兽医专业论文英语文献

负链RNA病毒的反向遗传技术 (1.中国农业科学院兰州兽医研究所家畜疫病病原生物学国家重点实验室，甘肃兰州 730046；2.西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所，西藏拉萨 850000) 摘 要：反向遗传技术是一种新的分子生物学技术，它在深入研究负链RNA病毒基因组结构和功能，探寻其基因组复制、转录和研发新型基因工程疫苗上发挥着重要的作用。文章介绍了分节与不分节负链RNA病毒的复制机理和特征，论述了反向遗传学在研究这些病毒上的策略、最新研究进展及其主要影响拯救效率的因素，进一步涉及了负链RNA病毒载体及其重组病毒的研究动态。因此，通过反向遗传学，人们将更加了解负链RNA病毒，为科学利用和有效控制该病毒奠定基础。 关键词：反向遗传学；负链RNA病毒；病毒载体 反向遗传(Reverse genetic)技术作为一项新型技术，是从克隆的cDNA产生感染性RNA病毒的过程，实现了在cDNA 水平上对RNA病毒的操作，从而为病毒的功能基因组研究提供了强有力的手段。相对来说，这项技术更易用于正链(Positive-strand)RNA病毒，从cDNA水平对其基因组进行操作，拯救感染性病毒。负链(Negative-strand，NS)RNA病毒，如埃博拉病毒、马尔堡病毒、汉坦病毒、拉沙病毒、克里木-刚果出血热病毒等，这些病原体由于存在独特的生物学特性，给病毒的拯救带来了一些困难，另外，它们引起的疫病具有发病率高和死亡率高的特点，因此，对负链RNA病毒的研究就显得尤为重要。目前已将反向遗传技术应用到该类病毒研究中去，在这些病毒基因组的结构和功能，表达调控机制以及致病机理等方面，产生了深远影响。 1 负链RNA病毒的复制机理 负链RNA病毒有7个病毒科[1]，即弹状病毒科、副黏病毒科、丝状病毒科、博尔纳病毒科、正黏病毒科、布尼病毒科和沙粒病毒科。其中，前4科病毒为不分节段的单股负链RNA病毒，后3科病毒为分节段的负链RNA病毒，分别含有6个～8个、3个、2个负链RNA片段。 无论是分节(segmented negative-strand，SNS)，还是不分节(non-segmented negative-strand，NNS)负链RNA病毒，都有共同的特性，它们都是包膜病毒，复制在胞质中进行，产生的mRNA是不经剪接的。正黏科病毒和博尔纳科病毒除外，它们转录和复制是在核仁中进行，有些mRNAs也需剪接。对传统mRNA正义链来说，负链RNA病毒基因组和“互补”基因组的RNAs是用核蛋白(N或NP)衣壳来包裹，共同转录形成螺旋对称N-RNA模板，与不同量的聚合酶蛋白(副黏病毒、弹状病毒、博尔纳病毒的大L蛋白和磷蛋白P，丝状病毒、爱博拉病毒的L、VP30、VP35，沙粒病毒和布尼病毒的L蛋白，流感病毒的PA、PB1、PB2)结合，构成一个最小的复制启动复合体(也称核糖核蛋白复合体，RNP)，一旦功能性RNP复合体形成，转录、复制、病毒增殖也就开始启动。 负链RNA病毒通过其病毒粒子表面的糖蛋白与宿主细胞的受体结合，随后发生病毒的囊膜与胞浆膜(pH非依赖性途径)或内体膜(pH依赖途径)的融合，然后将病毒的核糖核蛋白(RNP)复合体释放到细胞质中，RNP复合体由病毒RNA、核蛋白(它包裹着病毒RNA)以及病毒聚合酶复合物组成。在转录过程中，首先由病毒携带的RNA-RNA聚合酶从病毒基因组(－RNA)转录出mRNA，再翻译产生所需要的酶和结构蛋白；在复制过程中，转录出与病毒基因组长度一致的＋RNA，它可以作为模板合成病毒的RNA。大多数的负链RNA病毒是在被感染细胞的胞质中复制的，而波那病毒和正黏病毒则是在细胞核中复制的，因此对后者而言，RNP复合体以及新合成的NP和聚合酶蛋白必须运输到细胞核，而新合成的RNP复合体则是又从细胞核中运输到细胞质中，以便新合成的RNP复合体在细胞质膜上或高尔基复合体膜上与病毒的结构蛋白装配在一起，随后释放出新合成的病毒。 SNS-RNA病毒与NNS-RNA病毒明显区别是在它们的复制和mRNA转录机制上，SNS病毒的每节代表一个独立的转录、复制单位，每节3′末端、5′末端的核苷酸都是保守的，显示出部分反向互补性，这就导致了碱基对末端一起形成有功能的核心启动子，复制开始是从基因组(vRNA)和“互补”基因组(cRNA)的3′端到产生全长复制子为止。对NNS病毒来说，它们的转录开始仅仅在vRNA模板上，不履行此规则的是沙粒病毒和部分的布尼病毒科病毒[2]。 2 反向遗传技术在负链RNA病毒上的研究策略 无论是来自cDNA，还是合成的RNA，负链RNA病毒的拯救都不同于正链RNA病毒，具体表现在：(1)负链病毒复制开始需要蛋白质从头合成，此过程是受它们自己依赖于RNA的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase， RdRp)影响；(2)被导入基因组和“互补”基因组RNA在作为功能模板链激发转录/复制之前，需要被病毒核蛋白衣壳包裹。尽管如此，人们采取了一些策略，仍然得到了一些负链RNA病毒的感染性分子克隆，如狂犬病病毒、牛瘟病毒、新城疫病毒等，并根据不同的研究目的，在DNA水平上进行体外操作，方法有基因敲除、基因缺失、基因插入、基因置换以及构建嵌合病毒等。 从cDNA克隆中得到具有感染性的负链RNA病毒，需要建立一个微型复制系统，这样才能使新生的RNA衣壳化以及加工下游序列。在此系统中，常利用T7 RNA聚合酶，以病毒基因组的cDNA为模板合成负链RNA病毒的RNA，然后再将这种人工病毒RNA转染已被辅助病毒感染过的真核细胞，即可得到含有人工RNA的病毒。现使用这个系统已成功拯救了一些小基因组的报告基因，如：仙台病毒(SEV)和呼吸道合胞病毒(RSV)。 拯救全长感染性cDNA是很复杂，技术含量高，在获得感染性病毒介导的cDNA之前，需要构建NNS和SNS病毒的功能性小基因组[3]，小基因组长度小，易于操作。在拯救中有些因素决定着拯救的效果与成败。负链RNA病毒的非编码末端附近，通常带有一个单一报告基因开放阅读框，在构建感染性重组病毒中，它们是非常有用的替代序列，影响着拯救病毒的成败；野型T7启动子控制着拯救的效率，当删除T7启动序列，大多数病毒的拯救效率就会提高，如当丁型肝炎病毒核酶5′端自我切割产生准确3′病毒末端时，就提高了拯救效率；一个更深的观点认为，大多数副黏病毒基因组或基因组类似物要具有功能，需要服从六法则，大多数副黏病毒的有效复制只有在其核苷酸的总数可被6除尽时才能观察到，我们称之为“六法则”[4]，即核酸蛋白与精确的6核苷酸发生相互作用。为了表达T7，一些科学家使用CMV增强子/启动子元件或鸡β-actin启动子控制的表达载体和稳定表达T7聚合酶的细胞系作为替换物，但结果不理想。最近，使用RNA聚合酶Ⅰ(PolⅡ)，克服了T7启动系统的大多数缺点。Yanai H等[5]在反向遗传系统中使用RNA PolⅡ启动子，研究Borna病毒小基因组表达的有效性，发现，在缺少SV40 T抗原的细胞中，SV40核酸序列插入PolⅡ中能有效提高小基因组的复制。 NNS和SNS病毒的拯救仍需以“互补”基因组构建体为基础，1994年，第一次成功拯救到了NS RNA病毒(棒状病毒、狂犬病毒)，该方法成功的关键因素在于能从cDNA克隆中合成正链“互补”基因组RNA。2001年，为了蛋白的表达和vRNA的转录，使用T7和PolⅠ驱动体系拯救了一个6节段的Thogoto病毒[6]。Flick R等[7]以小基因组拯救系统(一些布尼病毒如CCHF、Uukuniemi、Hanaan和Borna病毒)为基础，已广泛地使用PolⅠ系统，此系统对拯救RNA病毒是否有效仍需进一步证实。 3 反向遗传系统的应用 3.1 NS RNA病毒 反向遗传学的研究，扩大了我们对RNA病毒分子生物学和发病机理的认识。在控制病毒生命周期方面，小基因组的研究显得尤为重要，主要有顺式反应元件的位置、启动区的二级结构、反式作用因子的功能区、基因组和“互补”基因组启动子的相对强度等。反向遗传分析已被成功地应用于RNA病毒顺式作用元件的确定和鉴定上，通过对NNS和SNS病毒小基因组的研究表明，控制转录、复制、衣壳化、包装的顺式作用元件位于3′端和5′端非编码核苷酸序列；流感病毒每个节段末端12个～13个核苷酸相互作用构成影响病毒增殖的基本核心启动子，相邻非编码核苷酸具有最佳复制效率。Li Z等[8]用反向遗传技术构建禽流感病毒重组体，一个是插入DKGX/22(无致病性)的一个基因，另外是插入DKGX/35(高度致病)7个基因片段，接种鼠后，结果证实PB2上的第701位点的氨基酸在感染动物上是一个很重要的部位。 由于缺乏对启动子结构知识，同源聚合酶对RNA选择/识别机制的研究就显得特别困难；启动子元件基本核苷酸的替换是否会破坏RNA的必要结构，还是影响模板和聚合酶间优先核苷酸特殊反应，还不清楚。尽管存在这些不足，但通过对A型流感病毒启动子的具体分析，基本了解了链内结构和启动病毒复制必需模板与聚合酶反应机理。根据核苷酸替换机制，Flick和他的同事已经描述了一个独特的病毒RNA启动区“corkscrew”构象，此构象包括远端的一个6碱基对杆构造和2个链内碱基配对茎-环结构，单替换和双互补诱变表现出结构不变的核苷是稀少的，保持此区域结构完整性极为重要，这个不变核苷位于四核苷酸环结构上，可能有助于与聚合酶复合蛋白反应，最近和以前的研究也证实了“corkscrew”构象[9]，它比此病毒以前预想的启动模型要更为复杂，具有锅柄和叉结构。 3.2 重组病毒载体 负链RNA病毒的特殊生物学特性使得它们最有希望用作载体：①它们不能通过DNA介导进行复制，所以RNA病毒的基因组不会整合到宿主基因组中；②这类病毒的大多数成员都能产生很高的病毒滴度；③能容纳外源基因并高水平地表达蛋白或肽段；④负链RNA病毒做载体可以刺激宿主产生较强的细胞免疫和体液免疫。 重组病毒能稳定表达外源基因物质，由此产生了新的治疗观念和树立了疫病防治范例[10]。副黏病毒和弹状病毒特别适合于外源遗传物质的稳定插入。这些病毒能够容纳、表达上至5 kb大小外源遗传物质，这样就有可能制造二价苗，甚至多价苗。另外，经过其他基因终止和起始信号的导入，能相当容易地实现插入其他转录单位，最终插入位点的精确选择控制着此插入基因的表达水平。重组病毒广泛用于载体，如麻疹疫苗病毒用于弱毒疫苗已经有长期的安全纪录，其他病毒如SEV和VSV疫苗病毒，被考虑对人类无致病性，因为这些病毒的生命周期只局限于细胞质，因此，无携带危险，现已作为载体而被广泛使用。 3.3 重组病毒在疫苗上的研究 在重组病毒制造弱毒疫苗中，插入一些突变序列到疫苗或野型毒株中，可产生出一些疫苗[11]，诱变多识别酶切位点成单一特殊酶识别的位点，引起毒性减弱，也可达到开发疫苗的目的。一些弱毒重组病毒毒力与非结构干扰素颉颃基因的改变或删除相关，这样改变的病毒因为减少或没有能力阻止宿主干扰素的影响，使其毒力减弱[12]，基因的重排也能引起毒性减弱。Veits J等[13]通过应用反向遗传学构建能表达H5亚型禽流感病毒血凝素的新城疫病毒，在它的融合基因和血凝素-神经氨酸酶基因之间插入一个开放阅读框，此阅读框能编码高致病禽流感病毒血凝素，结果是此重组体可表达出高水平的血凝素，由此认为，此重组体可用作抗新城疫病毒和禽流感的二价疫苗，也可用作控制禽流感的标记疫苗。Webster R G等[14]应用反向遗传学构建高活力的H5N3株禽流感病毒，当此株病毒灭火油乳疫苗中HA蛋白含量达到0.015 ng～1.2 ng，可使鸭子产生对H5N1禽流感病毒有效保护的作用。 3.4 重组病毒的其他应用 重组病毒也已用于其他领域，如预防、治疗和研究。目前，研究正热的一个领域就是对一些NS RNA病毒抗癌潜能的研究，特别是对VSV的研究，与其他病毒相比，它作为抗癌试剂存在一些优点，如改造后含有调整免疫反应和自杀盒的基因，这样就增大了它们的抗癌能力[15]。另外，也已开始应用假病毒替代高致病性病毒，例如，删除VSV突变体的G基因，可检测此病毒受体结合状况，相似地，一个带有汉坦或Seoul病毒包膜蛋白的假型VSV用作全病毒的有效替换物，为汉坦病毒的研究提出了一个安全可靠的分析方法[16]。重组的副黏病毒可能在基因治疗上也有一定的研究价值，因为与传统的反转录病毒和腺病毒载体相比，存在明显的几个优点，如在未分裂细胞(神经元细胞)中，SeV载体被用于有效表达外源基因[17]，转移有复制能力SeV载体介导基因到鼠肺部上皮细胞后，仍能有效表达。 4 结语 由于反向遗传技术的应用，对RNA病毒的研究已呈指数上升，为以前不可能研究的负链RNA病毒生物学和发病机理提供了新的思路，也打开了研制负链RNA病毒弱毒疫苗的大门。然而，它也呈现出一些问题，并产生了具有争论性的数据，其中一些与病毒或使用的实验系统不同有关，或可能是由于我们仍没有彻底了解机理有关，一些问题以前认为是已经得到了很好的阐述；但最近又出现了新问题、新情况，有报道称，A型流感病毒的包装信号延长到此病毒的编码区，这就表明，虽然NS RNA病毒能有效地促进转录、复制、衣壳化、包装[18]，但不能排除增强/调节这些功能的其他信号存在。原则上，转录和复制是从3′端靠近启动子开始，一项新的VSV研究则反驳了这样的观点，他们表示，没有前导RNA前面的转录，转录开始就在内部N基因起始位点，等等。因此，本领域的研究仍面临着挑战，还有大量的工作要做，有理由相信，伴随着反向遗传技术在负链RNA病毒上的不断深入研究，上述这些问题会得以科学解决，控制负链RNA病毒不会很遥远。