转基因植物口服疫苗的研究进展

转基因植物口服疫苗的研究进展

摘要】疫苗是目前预防和控制疾病的有效方法。转基因植物口服疫苗是现代疫

苗研究的热点，具有十分广阔的应用前景。该文综述了转基因植物疫苗的优点﹑

作用原理﹑生产方法﹑进入临床试验的转基因植物疫苗、存在的问题及解决方法等，并展望了其未来的发展。

【关键词】转基因植物疫苗口服疫苗研究进展

疫苗可以有效地控制人类和动物疾病的传播。传统疫苗（灭活或减毒的病原

微生物）由于生产成本高，接种方式复杂，安全性等问题很难在一些发展中国家

推广使用。随着分子生物学技术的发展，出现了各种基因工程亚单位疫苗﹑活载

体疫苗和核酸疫苗。其中，转基因植物基因工程疫苗由于具有可食用、生产简便、成本低廉、安全性好等优点展示了诱人的发展前景。自1990年第一例转基因植

物疫苗出现以来[1]，很多植物疫苗相继问世。现在已有部分转基因植物口服疫苗

进入临床试验阶段，结果表明对病毒性和细菌性疾病具有高度的免疫保护性。

1. 转基因植物疫苗的优点

与传统疫苗相比，转基因植物疫苗具有突出的优点：①生产成本低，易于大

规模生产。植物是自养生物，不需要复杂的生产设备和设施，只要有土地就可以

大规模栽培，是经济有效的疫苗生产系统。②安全性好。转基因植物只表达抗原基因，无致病性。常规疫苗在大规模细胞培养过程中易发生其他微生物如病毒、

细菌的污染，而转基因植物疫苗不存在这一问题。经口服疫苗接种，不需要注射

器和针头等设备，避免了因不洁注射传播艾滋病、乙型肝炎等疾病的可能。③有效。植物具有完整的真核细胞表达系统，能进行有效的翻译后加工，如糖基化、

酰胺化、磷酸化、亚基正确装配等。其表达产物具有与高等动物细胞表达产物相

似的生物学活性，包持了自然状态下的免疫原性，而目前医药生产常用的微生物

发酵系统不能对真核蛋白质疫苗进行正确的翻译后加工，往往导致其免疫原性变弱。植物细胞壁起到天然的生物胶囊作用，可以抵抗胃酸和消化酶对抗原蛋白的

消化，使其直接到达肠内黏膜诱导部位，在小肠中逐渐释放抗原，利于激起较强

的黏膜免疫反应。④易于保存。转基因植物疫苗常温下就可以保存，无需冷藏，有利于抗原蛋白的生产和运输。⑤使用方便。可直接食用，无需注射器，避免了繁琐的免疫程序，易为人们接受；可大规模给药，随时给药和长期给药。

2．作用原理

转基因植物疫苗是指用植物基因工程技术与机体免疫机理相结合，生产出的

能使机体获得特异抗病能力的疫苗。人和动物的消化道具有独立的黏膜免疫系统，植物抗原在到达小肠后缓慢释放，引起消化道的黏膜免疫反应。一种特别的膜细

胞（M细胞，又称微皱褶细胞，microfold cells）位于小肠淋巴组织的黏膜上，它

可以将识别的抗原转运到下层滤泡组织中的抗原递呈细胞（APC），APC再将抗

原展示给辅助性T细胞。辅助性T细胞刺激B细胞产生能中和抗原的抗体，包括

分泌性IgA(sIgA)和血清IgG；并可刺激细胞毒T细胞攻击受感染的细胞。转基因

植物口服疫苗通过共同黏膜免疫系统在病原体和宿主相互作用的起始部位直接诱

发免疫反应，从而大大提高其免疫有效性[2]。

3．制作流程

转基因植物的生产流程主要包括以下几个方面：①克隆特异性抗原的编码基因；②将目的基因插入植物表达载体上或植物病毒载体上；③利用各种转基因

方法，将目的基因导入植物；④外源基因表达水平的检测和免疫原性的测定；

⑤疫苗安全性评价。

3.1 目标抗原的选择转基因植物疫苗生产的是亚单位疫苗，该种疫苗含有病

原体的一种或几种抗原。在制备疫苗时，首先要明确编码具有免疫活性的特定抗

原的DNA，一般选择病原体表面糖蛋白编码基因，而对于易变异的病原体则可选

择各亚型共有的核心蛋白的抗原基因序列。

3.2 受体植物的选择选择合适的受体植物对于转基因植物口服疫苗非常重要。受体植物要具备易于遗传操作、基因序列已知、再生容易、种植区域广泛、易于

储存等特点。在选择受体植物时要根据各种植物的优缺点，所表达的疫苗的类型

以及免疫对象来选择合适的受体植物。目前已有多种外源蛋白在植物的叶子、块茎、种子、果实中成功表达。最初的转基因植物多为烟草和马铃薯。烟草因容易

再生，转基因技术成熟成为生产重组蛋白的模式植物，第一个转基因疫苗就是在

烟草中表达的[1]。但烟草不能直接食用，所含的尼古丁等生物碱限制了它的应用。马铃薯不能生吃，煮熟会使疫苗蛋白变性失活，不适合生产用于人类的疫苗。随

着转基因技术的日趋成熟，能够利用的转基因植物种类越来越多。蔬菜和水果具

有可口、营养丰富及可鲜食等特点，是较好的转基因疫苗受体植物，常用于表达

转基因疫苗的蔬菜和水果有莴苣、菠菜、番茄，胡萝卜、苹果、樱桃、香蕉、番

木瓜等。莴苣生长快，可以直接食用，不易腐烂，是较好的转基因疫苗受体植物。在谷物类植物的胚乳中含有大量的可溶性蛋白，可以使疫苗蛋白高水平表达。谷

物能进行热处理[3]，具有较低的过敏原性，适宜儿童食用; 而且谷物易于运输、

储存、室温下稳定，因此也是一种理想的疫苗表达受体。目前玉米和水稻都具备

了相当成熟的转化体系[4,5]。

3.3 转基因植物疫苗的表达系统目前生产转基因植物疫苗可采用两种不同的

表达系统：稳定表达系统和瞬时表达系统。

3.3.1 稳定表达系统稳定转化包括将外源目的基因整合到转基因植物的核基

因组或叶绿体基因组中。

3.3.1.1 核表达系统通过根癌农杆菌介导或基因枪法，将外源基因插入植物细

胞核基因组中。核表达系统的优点在于①抗原蛋白的表达能稳定传递给后代，比较容易获得大量转基因植株；②通过有性杂交的方法，可以获得多价复合疫苗；

③转基因植株表达的抗原可不经纯化直接口服，大大降低了生产成本。

3.3.1.2 叶绿体表达系统利用基因枪法将外源基因打入叶绿体中，外源基因在

叶绿体中整合。叶绿体的基因拷贝数多，每个植物细胞富含多个叶绿体，利于外

源基因的高水平表达，用叶绿体表达的外源蛋白可以高达植物叶片总可溶蛋白（total soluble protein, TSP）的46%[6]。另外，叶绿体基因组是严格的母系遗传，

可避免外源基因在植物传粉过程中发生基因漂移，生物安全性比较高，而且不会

出现基因沉默问题。

3.3.2 瞬时表达系统通过整合外源基因的重组病毒感染植物，外源基因随病

毒在植物中复制，装配而得以高效表达。然而外源基因不整合到植物基因组，只

在感染的细胞内瞬时表达，因此每株植物都要接种病毒，增加了工作量。插入外

源基因的容量也有限，当大于25个氨基酸时不能正确组装进入病毒衣壳蛋白，

影响病毒装配和侵染能力[7]。最常用的2种宿主：病毒表达系统是烟草和烟草花

叶病毒（TMV）及豇豆和豇豆花叶病毒（CPMV）[8]。

4. 进入临床试验的转基因植物疫苗

目前，已有多种口服疫苗抗原在转基因植物中成功表达，且在动物和人体试

验中获得了满意结果，其中已报道了7次转基因植物口服疫苗的人类临床试验。