《基因治疗》课件.ppt

AndrewZ.Fire,CraigCameronMello,安德鲁法尔和克雷格梅洛,1995年，康乃尔大学的SuGuo博士在试图阻断秀丽新小杆线虫（C.elegans）中的par-1基因时，发现了一个意想不到的现象。她们本是利用反义RNA技术特异性地阻断上述基因的表达，而同时在对照实验中给线虫注射正义RNA（senseRNA）以期观察到基因表达的增强。但得到的结果是二者都同样地切断了par-1基因的表达途径。这是与传统上对反义RNA技术的解释正好相反的。该研究小组一直没能给这个意外以合理解释。直到1998年2月，华盛顿卡耐基研究院的AndrewFire和马萨诸塞大学医学院的CraigMello才首次揭开这个悬疑之谜。通过大量艰苦的工作，他们证实，SuGuo博士遇到的正义RNA抑制基因表达的现象，以及过去的反义RNA技术对基因表达的阻断，都是由于体外转录所得RNA中污染了微量双链RNA而引起。当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链RNA却正好相反，能够高效特异性阻断相应基因的表达。该小组将这一现象称为RNA干扰（RNAinterference,简称RNAi)。在随后的短短一年中，RNAi现象被广泛地发现于真菌、拟南芥、水螅、涡虫、锥虫、斑马鱼等大多数真核生物中。这种存在揭示了RNAi很可能是出现于生命进化的早期阶段。随着研究的不断深入，RNAi的机制正在被逐步阐明，而同时作为功能基因组研究领域中的有力工具，RNAi也越来越为人们所重视。,2000年，RNA的研究进展被美国科学杂志评为重大科技突破；2001年“RNA干扰”作为当年最重要的科学研究成果之一，再次入选“十大科技突破”；2002年12月20日，Science杂志将“SmallRNA,2.用质粒载体或病毒载体可在细胞内稳定地生成。,siRNA的产生,3.RNA干扰的应用前景RNA干扰研究目前已经在功能基因组学研究、微生物学研究、基因治疗和信号转导等广泛领域取得了令人瞩目的进展，使其在医学、生物学领域的应用有着广阔的前景。,（1）研究基因功能的新工具,由于RNA干扰技术具有高度的序列专一性和有效的干扰能力，可以使特定基因沉默或功能丧失，因此可以作为功能基因组学的一种强有力的研究工具。,RNA干扰技术能够在哺乳动物中抑制特定基因的表达，建立多种表型；抑制基因表达的时间可以控制在发育的任何阶段，产生类似基因敲除的效应。,（2）肿瘤的基因治疗,传统反义RNA技术诱发的单一癌基因的阻断，不可能完全抑制或逆转肿瘤的生长，而RNA干扰技术可以利用同一基因家族的多个基因具有一段同源性很高的保守序列这一特性，设计针对这一区段序列的双链RNA分子，只使用一种双链RNA即可以产生多个基因同时剔除的表型，也可以同时使用多种双链RNA而将多个序列不相关的基因同时剔除。RNA干扰技术可用于治疗有异常基因表达的恶性肿瘤。,K-RAS蛋白为肿瘤发生所必需，bcr/ab1融合基因与人白血病有关，用RNA干扰技术可以阻碍K-RAS蛋白的表达从而抑制肿瘤发生，或杀死有bcr/ab1的人白血病细胞系。通过RNA干扰抑制某些内源性基因的表达，能促进白血病细胞系的细胞凋亡或增加其对化疗药物的反应性。应用RNA干扰技术成功地阻断了MCF-7乳腺癌细胞中一种异常表达的与细胞增殖分化相关的核转录因子基因Sp1的功能。,“沉默”真的是金,（3）病毒性疾病的基因治疗RNA干扰可以被看成是一种与免疫系统类似的防御机制。用siRNA抑制人类免疫缺陷病毒（HIV）某些基因的表达，如P24、Vif、nef、tat或rev，阻碍HIV在细胞内复制。用RNA干扰技术抑制HIV的受体（CD4）或辅助受体（CXCR4或CCR5）在细胞内表达，可阻碍HIV感染细胞。也可通过RNA干扰抑制其他病毒在细胞内复制，如脊髓灰质炎病毒、人乳头状瘤病毒、乙型肝炎病毒和丙型肝炎病毒等。,“沉默”真的是金,siRNA在病毒感染的早期阶段能有效地抑制病毒的复制，病毒感染能被针对病毒基因和相关宿主基因的siRNA所阻断，RNA干扰技术将成为一种有效的抗病毒治疗手段。这对于许多严重的病毒性疾病的防治具有十分重大的意义。,siRNA的输送（siRNAdelivery),siRNA的输送（siRNAdelivery),T.Cech,S.Altman,1989年，核酶的发现者T.Cech和S.Altman被授予诺贝尔化学奖。,（三）核酶(ribozyme),核酶（ribozyme）是具有催化功能的RNA分子,（三）核酶(ribozyme),天然核酶多为单一的RNA分子，具有自我剪切作用。但核酶也可以由两个RNA分子组成。,在基因治疗时，利用核酶分子结合到靶RNA分子中适当的邻位，形成锤头核酶结构，将靶RNA分子切断，通过破坏靶RNA分子达到治疗疾病（如清除病毒基因组RNA）的目的。只要两个RNA分子通过互补序列相结合，形成锤头状的二级结构（3个螺旋区），并能组成核酶的核心序列（13个或11个保守核苷酸序列），就可在锤头右上方产生剪切反应。,1.核酶的设计,核酶是通过靶RNA分子与核酶分子共同组成酶活性结构域，要从靶分子和核酶分子两个方面来设计核酶。,（1）选择合适的靶部位，该部位具有核酶切割位点，能与核酶分子结合并组成酶活性结构域。,（2）核酶的基本组成：用于基因治疗的核酶分子由三个部分组成，中间是保守序列（能够组成酶活性结构域），两端是引导序列。,在基因治疗中，主要是根据治疗的靶基因序列的特点，设计和合成特定的核酶。设计的基本原则是核酶分子与靶部位结合后能形成酶活性结构域。,核酶的作用机制,2.核酶的应用,与一般的反义RNA相比，核酶具有较稳定的空间结构，不易受到RNA酶的攻击。更重要的是，核酶在切断mRNA后，又可从杂交链上解脱下来，重新结合和切割其它的mRNA分子。,四、治疗基因的受控表达,RegulatedExpressionofTherapeuticGene,时间:,要实现治疗基因的受控表达，必须建立完善的基因表达调控体系。基因调控策略大致有以下几种：基因内部调节机制、基因外部调节机制、利用病灶微环境使治疗基因特异性表达以及治疗基因的诱导表达等。,治疗基因的受控表达包括控制治疗基因表达的时间、空间和水平三个方面。,空间:,表达水平：希望治疗基因能在一个适当的水平表达。,1.控制治疗的基因在患者需要实施治疗时才表达，而平时不需要进行治疗时则处于关闭状态；2.根据不同疾病的治疗要求，控制治疗基因持续表达的时间跨度。,是指为了提高基因治疗的专一性和安全性，严格限制治疗基因只在靶细胞中表达，避免治疗基因指导合成的蛋白质干扰非靶细胞的正常生活，产生毒副作用。,（一）基因内部的调节机制使用正常细胞的组织特异性启动子、增强子元件使用病变细胞的组织特异性启动子、增强子元件,1.使用正常细胞的组织特异性启动子、增强子元件,例如，酪氨酸酶是皮肤细胞和黑色素瘤细胞产生色素途径中的一种酶，可利用其启动子驱动治疗基因只在黑色素瘤细胞中表达，而不在正常的周边细胞中表达。,不同类型的正常细胞或组织中往往存在某些特有的蛋白质，它们的基因表达调控元件可用于驱动治疗基因的特异性表达，从而起到治疗作用。,前列腺特异性抗原(PSA)是参与精液凝块中蛋白质降解、使精液液化的一种丝氨酸蛋白酶。它主要在前列腺中产生，而在前列腺癌细胞中含量很高，可以利用PSA基因调控元件驱动治疗基因在PSA阳性的前列腺癌细胞中表达而发挥作用，而其在PSA阴性细胞和非前列腺癌细胞中不能使治疗基因表达。,2.使用病变细胞的组织特异性启动子、增强子元件,某些病变的细胞或组织产生一些特殊的蛋白质，其基因表达调节元件也可以用来控制治疗基因的特异性表达。,甲胎蛋白(AFP)基因正常情况下只在胚胎肝细胞中表达，不在成年肝脏细胞中表达。肝细胞腺癌细胞中AFP基因异常激活，因此可利用该基因启动子驱动治疗基因(如自杀基因)在癌细胞中表达，使癌细胞经给药后被杀死。癌胚抗原(CEA)是膜糖蛋白家族的成员，在许多腺癌细胞中表达很高，采用其启动子可以使治疗基因只在CEA阳性的癌细胞中表达，而不会在阴性细胞中表达。,（二）基因外部的调节机制,除利用基因内部的调节机制以外，还可通过施加外部刺激，促进治疗基因在特定细胞或组织中表达。,采用热休克蛋白基因的表达调控元件来启动治疗基因，可以通过对病灶局部进行热处理，达到使治疗基因特异性表达的目的。,Egr-1基因是一种编码锌指转录因子的早期基因，包括电离辐射和细胞因子等在内的多种外部刺激都可以诱导其表达，将其调控序列启动的治疗基因(如肿瘤坏死因子基因)导入肿瘤组织，可在电离辐射等作用下，使治疗基因获得暂时性的局部表达，杀死肿瘤细胞。,组织纤溶酶原激活物(t-PA)作为溶解血栓的药剂，在中风和心肌梗死等疾病治疗中起着重要的作用。t-PA的活性在辐射后增加50倍，表明其基因表达调控元件中存在受辐射诱导的调控元件，故可利用其调控元件启动治疗基因的表达，增强放疗效果。,（三）利用病灶微环境使治疗基因特异性表达,病灶微环境与正常时往往不同，因此可利用这些变化控制治疗基因的表达。,例如，在肿瘤病灶处，常常出现葡萄糖缺乏等情况，葡萄糖调节蛋白GRP78/Bip的含量也随之增加，使癌细胞能够抵御应激。当采用这种基因的启动子来控制治疗基因时，可以使治疗基因在肿瘤细胞中表达，使肿瘤组织坏死。,肿瘤细胞生长速度快于形成血管的内皮细胞，造成供血不足，因此在肿瘤内部形成酸性、缺氧和营养缺乏的区域。缺氧条件可以通过缺氧诱导因子(HIF-1)和缺氧响应元件(HRE)相互作用，调节一些基因的表达；如果采用缺氧响应元件(HRE)来控制治疗基因的表达，即可实现治疗基因只在缺氧的肿瘤组织中表达，而在正常组织中不表达。,机体发炎时所可产生的许多急性期蛋白，其基因的启动子可以控制发炎条件下治疗基因的表达；而一旦炎症消失，治疗基因的表达也随之终止。,（四）治疗基因的诱导表达采用组织特异性启动子控制治疗基因的表达，可能造成这些基因在靶细胞中表达，不再受外界控制。为了避免这种情况发生，研究人员正在开发和完善一些可诱导性基因表达系统。这种系统的必要成分：一种是转录激活剂，它只在诱导药物存在时才能与DNA结合；另一种则是特异性基因表达调控元件，仅对这种转录激活剂有所响应。,四环素抗性操纵子系统原理,四环素抗性基因的转录受Tet阻遏蛋白的负调控。无四环素存在时，阻遏蛋白与四环素抗性操纵子序列结合阻断四环素抗性基因的表达；四环素存在时，阻遏蛋白与四环素具有极高的亲和性，造成阻遏蛋白对四环素抗性操纵子阻遏解除，使四环素抗性基因的转录得以进行。,五、基因治疗的应用研究,TheApplicationofGeneTherapy,世界上第一个正式被批准用于基因治疗的病例是先天性腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症。1990年9月美国Blaese博士成功地将正常的人的ADA基因植入ADA缺乏症病人的淋巴结内，完成世界上首例基因治疗试验。,（一）遗传病的基因治疗研究,已知人类有4000多种遗传病，在人群中的发病率约为4050。但真正了解病因，能进行产前诊断的仅限于那些为数不多的常见遗传病。,1.在DNA水平明确其发病原因及机制；2.必须是单基因遗传病，而且属隐性遗传；3.该基因的表达不需要精确调控；4.该基因能在一种便于临床操作的组织细胞(如皮肤细胞，骨髓细胞等)中表达并发挥其生理作用；5.该遗传病不经治疗将有严重后果(如不治疗难以存活等)。可供选择并符合上述4条以上要求的不过只有30余种遗传病。,遗传病基因治疗必须符合以下要求：,1腺苷脱氨酶(ADA)和嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)缺乏症2珠蛋白生成障碍性贫血和血红蛋白病3血友病和其他血浆蛋白缺乏症4苯丙酮酸尿症和其他先天性代谢缺陷病5莱-纳(Lesch-Nyhan)综合征6家族性高胆固醇血症7囊性纤维化病,（二）恶性肿瘤基因治疗研究,（1）通过基因置换和基因补充，导入多种抑癌基因以抑制癌症的发生、发展和转移；,肿瘤发生是一个极为复杂的过程，许多基因的突变会导致肿瘤的发生。,（2）抑制癌基因的活性，通过干扰癌基因的转录和翻译，发挥抑癌作用；,（3）增强肿瘤细胞的免疫原性，通过对肿瘤组织进行细胞因子修饰，刺激免疫系统产生对肿瘤细胞的溶解和排斥反应；,（4）通过导入“自杀基因”杀伤癌细胞。,1.肿瘤基因治疗的基本策略从实际应用于临床治疗的角度来看，肿瘤基因治疗的策略包括：(1)直接杀伤肿瘤细胞或抑制其生长。(2)增强机体免疫系统，间接杀伤或抑制肿瘤细胞。(3)改善肿瘤常规治疗方法，提高疗效。,2.肿瘤基因治疗的常用方法基因干预技术：通过基因干预，使得肿瘤细胞过度表达的癌基因得到抑制，从而降低其恶性表型。自杀基因治疗分子化疗：直接杀死肿瘤细胞。肿瘤的免疫基因治疗：以激发机体肿瘤免疫效应或提高免疫效应细胞功能。提高化疗效果的辅助基因治疗：药物增敏基因治疗；耐药基因治疗。,3.自杀基因治疗：自杀基因治疗是目前肿瘤基因治疗领域中的研究热点之一。,基本原理：向肿瘤细胞内导入某些真核细胞中不存在的酶基因（自杀基因），这些基因表达的特异性酶可以催化对真核细胞无毒或低毒的药物前体，转变为具有抑制核酸合成效应的抗代谢药物，进而选择性地将转染了该基因的肿瘤细胞“自杀”。这些基因也相应地被称为“自杀基因”。,自杀基因治疗的前提条件是“自杀基因”的表达必须局限于肿瘤细胞中，而不伤及正常细胞。,利用免疫脂质体、受体介导等技术进行定向基因转移。利用病毒载体进行基因转移。肿瘤特异性基因转录。肿瘤内直接注射。,自杀基因转移常用方法,4.肿瘤的免疫基因治疗激发机体肿瘤免疫效应或提高免疫效应细胞功能为目的的一种肿瘤基因治疗方法。主要包括细胞因子（或受体）基因治疗和抗原抗体基因治疗两大类。,5.提高化疗效果的辅助基因治疗：,临床上对肿瘤患者进行化疗时，通常面临两大难题：,（1）是患者机体内的肿瘤细胞对化疗药物的敏感程度存在差异，特别是某些经过多次化疗的患者，其体内的肿瘤细胞已经产生了多药耐药性，对多种化疗药物产生交差耐受，最终导致化疗失败。,（2）是大剂量的化疗可能导致患者的正常细胞，特别是骨髓造血细胞的功能受到抑制。,(1)药物增敏基因治疗：,将鸡钙调素（calmodulin,CaM）基因导入小鼠乳腺癌细胞株C127，结果仅需低剂量的长春新碱或长春花碱即可明显抑制该细胞株的生长。对其作用原理进行研究后发现，CaM基因的表达产物作为细胞内信号传导系统的重要物质，明显增加了肿瘤细胞对长春新碱或长春花碱的吸收量而相应减少了排出量，从而提高了肿瘤细胞内化疗药物浓度，导致肿瘤细胞死亡。,为了使化疗药物能够最大程度地杀死肿瘤细胞，可以考虑将某些药物增敏基因导入肿瘤细胞，特别是对化疗药物原本不敏感的肿瘤细胞，使其对抗肿瘤药物的敏感性大大增加，从而达到增强化疗效果的目的。,(2)耐药基因治疗：,在解决化疗所致骨髓细胞造血功能受到严重抑制的问题方面，通过向肿瘤患者的骨髓细胞导入某种耐药基因，如mdr-1基因等，以增强骨髓细胞的抗药性，以便耐受大剂量的化疗药物，以达到彻底杀灭肿瘤细胞的目的。,肿瘤细胞耐药性的产生与多种糖蛋白或酶有关，包括多药耐药（mdr-1）基因编码的P-糖蛋白、多药耐药相关蛋白（MRP）以及近年来发现的肺耐药相关蛋白等；还有细胞内氧化和解毒作用的酶系统，包括细胞色素P-450（cytochromeP-450）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）以及谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）等等。,目前除了开发针对肿瘤细胞耐药性产生机制的拮抗剂，如用于阻断P-糖蛋白所引发多药耐药的戊脉安（verapamil）和用于阻断GSH合成的丁硫氨酸亚砜胺（BSO）等。还采用基因干扰技术，在基因水平阻断耐药基因的表达，使肿瘤细胞丧失多药耐药性，从而易于被化疗药物杀死。,（三）病毒性疾病的基因治疗研究,据统计，75%的人类传染病是由病毒引起的。病毒感染人体后不仅可能急性发病，还可以在人体内长期潜伏，造成终身伤害。病毒还是造成先天畸形的重要因素之一。研究表明，它与某些癌症、自身免疫性疾病和内分泌疾病也存在一定的联系。迄今为止，临床上对绝大多数病毒感染性疾病仍然缺乏有效的治疗手段，而在众多开展的抗病毒治疗方案中，抗病毒基因治疗十分引人注目。,1调节机体免疫应答：,（1）将细胞因子(如干扰素、白细胞介素等)的基因，导入机体免疫细胞，激活免疫细胞并促进