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      應(yīng)用RNAi技術(shù)防控豬病毒病研究進(jìn)展

      2012-03-30 14:06:06呂素芳郭廣君王金良謝金文董炳梅沈志強(qiáng)
      動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展 2012年10期
      關(guān)鍵詞:抗病毒基因組質(zhì)粒

      呂素芳,郭廣君,王金良,謝金文,董炳梅,沈志強(qiáng),*

      (1.山東省濱州畜牧獸醫(yī)研究院,山東濱州 256600;2.山東綠都生物科技有限公司,山東濱州 256600)

      RNA干擾(RNA interference,RNAi)是指細(xì)胞利用外源性或者內(nèi)源性的雙鏈小干擾RNA(small interference RNA,siRNA)激發(fā)相關(guān)的酶復(fù)合物對同源性mRNA進(jìn)行切割、降解,從而在轉(zhuǎn)錄后水平阻斷基因的表達(dá),達(dá)到同源基因的減效表達(dá)或不表達(dá)。RNAi可看成是一種與免疫系統(tǒng)類似的防御機(jī)制,利用RNAi技術(shù)進(jìn)行病毒感染的干擾試驗已在植物及低等生物中取得滿意的結(jié)果,但在動物體內(nèi)的試驗才剛剛起步。本文對RNAi的原理、豬病方面的研究現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)。

      1 RNAi的原理

      1.1 RNAi的發(fā)現(xiàn)

      RNAi最早是在1990年由Jorgonson R等人在矮牽?;ǖ难芯恐邪l(fā)現(xiàn)的。1995年康奈爾大學(xué)Guo S博士在線蟲Par-l基因研究中意外地發(fā)現(xiàn),給線蟲體外注射正義RNA不但不增加該基因的表達(dá),反而使該基因表達(dá)受到阻斷。隨后Fire A等解釋了此現(xiàn)象,認(rèn)為這種特定基因表達(dá)受抑制的現(xiàn)象是由于污染了微量dsRNA所引起的,正是這些dsRNA引起了基因沉默,并稱此現(xiàn)象為RNA干擾(RNAi)。

      1.2 RNAi的分子機(jī)理

      RNA干擾包括起始階段和效應(yīng)階段。在起始階段,dsRNA被Dicer酶切割為21bp~23bp長的小分子干擾RNA片段(small interfering RNA,siRNAs),每個片段的3′端都有2個堿基突出。在動物細(xì)胞中,dsRNA可以通過轉(zhuǎn)染、顯微注射直接導(dǎo)入或者導(dǎo)入能表達(dá)dsRNA的表達(dá)載體[1]。細(xì)胞基因組中反向重復(fù)的DNA序列可轉(zhuǎn)錄生成dSRNA;細(xì)胞感染病毒后,病毒RNA復(fù)制過程中間體也能形成dsRNA。Dicer酶是RNaseH家族的一員,由一個解旋酶結(jié)構(gòu)域、兩個RNaseⅢ結(jié)構(gòu)域、一個dsRNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和一個PAZ結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。Dicer切割產(chǎn)生siRNA的過程需要dsRNA結(jié)合蛋白 TRBP(trans-activating region-binding protein)和PACT(protected areas conservation trust)等蛋白分子形成蛋白復(fù)合體,并需ATP供能。有一部分siRNA進(jìn)入合成、切割循環(huán)得到進(jìn)一步放大,從而引發(fā)強(qiáng)烈的基因沉默效應(yīng)。

      RNAi效應(yīng)階段發(fā)生的關(guān)鍵,是siRNA雙鏈結(jié)合一個核酶復(fù)合物從而形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物(RNA-induced silencing complex,RISC),包含一個siRNA和一個不同于Dicer的RNA酶,RISC具有切割同源的靶mRNA的核酸酶活性,在距離siRNA3′端12個堿基的位置切割mRNA,產(chǎn)生基因沉默效應(yīng)。

      在抗病毒感染領(lǐng)域,RNAi技術(shù)可以防止病毒入侵、抑制病毒復(fù)制、減少病毒RNA數(shù)量、阻斷病毒蛋白的表達(dá),在各種疾病的基因治療研究中,發(fā)揮出了巨大的潛力和獨特的效果。目前,RNAi技術(shù)已經(jīng)用于許多人的病毒性疾病的研究中,如人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)、乙型肝炎病毒(Hepatitis B virus,HBV)、丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus,HCV)、流感病毒等[2-5]。RNAi技術(shù)在豬病中的應(yīng)用研究也較多,其中2008年以前的研究進(jìn)展筆者曾總結(jié)過[6],本文主要對近4年的最新研究進(jìn)行綜述,現(xiàn)分別介紹如下。

      2 RNAi技術(shù)抑制病毒的研究

      傳統(tǒng)的豬病防控技術(shù)近年來取得巨大進(jìn)展,可是人們?nèi)匀幌M剿餍碌姆揽胤椒?。RNAi技術(shù)可以防止病毒入侵、抑制病毒復(fù)制、減少病毒RNA數(shù)量、阻斷病毒蛋白的表達(dá),在抗病毒感染領(lǐng)域,具有較大的潛力。RNA干擾對正鏈RNA病毒更為有效,因為正鏈RNA病毒的基因組是mRNA,可作為病毒復(fù)制的模板。豬瘟病毒(Classical swine fever virus,CSFV)、豬繁殖與呼吸綜合征病毒(Porcine reproductive and respiratory syndrome virus,PRRSV)、豬傳染性胃腸炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus,TGEV)基因組均為單股正鏈RNA,存在大量的siRNA潛在靶位點,是應(yīng)用RNAi防控的理想對象。

      2.1 豬瘟病毒

      豬瘟(CSF)是由豬瘟病毒(CSFV)引起的是一種高度傳染性和致死性傳染病,不同品種和年齡豬都易感,給養(yǎng)豬業(yè)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前尚無有效藥物可以治療該病的感染,RNAi技術(shù)有希望成為根除該病的方法之一。CSFV基因組是單股正鏈RNA,大小約12.3kb,基因組分為5'UTR、開放閱讀框(ORF)和3'UTR三部分。其中ORF編碼的多聚蛋白,經(jīng)裂解形成4個結(jié)構(gòu)蛋白(C、E0、E1、E2)和 多 個 非 結(jié) 構(gòu) 蛋 白 (Npro、P7、NS2、NS3、NS4A、NS4B、NS5A、NS5B)。針對CSFV的RNAi研究,近幾年主要集中在 NS3、Npro、NS5B、NS4A、NS2、C等基因。

      王鐵東等[7]根據(jù)CSFV石門株Npro基因,構(gòu)建shRNA逆轉(zhuǎn)錄病毒表達(dá)載體,轉(zhuǎn)導(dǎo)豬胚胎成纖維細(xì)胞,篩選獲得7個穩(wěn)定整合shRNA表達(dá)構(gòu)件的細(xì)胞株。通過間接免疫熒光及子代病毒滴度檢測,結(jié)果有3個細(xì)胞株上CSFV的增殖顯著降低,表明所構(gòu)建的shRNA逆轉(zhuǎn)錄病毒整合細(xì)胞基因組后轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的siRNA可以有效抑制病毒復(fù)制。李江南[8]針對CSFV Npro、NS2、NS3基因設(shè)計了6個干擾靶位點,轉(zhuǎn)染PK-15細(xì)胞,通過間接免疫熒光、熒光定量PCR、病毒感染滴度測定等方法進(jìn)行檢測,結(jié)果針對NS3基因的3個靶點能有效抑制CSFV復(fù)制和增殖,抑制率達(dá)85%以上。Xu X R等[9]針對CSFV的Npro和NS5B基因設(shè)計3組siRNAs,轉(zhuǎn)染PK-15細(xì)胞后進(jìn)行病毒感染,72h后進(jìn)行間接免疫熒光檢測,結(jié)果僅少數(shù)實驗組細(xì)胞中能檢測到病毒抗原,而對照組細(xì)胞大多呈陽性。通過實時熒光定量RT-PCR檢測,siRNAs組細(xì)胞中病毒基因組拷貝數(shù)量減少4倍~12倍,病毒的TCID50降低467倍。結(jié)果表明,3個siRNAs能有效抑制病毒基因組復(fù)制和病毒感染,可抑制72h~84h。Li J等[10]針對CSFV的Npro和NS4A基因構(gòu)建3個siRNA載體,轉(zhuǎn)染PK-15細(xì)胞后篩選了穩(wěn)定表達(dá)siRNA的細(xì)胞克隆。經(jīng)感染病毒72h后檢測,病毒基因組復(fù)制降低186倍。間接免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)只有很少的細(xì)胞發(fā)生感染,抑制可持續(xù)至120h。表明RNAi技術(shù)可用于CSFV特定基因功能研究及潛在的治療方法。Li J等[11]繼續(xù)針對CSFV的NS3基因設(shè)計3個siRNAs、針對Npro基因設(shè)計2個siRNAs、針對NS5B設(shè)計1個siRNAs,使用相同或4個不同的啟動子分別構(gòu)建單一的、雙重的、四重的siRNA表達(dá)載體。結(jié)果均能有效抑制病毒的復(fù)制,且針對不同基因的siRNAs共同使用時抑制效果最強(qiáng),為抗CSFV的轉(zhuǎn)基因豬研究提供了基礎(chǔ)。Porntrakulpipat S等[12]根據(jù)CSFV Alfort株的核衣殼蛋白C序列設(shè)計siRNA,轉(zhuǎn)染SK-6細(xì)胞后進(jìn)行病毒感染試驗。結(jié)果0.75μg siRNA即能明顯抑制3.5 log10TCID50/mL劑量的病毒感染。

      2.2 豬繁殖與呼吸綜合征病毒

      豬繁殖與呼吸綜合征(PRRS)是由豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV引起的)一種高度傳染性疾病。由于PRRSV嗜巨噬細(xì)胞性、遺傳變異較快、免疫機(jī)制還不十分明確等特征,臨床上常引起免疫應(yīng)答較差、持續(xù)感染性及混合感染,給養(yǎng)豬業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前對該病尚無特異有效的治療藥物。PRRSV基因組大小15kb,由8個開放閱讀框(ORF)組 成,即 ORF1a,ORF1b,ORF2-ORF7。ORF1a和ORF1b被認(rèn)為是編碼復(fù)制和轉(zhuǎn)錄必不可少的酶,ORF2-7編碼6個結(jié)構(gòu)蛋白,即GP2,GP3,GP4,E,M,N。PRRSV RNAi研究較多的是ORF1b、ORF5、ORF6、ORF1a及 ORF7等。

      Li G 等[13-14]構(gòu) 建 了 4 個 攜 帶 S1 株 ORF1b、ORF5、ORF7基因的重組腺病毒介導(dǎo)的shRNAs表達(dá)載體。在Marc-145細(xì)胞內(nèi)能有效降低特異基因的表達(dá)水平、抑制病毒復(fù)制,在豬肺泡巨噬細(xì)胞內(nèi)也可有效抑制病毒復(fù)制,持續(xù)長達(dá)96h。其中針對ORF1b構(gòu)建的載體rAd-P2,在 Marc-145細(xì)胞內(nèi)能抵抗強(qiáng)毒SY0608株的感染。對26周齡豬肌肉注射針對ORF1b的shRNAs表達(dá)載體,24h后進(jìn)行SY0608株攻毒。結(jié)果rAd-P2組豬血清和肺臟中的病毒含量很少,其臨床病理癥狀也比陰性對照組溫和,抑制作用明顯。結(jié)果表明,構(gòu)建的腺病毒介導(dǎo)shRNAs表達(dá)載體可體內(nèi)體外有效抑制PRRSV的感染,為控制該病的感染提供了新的方法。Bao Y等[15]構(gòu)建了20個針對強(qiáng)毒JXwn06株 ORF1b、ORF5、ORF6、ORF 7基因的siRNAs,篩選出了4個最有效。同時構(gòu)建4個靶向ORF1b和ORF6的shRNA表達(dá)載體,轉(zhuǎn)染Marc-145細(xì)胞后用強(qiáng)毒感染。結(jié)果4個載體均能抑制細(xì)胞CPE的產(chǎn)生,與對照細(xì)胞比,病毒滴度降低了1.7倍~600倍,其中針對ORF1b的2個載體抑制效果最強(qiáng),分別為150、600倍。ORF1和ORF6表達(dá)水平降低,細(xì)胞內(nèi)檢測不到M蛋白。結(jié)果表明,RNAi在細(xì)胞內(nèi)可有效抑制JXwn06強(qiáng)毒株的病毒復(fù)制,為抗PRRSV轉(zhuǎn)基因豬研究奠定基礎(chǔ)。Xiao S等[16]根據(jù)ORF5和ORF6基因序列,構(gòu)建了5個表達(dá)microRNAs的重組質(zhì)粒(amiRNAs),進(jìn)行 MARC-145細(xì)胞內(nèi)試驗,結(jié)果amirGP5-370能顯著抑制病毒增殖,而amir-GP5-370 和 amirM-263 則 效 果 不 明 顯。2 個amirM-263s串聯(lián)的雙重表達(dá)盒與單一的amirM-263相比,對病毒的抑制效果更強(qiáng)。在MARC-145細(xì)胞中,可持續(xù)抑制病毒復(fù)制達(dá)120h。宋德武等[17]根據(jù)JL/07/SW 株 GP5基因,構(gòu)建3個shRNA表達(dá)質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染 Marc-145細(xì)胞6h后接種病毒。通過實時熒光定量RT-PCR、間接免疫熒光、TCID50等檢測,結(jié)果構(gòu)建的質(zhì)粒可高效抑制病毒在細(xì)胞中的復(fù)制。楊閩楠等[18]構(gòu)建了3個靶向N基因的siRNA表達(dá)載體,轉(zhuǎn)染Marc-145細(xì)胞后接毒,結(jié)果可以高效抑制病毒增殖。說明GP5、N基因可能是病毒復(fù)制必需的,為PRRSV基因功能研究、抗病毒研究和轉(zhuǎn)基因動物研究奠定了基礎(chǔ)。Zhou F等[19]構(gòu)建了5個靶向GP5和 M基因的shRNAs,結(jié)果針對ORF6e(261-279nts)的干擾質(zhì)粒具有最高的抑制效率,達(dá)99.09%。同時,建立了重組shRNA質(zhì)粒的Marc-145細(xì)胞系。這些研究揭示RNAi可作為潛在的治療PRRSV的方法,針對GP5和M基因的shRNAs可作為RNA疫苗用于體內(nèi)。

      2.3 豬傳染性胃腸炎病毒

      豬傳染性胃腸炎(TGE)是由豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)引起的一種高度接觸傳染的疾病,對首次感染豬群造成的危害尤為明顯,短期內(nèi)可引起各種年齡的豬發(fā)病,日齡越小,死亡率也愈高。目前對該病的防治以疫苗為主,但是疫苗手段不能徹底控制本病的發(fā)生。TGEV基因組為不分段的單股正鏈RNA,全長約28.5kb,其中5′端近20kb為基因1,編碼病毒的聚合酶(RNA依賴的RNA聚合酶,RdRp),在病毒的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中起著重要的作用。

      周俊芳等[20-21]靶向聚合酶序列構(gòu)建2個shRNA表達(dá)載體,ST細(xì)胞增殖試驗表明,2個shRNAs質(zhì)??捎行б种撇《緩?fù)制,保護(hù)ST細(xì)胞免受病毒破壞,定量RT-PCR結(jié)果顯示干擾質(zhì)??娠@著減少培養(yǎng)物中病毒RNA的量,體外抑制效率達(dá)95%以上。對25d的SPF小型豬體內(nèi)注射shRNA表達(dá)質(zhì)粒,然后用TGEV感染。通過臨床癥狀、組織病理學(xué)、間接免疫熒光、RT-PCR等檢測,結(jié)果干擾組豬不同器官內(nèi)的病毒含量均顯著減少,能保護(hù)小型豬抵抗病毒的感染。表明特異的shRNAs可作為一種新的抗TGEV藥物用于將來的研究。

      2.4 豬圓環(huán)病毒2型

      豬圓環(huán)病毒2型(Porcine circovirus 2,PCV-2)屬于圓環(huán)病毒科,具致病性,與斷奶仔豬多系統(tǒng)衰竭綜合征有關(guān)。PCV-2能造成免疫抑制,繼而易發(fā)其他感染,給養(yǎng)豬業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失,急需尋找新的有效的防治方法。PCV-2基因組為單股、負(fù)鏈、環(huán)狀DNA,長1 767bp或1 768bp,11個ORF幾乎都有部分重疊,其中ORF1編碼復(fù)制酶(Rep),ORF2編碼衣殼蛋白(Cap),前者與病毒基因復(fù)制有關(guān),后者具有良好的免疫原性,是機(jī)體抵抗PCV-2感染的主要免疫原。

      Wang H等[22]根據(jù)rep基因設(shè)計2個siRNAs、根據(jù)cap基因設(shè)計1個siRNA,插入含U6啟動子的pSIREN-RetroQ ZsGreen載體,篩選獲得5個陽性克隆。進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)和小鼠體內(nèi)試驗,通過實時定量PCR和免疫組化檢測,結(jié)果表明構(gòu)建的干擾質(zhì)??娠@著抑制病毒的復(fù)制,細(xì)胞內(nèi)抑制效率達(dá)99%,小鼠體內(nèi)抑制效率為26%~99%。李曼等分別針對rep、cap蛋白基因構(gòu)建特異的siRNA表達(dá)質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染PK-15細(xì)胞后20h感染PCV-2。結(jié)果siRNA在細(xì)胞中對PCV-2增殖具有很強(qiáng)的抑制作用,病毒滴度顯著降低。針對不同位點的siRNA抑制效果不同,抑制時間可持續(xù)至感染后60h[23]。說明RNAi可以為抗PCV-2感染提供一種有效的治療策略。

      3 存在問題與發(fā)展趨勢

      RNAi被發(fā)現(xiàn)以來廣泛應(yīng)用于抗病毒領(lǐng)域,從癌癥、傳染性疾病、遺傳性疾病,到呼吸系統(tǒng)疾病等[24-25]。體內(nèi)外研究顯示,只需很低的劑量就能達(dá)到顯著、特異的效果,有望成為抗病毒治療的有效方法。近年來,一些基于RNAi的抗病毒藥物已進(jìn)入臨床試驗階段,這些病毒包括 HIV-1、HCV、HBV等,均取得很大進(jìn)展。但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn),RNAi的治療并不如人們一開始預(yù)想的那樣順利,病毒在不斷進(jìn)化以逃逸RNAi,人們要想在抗病毒治療的臨床方面取得成功,不得不重新考慮這些問題[25]。病毒可通過多種途徑逃逸RNAi:①病毒靶位點區(qū)域突變。因為利用RNAi的治療周期比較長,這也是篩選具有抵抗力的突變株的過程。突變通常在靶位區(qū)的1個堿基的置換或缺失,靶位點上游的突變也能導(dǎo)致逃逸。應(yīng)盡量避免單個siRNA長時間治療,可多個siRNAs同時使用,防止突變體的產(chǎn)生。②病毒RNA結(jié)構(gòu)改變,使其基因組難以與RISC結(jié)合來抵抗RNAi作用。③病毒編碼抑制因子或病毒蛋白修飾,這些蛋白可干擾RNAi機(jī)制中的特定步驟。不過由于RNAi具有顯著特異的抑制作用,這種影響不是很嚴(yán)重。另外,利用RNAi的治療效果無法預(yù)計,研究表明不是所有的siRNA都能產(chǎn)生同樣的干涉效應(yīng),引起這種差異的原因目前仍不清??傊琑NAi技術(shù)應(yīng)用與抗病毒病的治療還面臨著嚴(yán)峻的考驗。只有解決這一系列的基礎(chǔ)問題,才能使RNAi技術(shù)作為抗病毒的手段更多的用于臨床,有望成為各種病毒性疾病預(yù)防和治療的一個有效途徑。

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      牛參考基因組中發(fā)現(xiàn)被忽視基因
      抗病毒治療可有效降低HCC的發(fā)生及改善患者預(yù)后
      肝博士(2021年1期)2021-03-29 02:32:14
      抗病毒藥今天忘吃了,明天要多吃一片嗎?
      肝博士(2020年4期)2020-09-24 09:21:26
      對抗病毒之歌
      短乳桿菌天然質(zhì)粒分類
      重組質(zhì)粒rAd-EGF構(gòu)建并轉(zhuǎn)染hDPSCs對其增殖的影響
      Survivin-siRNA重組質(zhì)粒對人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SH-SY5Y的作用
      BAG4過表達(dá)重組質(zhì)粒構(gòu)建及轉(zhuǎn)染結(jié)腸癌SW480細(xì)胞的鑒定
      基因組DNA甲基化及組蛋白甲基化
      遺傳(2014年3期)2014-02-28 20:58:49
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