南农业科学第47卷CSFE2®㊁Circumvent®PCV㊁IngelvacCircoFLEX®和Porcilis®PVC主要用于预防猪疫病[38]ꎮ昆虫杆状病毒表达载体系统可广泛应用于生物学㊁医学㊁农业等不同领域表达蛋白质ꎬ为人类服务ꎮ3.3㊀基因治疗基因治疗是一种通过基因转移载体将外源正常基因导入靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用ꎬ从而达到治疗疾病目的的生物医学技术ꎮ杆状病毒相比于其他病毒转移载体具以下优点:(1)基因容量大ꎬ可容纳1个或多个外源基因ꎮ(2)安全性高ꎮ由于杆状病毒的天然宿主昆虫是节肢动物ꎬ与人及其他哺乳动物的亲缘关系较远ꎬ即使它进入哺乳动物细胞ꎬ其基因组也不能在细胞中复制ꎮ(3)表达蛋白质效率高ꎮ杆状病毒表达载体可同时携带多个启动子ꎬ这些启动子能各自驱动下游基因的高水平表达ꎮ(4)翻译后修饰能力与哺乳动物细胞相似ꎮ因此ꎬ杆状病毒在基因治疗中具有广阔的应用前景ꎬ开辟了杆状病毒应用的新领域ꎮ目前杆状病毒可用于治疗多种疾病ꎬ包括癌症㊁感染性疾病㊁遗传性疾病㊁心血管疾病和自身免疫性疾病等ꎬ其中癌症治疗是该技术的主要研究和应用领域[39]ꎮ4㊀小结随着生态环保概念深入人心ꎬ昆虫杆状病毒将具有更大的发展前景ꎬ不仅为农林生产提供新的生物农药ꎬ而且为研究宿主功能基因提供重要的基因工程载体[40]ꎮ杆状病毒作为杀虫剂ꎬ杀虫速度慢和宿主域窄是其缺点ꎬ同时也是其优点ꎮ杀虫速度慢是因为病毒是一种简单生命ꎬ要在虫体内完成其复制周期ꎬ害虫难以对其产生抗性ꎻ正是因为宿主域窄ꎬ所以它们对非靶标生物是安全的ꎮ在应用基础研究上ꎬ可以针对具体情况构建重组型病毒或者添加杀虫增效剂[41]ꎮ作为表达系统ꎬ其外源蛋白表达量低和蛋白质表达后修饰存在差异ꎬ也可以通过优化表达系统进行完善ꎮ越来越多杆状病毒基因组测序和功能基因研究的完成ꎬ为病毒杀虫剂的开发提供了理论支持ꎬ也为深入了解杆状病毒的侵染机制㊁分子进化和病毒与宿主的特异性互作关系提供重要的理论依据ꎮ参考文献:[1]㊀vanOersMMꎬVlakJM.Baculovirusgenomics[J].Cur ̄rentDrugTargetsꎬ2007ꎬ8(10):1051 ̄1068. [2]㊀AckermannHWꎬSmirnoffWA.Amorphologicalinvesti ̄gationof23baculoviruses[J].JournalofInvertebratePa ̄thologyꎬ1983ꎬ41(3):269 ̄280.[3]㊀GranadosꎬRobertR.Thebiologyofbaculoviruses[M].BocaRatonꎬFla(USA):CRCPressꎬ1986. [4]㊀HerniouEꎬJehleJ.Baculovirusphylogenyandevolution[J].CurrentDrugTargetsꎬ2007ꎬ8(10):1043 ̄1050. [5]㊀HortonHMꎬBurandJP.Saturableattachmentsitesforpolyhedron ̄derivedbaculovirusoninsectcellsandevi ̄denceforentryviadirectmembranefusion[J].JournalofVirologyꎬ1993ꎬ67(4):1860 ̄1868.[6]㊀KeddieBAꎬAponteGWꎬVolkmanLE.Thepathwayofin ̄fectionofAutographacalifornicanuclearpolyhedrosisvirusinaninsecthost[J].Scienceꎬ1989ꎬ243:1728 ̄1730. [7]㊀SlackJꎬArifBM.Thebaculovirusesocclusion ̄derivedvi ̄rus:Virionstructureandfunction[J].AdvancesinVirusResearchꎬ2007ꎬ69:99 ̄165.[8]㊀HerniouEAꎬOlszewskiJAꎬCoryJSꎬetal.Thegenomesequenceandevolutionofbaculoviruses[J].AnnualRe ̄viewofEntomologyꎬ2003ꎬ48(48):211 ̄234. [9]㊀JehleJAꎬBlissardGWꎬBonningBCꎬetal.Ontheclas ̄sificationandnomenclatureofbaculoviruses:Aproposalforrevision[J].ArchivesofVirologyꎬ2006ꎬ151(7):1257 ̄1266.[10]㊀MoscardiF.Assessmentoftheapplicationofbaculovir ̄usesforcontrolofLepidoptera[J].AnnualReviewofEntomologyꎬ1999ꎬ44(1):257 ̄289.[11]㊀AyresMDꎬHowardSCꎬKuzioJꎬetal.ThecompleteDNAsequenceofAutographacalifornicanuclearpolyhe ̄drosisvirus[J].Virologyꎬ1994ꎬ202(2):586 ̄605. [12]㊀GaravagliaMJꎬMieleSABꎬIserteJAꎬetal.Theac53ꎬac78ꎬac101ꎬandac103genesarenewlydiscoveredcoregenesinthefamilyBaculoviridae[J].JournalofVirolo ̄gyꎬ2012ꎬ86(22):12069 ̄12079.[13]㊀JavedMAꎬBiswasSꎬWillisLGꎬetal.Autographacali ̄fornicamultiplenucleopolyhedrovirusAC83isaperosinfectivityfactor(PIF)proteinrequiredforocclusion ̄derivedvirus(ODV)andbuddedvirusnucleocapsidas ̄semblyaswellasassemblyofthePIFcomplexinODVenvelopes[J].JournalofVirologyꎬ2017ꎬ91(5):15 ̄16. [14]㊀MieleSABꎬGaravagliaMJꎬBelaichMNꎬetal.Baculo ̄virus:Molecularinsightsontheirdiversityandconser ̄vation[J].InternationalJournalofEvolutionaryBiologyꎬ2011ꎬ2011(1):379 ̄424.[15]㊀BlissardGWꎬRohrmannGF.Baculovirusdiversityandmolecularbiology[J].AnnualReviewofEntomologyꎬ1990ꎬ35(35):127 ̄155.[16]㊀GuarinoLAꎬXuBꎬJinJꎬetal.Avirus ̄encodedRNApolymerasepurifiedfrombaculovirus ̄infectedcells[J].JournalofVirologyꎬ1998ꎬ72(10):7985 ̄7991.6㊀第9期梁振普等:昆虫杆状病毒基因组学研究进展[17]㊀TitteringtonJSꎬNunTKꎬPassarelliAL.Functionaldis ̄sectionofthebaculoviruslateexpressionfactor ̄8gene:Sequencerequirementsforlategenepromoteractivation[J].JournalofGeneralVirologyꎬ2003ꎬ84(Pt7):1817 ̄1826.[18]㊀LuAꎬMillerLK.Identificationofthreelateexpressionfactorgeneswithinthe33.8 ̄to43.4 ̄map ̄unitregionofAutographacalifornicanuclearpolyhedrosisvirus[J].JournalofVirologyꎬ1994ꎬ68(10):6710 ̄6718. [19]㊀CarstensEBꎬLuALꎬChanHL.Sequenceꎬtranscrip ̄tionalmappingꎬandoverexpressionofp47ꎬabaculovirusgeneregulatinglategeneexpression[J].JournalofVi ̄rologyꎬ1993ꎬ67(5):2513 ̄2520.[20]㊀GuarinoLAꎬDongWꎬJinJ.Invitroactivityofthebacu ̄loviruslateexpressionfactorLEF ̄5[J].JournalofVi ̄rologyꎬ2002ꎬ76(24):12663 ̄12675.[21]㊀YangSꎬMillerLK.Activationofbaculovirusverylatepromotersbyinteractionwithverylatefactor1[J].Jour ̄nalofVirologyꎬ1999ꎬ73(4):3404 ̄3409.[22]㊀KovacsGRꎬGuarinoLAꎬSummersMD.Novelregula ̄torypropertiesoftheIE1andIE0transactivatorsenco ̄dedbythebaculovirusAutographacalifornicamulticap ̄sidnuclearpolyhedrosisvirus[J].JournalofVirologyꎬ1991ꎬ65(10):5281 ̄5288.[23]㊀MikhailovVSꎬRohrmannGF.BaculovirusreplicationfactorLEF ̄1isaDNAprimase[J].JournalofVirologyꎬ2002ꎬ76(5):2287 ̄2297.[24]㊀EvansJTꎬLeisyDJꎬRohrmannGF.Characterizationoftheinteractionbetweenthebaculovirusreplicationfac ̄torsLEF ̄1andLEF ̄2[J].JournalofVirologyꎬ1997ꎬ71(4):3114 ̄3119.[25]㊀WuYꎬCarstensEB.Abaculovirussingle ̄strandedDNAbindingproteinꎬLEF ̄3ꎬmediatesthenuclearlocalizationoftheputativehelicaseP143[J].Virologyꎬ1998ꎬ247(1):32 ̄40.[26]㊀MikhailovVS.Replicationofthebaculovirusgenome[J].MolecularBiologyꎬ2003ꎬ37(2):250 ̄259. [27]㊀MillerLK.Thebaculoviruses[M].NewYorkꎬUSA:Springerꎬ1997.[28]㊀凌同.昆虫杆状病毒表达系统的研究进展与应用[J].微生物学免疫学进展ꎬ2014ꎬ42(2):70 ̄78. [29]㊀WilsonKRꎬOᶄReillyDRꎬHailsRSꎬetal.Age ̄relatedeffectsoftheAutographacalifornicamultiplenucleopoly ̄hedrovirusegtgeneinthecabbagelooper(Trichoplusiani)[J].BiologicalControlꎬ2000ꎬ19(1):57 ̄63.[30]㊀DetvisitsakunCꎬCainELꎬPassarelliAL.TheAutogra ̄phacalifornicaMnucleopolyhedrovirusfibroblastgrowthfactoraccelerateshostmortality[J].Virologyꎬ2007ꎬ365(1):70 ̄78.[31]㊀DuXꎬThiemSM.Characterizationofhostrangefactor1(hrf ̄1)expressioninLymantriadisparMnucleopolyhe ̄drovirusandrecombinantAutographacalifornicaMnu ̄cleopolyhedrovirus ̄infectedIPLB ̄Ld652Ycells[J].Vi ̄rologyꎬ1997ꎬ227(2):420 ̄430.[32]㊀LuckowVAꎬLeeSCꎬBarryGFꎬetal.Efficientgenera ̄tionofinfectiousrecombinantbaculovirusesbysite ̄spe ̄cifictransposon ̄mediatedinsertionofforeigngenesintoabaculovirusgenomepropagatedinEscherichiacoli[J].JournalofVirologyꎬ1993ꎬ67(8):4566 ̄4579. [33]㊀MotohashiTꎬShimojimaTꎬFukagawaTꎬetal.Efficientlarge ̄scaleproteinproductionoflarvaeandpupaeofsilkwormbyBombyxmorinuclearpolyhedrosisvirusbacmidsystem[J].Biochemical&BiophysicalResearchCommunicationsꎬ2005ꎬ326(3):564 ̄569.[34]㊀SmithGEꎬSummersMDꎬFraserMJ.Productionofhu ̄manbetainterferonininsectcellsinfectedwithabacu ̄lovirusexpressionvector[J].Molecular&CellularBiol ̄ogyꎬ1983ꎬ3(12):2156 ̄2165.[35]㊀KadonoOkudaKꎬYamamotoMꎬHigashinoYꎬetal.Bac ̄ulovirus ̄mediatedproductionofthehumangrowthhor ̄moneinlarvaeofthesilkwormꎬBombyxmori[J].Bio ̄chemical&BiophysicalResearchCommunicationsꎬ1995ꎬ13(2):389 ̄396.[36]㊀ChenJꎬWuXFꎬZhangYZ.ExpressionꎬpurificationandcharacterizationofhumanGM ̄CSFusingsilkwormpu ̄pae(Bombyxmori)asabioreactor[J].JournalofBio ̄technologyꎬ2006ꎬ123(2):236 ̄247.[37]㊀顾玲玲ꎬ吴萌ꎬ朱善元ꎬ等.Ⅰ型鸭甲型肝炎病毒VP1基因在昆虫细胞中的表达及鉴定[J].河南农业科学ꎬ2018ꎬ47(1):114 ̄117.[38]㊀FelberbaumRS.Thebaculovirusexpressionvectorsys ̄tem:Acommercialmanufacturingplatformforviralvac ̄cinesandgenetherapyvectors[J].BiotechnologyJour ̄nalꎬ2015ꎬ10(5):702 ̄714.[39]㊀王嫱ꎬ张琳ꎬ陈赛娟.基因治疗:现状与展望[J].中国基础科学ꎬ2017ꎬ19(4):21 ̄27.[40]㊀梁振普ꎬ李路军ꎬ张俊庆ꎬ等.昆虫杆状病毒组学研究进展[J].河南农业科学ꎬ2017ꎬ46(8):1 ̄6. [41]㊀许书美ꎬ付月君.杆状病毒AcMNPV中Ac109蛋白的抗虫功能分析[J].山西农业科学ꎬ2018ꎬ46(2):155 ̄158ꎬ171.7。
基因工程制药综述昆虫杆状病毒表达系统的研究进展综述体外基因表达系统包括原核细胞系统和真核细胞系统。
原核细胞系统主要是大肠杆菌细胞, 它操作简便、周期短、收益大及表达产物稳定, 但是表达基因的相对分子质量 (Mr)有限, 不宜过大, 且不能对表达产物进行一些翻译后加工、修饰。
真核细胞系统包括 CHO 等哺乳动物细胞、酵母细胞和昆虫细胞等。
昆虫细胞表达系统(即杆状病毒表达系统)具有独特的生物学特性, 日益受到人们的重视。
1 杆状病毒的生物学特性杆状病毒只来源于无脊椎动物, 虽然已发现 600 多种杆状病毒, 但进行分子生物学研究的不到 20 种。
杆状病毒的基因组为单一闭合环状双链 DNA 分子, 大小为 80~ 160 kb, 其基因组可在昆虫细胞核复制和转录[1]。
DNA 复制后组装在杆状病毒的核衣内, 后者具有较大的柔韧性, 可容纳较大片段的外源 DNA 插入, 因此是表达大片段 DNA 的理想载体。
其中, 用作外源基因表达载体的杆状病毒, 目前仅限于核型多角体病毒( nuclear polyhedrosis virus, NPV)。
该病毒颗粒在细胞内可由多角体蛋白包裹形成长度约 1~ 5 μm 的包含体病毒 , 呈多角体形状[2]。
核型多角体病毒有两种形式[2] :一种为包含体病毒( occluded virus, OV) , 另一种则为细胞外芽生病毒( budded virus, BV)。
它们在病毒感染中扮演的角色不同, 包含体病毒是昆虫间水平感染的病毒形式, 昆虫往往是食入污染OV 的食物后引起感染。
包含体病毒外层裹了一层蛋白晶体, 即 Mr 为 29 000 的多角体蛋白, 它对病毒的水平感染起以下作用:①保护病毒颗粒在外界传播过程中免遭环境因素的破坏而失活。
②保证病毒颗粒在适当的位置释放, 引起感染。
昆虫中肠上皮局部的强碱性环境( pH=10. 5) , 可使病毒颗粒释放蛋白酶溶解多角体[3] 。