腺病毒

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腺病毒

腺病毒(adenovirus)是一种没有包膜的直径为70~90 nm的颗粒,由252个壳粒呈廿面体排列构成。每个壳粒的直径为7~9 nm。衣壳里是线状双链DNA分子,约含35 000 bp,两端各有长约100 bp的反向重复序列。由于每条DNA链的5'端同相对分子质量为55X103Da的蛋白质分子共价结合,可以出现双链DNA的环状结构。

目录

腺病毒简介

人体腺病毒已知有33种,分别命名为adl~ad33,研究得最详细是ad2。腺病毒基因组转录产生mRNA,已知的转录单位至少有5个:EⅠ区位于病毒基因组左侧,可再分成EⅠA和EⅠB,与细胞转化有关;EⅡ区编码DNA结合蛋白,参与病毒的复制;EⅢ区编码出现在宿主细胞表面的一种糖蛋白;EⅣ区位于ad2基因组右端,受EⅡ区编码的DNA结合蛋白质调控;第5个转录单位在病毒感染中期合成ad2蛋白质Ⅳ。

腺病毒对啮齿类动物有致癌能力,或能转化体外培养的啮齿类动物细胞。使细胞转化只需要腺病毒基因组的一部分,这些基因位于基因组的左端,约占整个基因组的7%~10%。尽管腺病毒分布很广,但对人体不出现致癌性。人体细胞是一类允许细胞(permissive cell),即这类细胞允许感染入侵的病毒在细胞内复制增殖,最后细胞裂解死亡而释放出大量子代病毒。在体外培养的多种人体肿瘤细胞中均未查出腺病毒颗粒,但在人的1号染色体上有adl2的整合位点,这意味着人体细胞对于腺病毒也可能是非允许细胞,即这类细胞在病毒感染后,病毒不能在细胞内复制增殖,但可整合在受感染细胞的基因组内。这些细胞被病毒转化,表型发生改变,且可在体外无限期地培养传代

腺病毒是一种无外壳的双链DNA病毒,基因组长约36kb,衣壳(capsid)呈规则的20面体结构,直径约80-110nm。衣壳含有240个联体(hexon)、12个联体(penton)及12根纤毛(fiber),除此之外还有其他一些小蛋白,如VI、VIII、IX、IIIa和IVa2等。六联体是形成病毒衣壳20个三角形面的主要蛋白,12个顶端是5个联体亚单位和3个纤毛蛋白构成的复合物,12根纤毛以五联体蛋白为基底由衣壳表面伸出,纤毛顶端形成头节区(knob)。五联体和纤毛的头节区可与细胞表面的病毒受体结合,在病毒感染细胞过程中起着非常重要的作用。腺病毒的基因组以线性的双链DNA形式存在,由蛋白VII和一种称为mu的小蛋白紧密地环绕在其周围,起到类组蛋白样的作用。另一种蛋白V将这种DNA-蛋白复合物连接起来,并通过蛋白VI与病毒衣壳连接在一起。在两条链的5′端各以共价键结合着一个被称为DNA末端蛋白(pTP)复合物(DNA-TPC)的特化的结构,与腺病毒复制密切相关。腺病毒基因组的两端各有一段100bp的反向末端重复序列(ITR),是复制的起始位点。在左端ITR的3′侧有一段长约300bp的包装信号(ψ)介导腺病毒基因组包装入病毒衣壳。对腺病毒而言,只有包括两端的ITR和包装信号(ψ)的约0.5kb的序列是顺式作用元件,也就是说必须由腺病毒载体自身携带,而其他的30余种蛋白都可以通过辅助病毒(或细胞)反式补足。  

腺病毒载体的优点

1. 宿主范围广, 对人致病性

腺病毒载体系统可广泛用于人类及非人类蛋白的表达。腺病毒可感染一系列哺乳动物细胞,因此在大多哺乳动物细胞和组织中均可用来表达重组蛋白。特别需要指出的是:腺病毒具有嗜上皮细胞性,而人类的大多数的肿瘤就是上皮细胞来源的。另外,腺病毒的复制基因和致病基因均已相当清楚,在人群中早已流行(70-80%成人体内都有腺病毒的中和抗体存在)。人类感染野生型腺病毒后仅产生轻微的自限性症状,且病毒唑治疗有效。  

2. 在增殖和非增殖细胞中感染和表达基因

逆转录病毒只能感染增殖性细胞,因此DNA转染不能在非增殖细胞中进行,而必须使细胞处于持续培养状态。腺病毒则能感染几乎所有的细胞类型,除了一些抗腺病毒感染淋巴瘤细胞。腺病毒是研究原代非增殖细胞基因表达的最佳系统,它可以使转化细胞和原代细胞中得到的结果直接进行对比。  

3. 能有效进行增殖,滴度

腺病毒系统可产生1010到1011VP/ml,浓缩后可达1013VP/ml,这一特点使它非常适用于基因治疗。  

4. 与人类基因同源

腺病毒载体系统一般应用人类病毒作为载体,以人类细胞作为宿主,因此为人类蛋白进行准确的翻译后加工和适当的折叠提供了一个理想的环境。大多数人类蛋白都可达到高水平表达并且具有完全的功能。  

5. 不整合到染色体中,无插入致突变性

逆转录病毒可随机整合到宿主染色体,导致基因失活或激活癌基因。而腺病毒则除了卵细胞以外几乎在所有已知细胞中都不整合到染色体中,因此不会干扰其它的宿主基因。在卵细胞中整合单拷贝病毒则是产生具有特定特征的转基因动物的一个较好的系统。  

6. 能在悬浮培养液中扩增

293细胞可以适应悬浮培养,这一调整可使病毒大量扩增。大量事实证明悬浮293细胞可在1~20L的生物反应器中表达重组蛋白。  

7. 能同时表达多个基因

这是第一个可以在同一细胞株或组织中用来设计表达多个基因的表达系统。最简单的方法是将含有两个基因的双表达盒插入腺病毒转移载体中,或者用不同的重组病毒共转染目的细胞株来分别表达一个蛋白。测定不同重组病毒的MOI比值可正确估计各重组蛋白的相对共表达情况。

正是由于具有以上一些优点,腺病毒被极其广泛地应用于体外基因转导、体内接种疫苗、和基因治疗等各个领域。  

分类及致病性

分类及自上个世纪50年代发现并成功分离腺病毒以来,已陆续发现了100余个血清型,其中人腺病毒有47种,分为A、B、C、D、E和F六个亚群(subgroup)。基因治疗常用的人的2型及5型腺病毒在血清学分类上均属C亚群,在DNA序列上有95%的同源性。二者的增殖能力非常强,滴度通常可以达到109pfu (plaque forming unit)/ml,其在单个细胞中的基因组拷贝数可达104(约占细胞总DNA的10%)。病毒颗粒比较稳定,通过CsCl梯度离心可以达到1010~1011pfu/ml,满足动物实验的要求。

2型和5型腺病毒的致病性主要表现为可以导致儿童上呼吸道感染。在感染的最初几天,由于病毒大量复制和释放,会出现中度发热、浑身酸痛、乏力咽痛等症状。但这些症状通常是比较短暂而轻微的,在以后的几天里,会随着中和抗体的产生而逐渐消失。虽然可以说高滴度和高免疫原性是腺病毒的主要特点,但也是相对的,如8型腺病毒(主要感染小肠结膜组织)可以在扁桃体淋巴组织中潜伏下来。在C亚群的其他一些腺病毒中也可以见到同样的现象,这是因为病毒的E3区编码的功能可使其逃避宿主的免疫打击。这似乎有助于理解为何腺病毒载体在造血系细胞中的基因转导效率明显低于其他组织、细胞。  

腺病毒的生活周期

腺病毒的生活周期可以分为两个截然不同却又不能割裂开来的两个阶段。第一阶段包括腺病毒颗粒粘附和进入宿主细胞,将基因组释放到宿主细胞核中,以及有选择性地转录和翻译早期基因。在这个阶段,细胞为病毒基因组复制和腺病毒晚期基因表达并最终释放成熟的感染颗粒,即第二阶段,作好了准备。第一阶段将在6~8个小时内完成,第二阶段则更快,只需4~6个小时。  

粘附和进入细胞

腺病毒感染细胞的过程是从腺病毒纤毛的头节区粘附到细胞表面的特异性受体开始的。因为人腺病毒主要与柯萨奇B病毒共用一种受体,因此这种受体被称为柯萨奇/腺病毒受体即CAR(coxsackie/adenovirus receptor)。接下来病毒纤毛基底部五邻体表面的三肽RGD与细胞表面的αvβ3和αvβ5整合素结合,通过内吞作用将腺病毒内化到细胞中并进入溶酶体。在溶酶体的酸性环境下,腺病毒衣壳的构象将发生变化,被从溶酶体中释放出来,躲过溶媒体的消化作用。最后,腺病毒颗粒转位到细胞核,通过核孔将病毒DNA释放到细胞核内。相对于脂质体转染,腺病毒基因组进入细胞核是一个非常高效的过程,一般可以达到40%,前者虽然进入胞质的效率与后者相当,而DNA进入细胞核的效率却只有前者的1/1000。  

转录与复制

一旦病毒基因组进入细胞核,就将进行一系列的复杂而有序的逐级放大的剪切和转录过程。一般的,以病毒DNA开始复制为分界线,按转录时间的先后,将腺病毒基因大致区分为早期(E1~4)和晚期转录单位(L1~5)。各种腺病毒基因又可以进一步地分为更小的转录单位,如E1区可以进一步分为E1A和E1B,每个转录单位都至少有一个独特的启动子。腺病毒基因组进入细胞核后,细胞转录因子首先与E1A区上游的增强子结合,表达E1A蛋白,该蛋白的作用是调节细胞代谢,使病毒DNA更易于在细胞中复制。E1A蛋白还可以激活其他早期基因(E1B、E2A、E2B、E3和E4)的启动子,其中E2B驱动另外三个与病毒复制有关的早期基因转录单位末端蛋白前体(pTP, precursor terminal protein)、单链DNA结合蛋白(ssDBP, single-stranded DNA binding proteins)以及DNA聚合酶(DNA pol, DNA polymerase)的表达,这三个基因的表达产物紧密地结合成一个复合物,与至少三种细胞蛋白相互作用,启动病毒基因组的复制。

一般而言,DNA的复制是由RNA启动的,而在腺病毒却是所谓的蛋白启动(protein-priming)。如前所述,腺病毒双链DNA的每条单链的5′端有pTP蛋白结合,pTP通过其Ser-OH与DNA 5′端的dCMP 5′磷酸之间形成磷酸二脂键。腺病毒的DNA复制首先是以5′端结合有pTP的dCMP作为引物,以3′端的末端反向重复序列(ITR)为模板,进行链置换(strand displacement)合成,置换出的单链分子可以自我退火环化,形成锅柄样环形分子,然后这种环形分子再以相同的机制合成出子代双链DNA分子。

病毒基因组复制通常在感染后数小时开始,同时早期基因的转录和翻译被关闭,晚期基因开始表达。大部分的晚期基因的转录是以一个共同的主要晚期启动子(MLP, Major Late Promoter)调控的。实际上,MLP的活性与病毒基因组复制密切相关,有研究表明一旦腺病毒基因组开始复制MLP的活性将明显增强,对此我们将另外行文详述。晚期基因主要编码腺病毒的结构蛋白。病毒结构蛋白在细胞核内聚集形成病毒衣壳,病毒的基因组被包装进去,形成有感染能力的病毒颗粒,并最终裂解宿主细胞被释放出去,完成腺病毒的生活周期。腺病毒有明显的种属特异性,人的野生型5型腺病毒(wtAd

5)感染其他的非人类细胞(如鼠类细胞)后可以表达早期基因,基因组也可有一定程度的复制并能够形成一些不成熟的病毒颗粒,却不能形成成熟的病毒颗粒,也不能二次感染其他细胞。  

腺病毒基因产物的主要功能

E1区基因表达产物

可以进一步分为E1A和E1B。E1A主要由两种成分构成,分别为289R(或13S)和243R(或12S)。这些E1A蛋白的主要功能是调节细胞代谢,使细胞对病毒复制更易感E1B19K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坏死。E1B55K基因产物可以下调p53基因的转录水平,当然这种调节功能不是绝对的,其他一些腺病毒基因(如E4 orf6)也参与了这一过程。另外,E1B55K基因产物还与病毒复制、病毒晚期mRNA的转录以及病毒RNA的转运有关。  

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。  

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,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 19K蛋白可以在内质网上与MHC I类分子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。RID α&β以及14.7Kd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。  

E4区基因表达产物

E4区的基因产物通常被称为orf 1~6/7,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使一些由腺病毒转录的非翻译RNA,与腺病毒抵抗宿主细胞免疫有关。

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