病毒学 第七章：病毒基因

1、第七章：病毒基因工程第一节 病毒载体第二节 病毒基因工程应用举例 本章重点1.几种重要的基因工程载体2.噬菌体展示的原理 人们研究病毒，一方面是为了控制病毒性疾病，另一方面也是为了利用病毒服务人类。 1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，开创了分子生物学的新时代。 1970年H.M.Temin和D.Baltimore对RNA肿瘤病毒反转录酶的发现，不仅使DNA复制的中心法则得以完善和发展，同时使RNA反转录为cDNA成为实验室常规手段，也使基因工程这门学科得到了飞速的发展。 病毒基因工程就是利用重组DNA技术，以病毒为载体，高效表达病毒基因及其它外源基因或者对病毒基因组进行

2、改造，用于制备防治病毒性疾病的疫苗、杀虫剂、进行基因治疗及开展有关蛋白功能研究。第一节 病毒载体一、噬菌体载体1、噬菌体 线状dsDNA，总长度为48502bp，在DNA分子的两端各有一条由12个核苷酸组成的彼此完全互补的5单链突出序列，即黏性末端。噬菌体DNA进入寄主细胞后，通过两个末端互补结合形成黏性末端位点，使DNA环化，开始复制。 噬菌体整个基因组可分为三个部分左臂：从A到J长约20kb，其中的基因编码构成头部、尾部、尾丝对组装完整噬菌体所需要的结构蛋白质。中段：长约20kb，位于基因J和N之间，是DNA整合和切出，溶原生长所需的序列。右臂：长约10kb，是调控区，控制溶菌和溶原生长最

3、重要的调控基因和序列、以及DNA复制起始均在这区域内。 左右臂包含DNA复制、噬菌体结构蛋白合成、组装成熟噬菌体、溶菌生长所需全部序列；对溶菌生长来说，中段是非必需的。噬菌体的改造2、噬菌体的缺陷与改造 噬菌体的缺陷： 基因组太大（49kb）； 酶切点太多，它有5个BamH1位点（GGATCC），6个Bg位点（AGATCT），5个EcoR位点（GAATTC）。 野生型只能接纳一定长度的DNA。接纳49kb5%=2.45kb的DNA。 噬菌体的改造 切去非必须区段，在切去的同时，加载目的基因（2.5kb或更大）； 去处太多的酶位点，每种酶只留1-2个切口； 增加标记基因（remarker gen

4、e）。 （1）插入型载体： 噬菌体载体相对于质粒载体来说，克隆片段较大，所以一般用于cDNA文库或基因组文库的构建，一般容许插入 5-7kb外来DNA。cI基因插入失活： 如gt10、NM1149等载体，在cI基因上有EcoRI及Hind III的酶切位点。外源基因插入后将导致cI基因的失活。cI基因失活后将导致噬菌体不能溶原化，产生清晰的噬菌斑。LacZ基因插入失活： 如charon16A载体，在非必须区段引入lacZ基因，在lacZ基因上有EcoRI位点，插入失活后利用X-gal法筛选（兰白筛选）。 cIEcoR I LA 32.7RA10.6 gt 10 lac ZLA 19.9RA21

5、.9EcoR I Charon 16A 是重组子筛选的一种方法： 是根据载体的遗传特征筛选重组子，如-互补、抗生素基因等。现在使用的许多载体都带有一个大肠杆菌的DNA的短区段，其中有-半乳糖苷酶基因（lacZ）的调控序列和前146个氨基酸的编码信息。在这个编码区中插入了一个多克隆位点（MCS），它并不破坏读框，但可使少数几个氨基酸插入到-半乳糖苷酶的氨基端而不影响功能，这种载体适用于可编码-半乳糖苷酶C端部分序列的宿主细胞。因此，宿主和质粒编码的片段虽都没有酶活性，但它们同时存在时，可形成具有酶学活性的蛋白质。这样，lacZ基因在缺少近操纵基因区段的宿主细胞与带有完整近操纵基因区段的质粒之间实

6、现了互补，称为-互补。由-互补而产生的LacZ+细菌在诱导剂IPTG的作用下，在生色底物X-Gal存在时产生蓝色菌落，因而易于识别。然而，当外源DNA插入到质粒的多克隆位点后，几乎不可避免地导致无-互补能力的氨基端片段，使得带有重组质粒的细菌形成白色菌落。这种重组子的筛选，又称为蓝白斑筛选。（2）替换型载体：只有DNA的长度大于野生型的75%而不超过105%，才能包装成噬菌体。插入外源基因20kb。没有外源基因插入的噬菌体不能包装。（3）cos质粒：如果将左右臂和中段都去除，仅留下DNA两端包装噬菌体所必需的cos序列，再加上质粒的复制序列、标志基因、多克隆位点等，就可构成cos质粒或称为粘粒

7、的载体。粘粒可插入45kb长的外源DNA，然后用噬菌体外壳蛋白包装成噬菌体，感染大肠杆菌后，粘粒的DNA能以质粒的形式在细菌中繁殖而被克隆。所以粘粒主要用于DNA文库的构建。2、丝状噬菌体大肠杆菌的M13噬菌体为单链环状DNAM13噬菌体的生物学特性： M13噬菌体的外型呈丝状，由外壳包装蛋白和正链DNA组成。DNA全长6407个核苷酸，基因组 90% 以上的序列可编码蛋白质， DNA上有11个基因，基因之间的间隔区多为几个碱基。较大的间隔位于基因 和基因 以及基因 和基因 之间，其间有调节基因表达和 DNA 合成的元件。成熟的噬菌体只感染雄性大肠杆菌， M13噬菌体不裂解宿主细胞，但抑制其生

8、长。 2700个外壳蛋白分子 M13 噬菌体基因组可编码 3 类蛋白质:复制蛋白(基因 ， 和 )形态发生蛋白(基因， 和 )结构蛋白(基因 、 和 )。 基因组 DNA 为正链，按基因 至基因 方向合成，与噬菌体的 mRNA 序列同义。 大肠杆菌的M13单链噬菌体DNAM13 DNA载体的构建：III VI I IV II X V VII IX VIII野生型M13RF-DNAIII VI I IV II X V VII IX VIIIM13mp系列载体lacZpolylinker大肠杆菌的M13单链噬菌体DNAM13噬菌体的生物学特性： 感染周期+ DNA（+）DNARFDNARFDNAR

9、FDNA+ DNAIIV 复制滚环复制+ DNA 复制 在宿主细胞内，感染性的单链噬菌体 DNA （正链）在宿主酶的作用下转变成环状双链 DNA ，用于 DNA 的复制，因此这种双链 DNA 称为复制型 DNA （replicative form DNA） ，即 RFDNA 。 通过复制方式， RFDNA进行扩增，基因的转录也随即开始。基因组中的任意一个启动子都可以启动基因的转录，单方向地终止于下游的终止子。启动子和终止子的位置关系使得靠近终止子的基因转录更频繁。 当基因 蛋白在亲代 RF DNA 的正链特定位点上产生一个切口时，便启动噬菌体基因组进行滚环复制。此时，在大肠杆菌的 DNA 聚合

10、酶 的作用下，以负链为模板在切口的 3 末端加入核苷酸，并持续 DNA 的合成，用新合成的 DNA 替换原有的正链。当复制叉环绕模板整整一周时，被取代的正链由基因 产物切去，经环化后形成单位长度的噬菌体基因组 DNA 。在感染开始的 1520 分钟内，这些子代正链在宿主细胞酶的作用下，又转变成 RF DNA ，然后以之为模板继续转录并继续合成子代正链 DNA 。 当感染细胞内累计有 100-200 个 RF DNA 时，细胞内也产生了足够的单链 DNA 结合蛋白，即基因 蛋白。该蛋白可以抑制翻译活性，特别是抑制基因 mRNA 的翻译，并且强烈地结合在新合成的正链 DNA 上，阻止其转化成 RF

11、 DNA 。此时， DNA 的合成几乎只产生子代正链 DNA 。另外，基因 蛋白和基因 蛋白也是噬菌体特异 DNA 合成的强力抑制子，从而限制感染细胞内 RF DNA 的数量。结果，感染细胞内 RF DNA 的数目和子代正链 DNA 的产生速率都能保持适度。单链 DNA 的酶切和连接是比较困难的，因此 M13 噬菌体在用作载体时是利用其双链状态的 RF DNA。RF DNA 很容易从感染细胞中纯化出来，可以象质粒一样进行操作，并可通过转化方法再次导入细胞。成熟的噬菌体颗粒仅能感染E.coli的F+细胞，这是因为这种噬菌体的感染位点在性散毛上。但是无论是RFDNA或ssDNA都能转染E.coli

12、的F+或F-细胞。M13噬菌体载体 6.4 kb单链环状正链DNA基因组。作载体的优点： (1) RFDNA和SSDNA都可转染E.coli，产生噬菌斑； (2) 无包装限制问题（可6倍于M13基因组）； (3) 复制以双链环形DNA为中间媒介； (4）易测出外源DNA的插入方向； (5）可产生能直接测序的单链DNA分子。二、典型的杆状病毒表达系统 昆虫杆状病毒表达载体系统（bculovrirus expression vector system，BEVS）于20世纪 80年代初期问世，已被公认为当今基因工程四大表达系统（即杆状病毒、大肠杆菌、酵母、哺乳动物细胞表达系统）之一，应用最广的是苜蓿

13、丫纹夜蛾核型多角体病毒(AcMNPV)与S9细胞系。 AcMNPV是有囊膜的闭合环状dsDNA病毒，的基因表达分为4个阶段：立即早期基因表达、早期基因表达、晚期基因表达和极晚期基因表达。 其中在极晚期基因表达过程中，有两种高效表达的蛋白，它们是多角体蛋白和P10蛋白。多角体蛋白是形成包涵体的主要成分，感染后期在细胞中的积累可高达30 50，是病毒复制非必需成分，但对病毒粒子却有保护作用，可使之保持稳定和感染能力。另一类高效表达的极晚期蛋白为P10蛋白，也是一类病毒复制非必需成分，可在细胞中形成纤维状物质，可能与细胞溶解有关。多角体基因和 P10基因现在都已被定位和克隆，这两个基因的启动子具有较

14、强的启动能力，因此这两个基因位点成为杆状病毒表达载体系统理想的外源基因插入位点。 AcNPV病毒用作外源基因的表达载体，通常是通过体内同源重组的方法，用外源基因替代多角体蛋白基因而构建重组病毒。BEVS通常由转移载体、亲本病毒和重组介质三部分组成，其技术路线分以下几步： 先将外源片段克隆到转移载体质粒中，置于杆状病毒启动子控制之下，上下游各有一段与亲本病毒DNA相匹配的侧翼序列，构建成转移载体； 然后把转移载体和野生型病毒共转染昆虫细胞，通过同源重组将外源片段插入到病毒基因组； 再以特定的筛选标记和方法获得重组病毒。同源重组 发生在同源序列间的重组称为同源重组(homologous recom

15、bination)，又称基本重组。是最基本的DNA重组方式，通过链的断裂和再连接，在两个DNA分子同源序列间进行单链或双链片段的交换。杆状病毒表达体系的优点：杆状病毒表达体系具有与高等真核细胞类似的蛋白修饰，加工和转运体系，其表达的外源基因产物在抗原性、免疫原性和功能上均与天然蛋白相似。构建杆状病毒载体的主要基因为多角体基因ph和p10，为病毒复制非必须基因。多角体基因ph和p10有非常强大的启动子，可使目的基因大量表达，可达细胞总蛋白量的25%。杆状病毒基因组较大（130Kb），适合克隆大片段外原基因，还可以同时表达几个基因。杆状病毒不感染脊椎动物，比较安全。三、动物病毒载体1、SV40（猴

16、病毒40）病毒作为载体（1）SV40基因组（多瘤病毒科）其基因组为共价闭合环状双链DNA，只有5243个碱基对。是第一个完成基因组DNA全序列分析的动物病毒。（2）SV40的复制和增殖SV40感染敏感的猿猴细胞后，经过8-12小时的潜伏期，脱去外 壳，DNA进入细胞核。首先启动早期转录，在细胞质中翻译产生T和t抗原。当两种抗原积累到足够量时，DNA开始复制，同时启动晚期转录，翻译产生壳蛋白VP1、VP2、VP3 ，将DNA包装成病毒颗粒。当细胞内病毒颗粒多达105时，细胞破裂，释放出大量病毒颗粒。 SV40病毒基因组早期基因编码两种肿瘤抗原(tumor antigen，T抗原)，其分子量分别为

17、94000(大T抗原)和17000(小T抗原)。 T抗原有以下的作用:通过抑制宿主细胞Rb和p53基因，促使细胞分裂；阻止细胞凋亡；结合在SV40的复制起点，起始病毒复制；关闭病毒早期转录；启动病毒晚期转录；在病毒组装中起作用；小T抗原对于细胞的转化不是必需的，但可起加强作用。 SV40 DNA中的非必须区很小，故在向SV40插入外源基因时，须除去某些区段，同时采取相应补救措施。 早期基因被置换时，不能合成T抗原，一般采用cos细胞来解决。Cos细胞是已经被SV40 DNA转化了的猴传代细胞，其染色体内的SV40 DNA可编码T抗原，但没有复制起点，病毒不能复制。将重组DNA导入cos细胞，可

18、形成含有重组DNA的病毒颗粒。（3）构建SV40克隆载体的基本策略和途径 晚期基因被置换，则不能合成衣壳蛋白，形成缺损性病毒。需要另一个SV40的温度敏感变异株作为辅助病毒，两者同时感染相容性细胞，形成含外源基因的重组病毒颗粒。一般来说，在相容性细胞中，病毒晚期基因启动子的转录水平高于早期启动子。（4）SV40作为克隆载体有其局限性：病毒最终裂解细胞，不利于基因表达；早期功能区与病毒的致癌性有关，使用时有顾虑； 重组DNA片段的大小受体限制。包装严格，不能包装大于SV40-DNA的分子。 第二节：病毒基因工程应用举例 一、噬菌体展示 噬菌体展示技术（phagedisplaytechniques

19、，PDT）是以改造的噬菌体为载体，把待选基因片段定向插入噬菌体外壳蛋白质区，使外源多肽或蛋白质表达并展示于噬菌体表面，进而通过亲和富集法筛选表达有特异肽或蛋白质的噬菌体，最终获得具有特异结合性质的多肽/蛋白质，并实现基因克隆化的一种重要的分子生物学技术。 1985年，Smith G P第一次将外源基因插入丝状噬菌体f1的基因，使目的基因编码的多肽以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，从而创建了噬菌体展示技术。 该技术的主要特点： 1、将特定分子的基因型和表型统一在同一病毒颗粒内，即在噬菌体表面展示特定蛋白质，而在噬菌体核心DNA中则含有该蛋白的结构基因。 2、这项技术把基因表达产物与亲和筛选结合起

20、来，可以利用适当的靶蛋白将目的蛋白或多肽挑选出来。1、噬菌体展示技术的原理融合蛋白PIII基因型表达型以改造的噬菌体为载体，cDNA基因片段定向插入噬菌体外壳蛋白基因区，使外源蛋白表达并展示于噬菌体表面，通过亲和富集法筛选表达有特异蛋白质的噬菌体。 2、 噬菌体展示系统 单链丝状噬菌体展示系统 P展示系统。 丝状噬菌体是单链DNA病毒，P是病毒的次要外壳蛋白，位于病毒颗粒的尾端，是噬菌体感染大肠埃希菌所必须的。每个病毒颗粒都有3个5个拷贝P蛋白，其在结构上可分为N1、N2和CT 3个功能区域，这3个功能区域由两段富含甘氨酸的连接肽G1和G2连接。 Sg N1 G1 N2 G2 CT 其中，N1

21、和N2与噬菌体吸附大肠埃希菌菌毛及穿透细胞膜有关，而CT构成噬菌体外壳蛋白结构的一部分，并将整个P蛋白的C端结构域锚定于噬菌体的一端。 P有2个位点可供外源序列插入，当外源的多肽或蛋白质融合于P蛋白的信号肽(Sg)和N1之间时，该系统保留了完整的P蛋白，噬菌体仍有感染性；但若外源多肽或蛋白直接与P蛋白的CT结构域相连，则噬菌体丧失感染性，这时重组噬菌体的感染性由辅助噬菌体表达的完整P蛋白来提供。P蛋白很容易被蛋白水解酶水解，所以有辅助噬菌体超感染（共同感染）时，可以使每个噬菌体平均展示不到一个融合蛋白，即所谓“单价”噬菌体。 PIII展示系统的主要用途是制备噬茵体抗体单链抗体，它的突出优点是模

22、拟了自然免疫选择系统。 用P III系统制备抗体的基本程序是：从经免疫或未免疫者获取淋巴细胞(外周血淋巴细胞，或脾、淋巴结、骨髓等的淋巴细肥)，提取细胞mRNA(或细胞基因组DNA)，逆转录成cDNA，用PCR方法扩增抗体重链和轻链基因。VHVLCLCH1CH2CH3Hinge(Fab)2FabFcAntibody IgG structureVHVLCLCH1CH2CH3Antibody IgG structureVHVLCLCH1CH2CH3FvFvVHVLscFvVHVLSingle Chain Fragment variable总mRNA反转录cDNAPCRVHVLlinkerPCRVH

23、LinkerVL接入噬菌体 若欲制备ScFv抗体，则克隆VHLinkerVL基因，若制备Fab抗体，则可将VHCH1基因克隆入菌体载体。P III展示系统的载体，在抗体基因与P III蛋白之间插入了一个琥珀中止密码(amber stop codon)，当此密码受抑制时抗体片段就展示在噬菌体表面，当此密码不受抑制时抗体则分泌。因此在抑制型和非抑制型大肠杆菌中培养重组噬菌体时就分别模拟了B细胞表面呈现抗体SmIg和浆细胞分泌抗体的功能。已有用P III展示系统成功地筛选到高亲和力特异性抗体的报道。Ab1Ab3Ab4单克隆抗体抗原Ab1抗血清Ab1Ab2Ab3Ab4Ab2Ab3Ab4普通抗血清（多克隆抗体）脾B细胞骨髓瘤小鼠取