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转基因动物生物反应器的基因构建与表达

来源:《国外医学》预防、诊断、治疗用生物制品分册 作者:邱磊 郭葆玉 2004-9-27
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摘要: 摘要 近年来,生物学和分子生物学研究领域的成就促进了转基因动物生物反应器的蓬勃发展。用转基因动物生物反应器生产药用蛋白是生物技术领域里的又一次革命,它以一个全新生产珍贵药用蛋白的模式区别于传统药物的生产。本文着重介绍转基因动物生物反应器的基因构建以及转基因动物组织特异性表达的最新进展。以合理的费用......


  摘要 近年来,生物学和分子生物学研究领域的成就促进了转基因动物生物反应器的蓬勃发展。用转基因动物生物反应器生产药用蛋白是生物技术领域里的又一次革命,它以一个全新生产珍贵药用蛋白的模式区别于传统药物的生产。本文着重介绍转基因动物生物反应器的基因构建以及转基因动物组织特异性表达的最新进展。

  以合理的费用获取大量在人体内原本稀少的血浆蛋白在不久前还只是幻想。然而,近年来生物学和分子生物学取得的显著进展终于使这种幻想成为现实。其中,将外源DVA用显微技术注入生殖细胞的原核,将重组DVA转入小鼠胚胎细胞和将DVA整合入宿主染色体和种系传递等重要发现,使用转基因(Tg)动物生产药用蛋白成为可能。此外,生物学技术的发展,如对卵细胞的获得、操作以及再植入和重组DNA等技术进步都为转基因动物生物反应器的成功提供了保证。

  转基因动物生物反应器生产药用蛋白一般有两种技术路线。第一种是将目的基因在同源组织中表达蛋白质;第二种是将目的基因构建成杂合基因,转入动物胚胎,通过转基因动物的分泌器官收集并提纯药用蛋白。转基因动物分泌的蛋白经过后加工酷如人体天然蛋白的结构,也有完全相似的生物活性。

  同源组织中表达蛋白质

  目前,在同源组织中表达蛋白质最典型的例子是在动物的红细胞中表达人的血红蛋白。在人的血红蛋白基因编码序列里启动子有2个CACCC盒,而对应的猪的启动子里只有一个,另一个靠近它的是CGCCC盒。Sharma等[1]将猪的β-启动子与人的β编码基因融合,并将人的β-基因座调控区(β-LCR)和α、ε基因与融合基因的β基因连接在一起构成载体,转入猪胚胎细胞,从转基因猪分泌乳汁中得到的重组人血红蛋白含量高达32g/L。

  在转基因动物的分泌器官中生产蛋白

  转基因动物表达重组蛋白多以乳腺、唾液腺和膀胱为靶位。在这些表达器官中,通过构建合适的载体,选择适当的启动子和调控序列可产生比正常水平高得多的重组蛋白。不过,生产系统应尽可能与循环系统隔离,以减少表达产物对宿主动物的影响。

  乳腺生物反应器

  将所需目的基因构建入载体,加上适当的调控序列,转入动物胚胎细胞,使转基因动物分泌的乳汁中含有所需要药用蛋白。从融合基因转入胚胎细胞到收集蛋白质有一个过程,包括胚胎植入、分娩和转基因动物的生长。转基因动物从出生到第一次泌乳,猪、羊、牛各需12、14、16个月;并且只有雌性动物泌乳且不连续,一般可持续2、6、10个月。牛、羊等大型家畜能对药用蛋白进行正确的后加工,使之具有较高的生物活性,同时产奶量大,易于大规模生产,因而成为乳腺生物反应器理想的动物类型。

  抗凝血酶Ⅲ 第一个进入临床试验的转基因蛋白产物是抗凝血酶Ⅲ,将半乳糖β-酪蛋白的启动子和含抗凝血酶Ⅲ基因序列相连,转入绵羊胚胎细胞,在转基因绵羊的乳液中得到有生物活性的蛋白产量可达7g/L[2]。目前该蛋白正用于冠状动脉旁路手术患者的二期临床验证。

  β-乳球蛋白 在实验过程中人们发现牛的β-乳球蛋白(BLG)基因非常稳定,并能在乳腺中特异性表达。Hyttinen等[3]将含有5'端2.8kb和3'端1.9kb的牛BLG基因片段构建成载体,转入小鼠胚胎细胞,可在转基因小鼠的乳腺中特异表达高水平的BLG,此外,还发现CpG位点的甲基化程度与BLG的表达量有关,甲基化少的转基因小鼠乳液中BLG分泌量较大,可达1~2mg/ml,而其他转基因小鼠分泌量小于0.1mg/ml。

  红细胞生成素(EPO) 目前国内外均采用CHO细胞表达生产人EPO,成本比较昂贵,而用转基因动物生产的EPO,可能是一条理想的途径。将EPO dNA分别以HindⅢ和BamHI酶切,1%琼脂糖凝胶电泳回收5.4kb的HinⅢ/BamHI片段,插入pGEM-7zf(+)载体,再将867bp的BLG启动子插入EPO基因之前EcoR、ClaI位点,构建表达载体pGEM-3zf(+)β-LG-EPO。通过显微注射方法得到转基因小鼠乳汗中的EPO含量可达0.5μg/ml[4]。

  α1-抗胰蛋白酶 这也是一个利用BLG基因构建的重组蛋白。将BLG5'末端4.0kb序列与人的α1-抗胰蛋白酶(α1AT)基因的6.5kb片段(去掉第一个内含子)融合,再连接羊的BLG启动子,以pPOLYⅢ-Ⅰ为载体,转入羊的胚胎细胞,可在转基因羊分泌的乳液中得到含量高达60.0mg/ml的重组蛋白α1AT[5]。转基因在两年前进入了临床验证。

  因子Ⅸ Schnieke等[6]将羊的BLG基因5'末端和人的因子Ⅸ cDNA 与含有BLG复制单元和3'末端的片段融合,将构建的杂合基因转入羊的胚胎细胞,从分泌的乳汁中得到125μg/ml的重组蛋白。黄淑帧教授等[7]构建了一个含有小鼠MAR元件、牛β-酪蛋白基因调控序列和hFⅨ微基因的hFⅨ乳腺组织特异性表达载体pMCⅨm,其中hF Ⅸ微基因包括全长hF Ⅸ cDNA ,800bp经过改造的内含子1序列和hFⅨ蛋白的信号肽序列。将线形化的表达载体pMC Ⅸm导入羊的受精卵。转基因羊分泌的乳汁中hFⅨ蛋白的含量约为95ng/ml。在另一实验中,Yull等[8]将BLG5'末端序列,fⅨ编码序列和缺失隐性3'端连接点的f Ⅸ3'末端不翻译区域的一个小片段融合,构成杂合基因,去掉SphI和SmaI位点,克隆入移去了pBJ41的SphI/EcoRV。转入小鼠胚胎细胞,得到的重组蛋白产量达0.06mg/ml。经过进一步研究,发现是转基因动物乳腺中对DNA的错误剪切使分泌量降低,从而增高重组蛋白产率。在乳腺组织中表达有完全活性的因子Ⅸ是比较成功的,尤其是乳腺组织对因子Ⅸ N端附近的一段含12个葡萄糖残基的序列进行γ-羧化以保持其活性,而在以前的天然蛋白中没有发现γ-羧化作用。

  因子Ⅷ 人FⅧcDNA长约7.2kb,是目前为止表达的最长cDNA。将它插入小鼠的乳清酸性蛋白(WAP)基因中启动子(2.5kb)的下游,使之在乳腺中靶向分泌FⅧ重组蛋白。在WAP/FⅧcDNA构建的转基因小鼠中rFⅧ表达最低,而在转基因猪中可达1.0~2.7μg/ml[9]。

  单克降抗体 Castilla等[10]将编码了重组单克降抗体(rMab)6A.C3的免疫球蛋白基因cDNA插入小鼠WAP dNA基因组的第一个外显子,使rMab 6A.C3的表达可以由WAP基因调控序列来控制,将构建的杂合基因注入小鼠胚胎细胞原核,使小鼠乳腺分泌有活性的单克降抗体,这种转基因表达产物将广泛应用于预防新生儿肠道感染。


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