第九章 基因治疗(一)

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翻译所需的剪接识别位点及poly(A)尾等; (2)高效的治疗基因如抑癌基因、自杀基因等: (3)标记基因,用于筛选; (4)其它质粒必要成分,如复制起始区。
反转录病毒用作载体时需进行几步改造: (1)基本原则是用标记基因和外源基因替代
第一节.基因治疗的策略
一.体细胞基因治疗的策略 基因治疗可分为两大类: 生殖细胞基因治疗(germ cell gene therapy) 体细胞基因治疗(somatic cell gene therapy)生殖 细胞基因治疗是将目的基因转入生殖细胞系中。不 仅纠正患者的遗传缺陷,而且患者的生殖细胞也带 有被校正的基因型。对于小鼠等动物,是可以通过 转基因进行生殖细胞系的治疗。
(6) 免疫调节:将抗体、抗原或细胞因子的基因导入患者体内, 改变患者免疫状态,达到预防和治疗疾病的目的。
(7) 药物敏感疗法:应用药物敏感基因转染肿瘤细胞,以提高 其对药物的敏感性。
二、基因治疗的关键步骤基因治疗的关键包括以下 三个方面:
①目的基因的选择; ②靶细胞的选择; ③选择安全而高效的方法和载体系统; 用于基因治疗的基因需满足以下几点; ①在体内仅有少量的表达就可显著改善症状; ②该基因的过度表达不会对机体造成危害;
一般采用配体+多聚赖氨酸(PL+DNA)的 策略,如用脱唾液酸蛋白(asialoglycoprotein,ASGP)作为配体与PL连接可将反义 RNA带到肝中,这是因为肝细胞上有ASGP相 应的受体。
受体介导方法的优点: (1)是无感染能力; (2)可特异性转染靶细胞; (3)理论上不受DNA大小的限制; (4)构建灵活。
不幸的是1999年美国发生了格尔辛基(J. Gelsinger) 基因治疗副反应事件,美国当即下令暂停所有基因治 疗的临床试验。无独有偶,法国也发生了导致患者死 亡的“泡泡男孩(bubble boy) ”事件,法国政府也
立 即终止了该项试验。使基因治疗骤然陷入了困境。
经过多年的沉寂后,随着分子生物学的飞速发展, 细胞重编程等很多新技术的建立,特别是 2007年日 本的山中伸弥等成功地将皮肤细胞诱导成多能干细胞 后,又点燃了人们对基因治疗所寄予的新期盼
通过从有缺陷基因型的患者体中取出某些细胞,将 克隆的野生型基因导入到这些细胞中,再将转基因 的细胞转入患者体内,为患者提供正常的基因功能。
体细胞基因治疗的策略:
(1)原位基因修复(in situ gene correction):将致病基因 的突变位点加以矫正,使致症状得到完全恢复。
(2)基因置换(gene replacement) :用外源野生型基因原位 替换病变细胞内的致病基因,来纠正突变基因的功能, 使细胞内的DNA完全恢复正常状态。
(3)基因激活(gene activation) :有些正常基因不能表达并 非发生了基因突变,而是由于被错误地甲基化或编码区 组蛋白去乙酰化所致;也有的是编码区正常,但调控区 发生了突变,如启动子的突变使基因也无法表达。前者 可以通过去甲基化或乙酰化使基因恢复活性;后者可以 加入正常启动子来激活基因。
(a) 受精卵的注射
(b) 胚系的基因治疗 转基因注入受精卵中
嵌合小鼠
转基因细胞 (c) 体细胞的基因治疗 转基因注入囊胚腔 嵌合性腺
转基因
转基因克隆
体细胞基因治疗这种方法试图通过载体,将目的基 因转入某些患者的体细胞中来纠正异常表型。 目前,目的基因不可能转入身体所有的体细胞内。
遗传病是由于致病基因在一些特定组织中表达的结 果。
缺点: (1)转染效率低; (2)难以用于体内基因治疗; (3)可能有免疫原性; (4)只有短暂表达。
二、基因转移的病毒方法
多数病毒可感染特异的细胞,在细胞内不易降解 RNA病毒能整合到染色体上;其基因表达水平较 高等。目前已被用作载体的病毒有: 反转录病毒、 腺病毒、 腺病毒相关病毒、 单纯性疱疹病毒和 肝炎病毒等。
(三)电穿孔法
真核细胞的电穿孔是将细胞重悬浮于含有一定浓度 的DNA(约0.1 mg/ml)的N-2- 羟乙基哌嗪- N ‘-2-乙 磺酸( HEPES,N-2-hydroxyethylpiperazine-N '-2ethanesulfonate)缓冲盐溶液中。然后将此悬浮细胞DNA放到一个特殊的电穿孔小槽中,小槽设有正、 负电极与电源相连接。
(一)反转录病毒载体
1.反转录病毒(retrovirus) 属于正链RNA病毒,特点是: (1)可感染分裂细胞; (2)可整合到宿主染色体中; (3)表达时间较长。 最广泛使用的又是Moloney鼠白血病病毒 (Mo-MLV)。
反转录病毒基因组大约10kb,含有三个最重 要的基因:gag(编码核心蛋白)、pol(编 码反转录酶)和env(编码病毒外膜蛋白)。 两端存在LTR 用于介导病毒的整合。
1972年T.Friedmann 和R. Roblin在Science 上发表了题为“基因治疗人类的遗传病 (Gene therapy for human geneticdisease)” 的文章。
但鉴于体外重组技术刚刚问世,人们对 “基因治疗”尚感到远不可及,因而未得 到学术界的认可。
直到1989年美国NIH的R.M.Blase和W.F.Anderson提 出的“基因治疗重症联合免疫缺损(SCID)”临床
(四) 直接注射法:
(1)将含有外源DNA的溶液直接注入肌肉 或 甲状腺等可引起邻近的细胞摄入DNA和目的 基因表达的产物。 (2)重组DNA 可贮存于5%~30%的蔗糖溶 液中,也可溶在生理盐水或PBS(磷酸缓冲 液)中以备注射。
(五) 微粒子轰击法:
用高能微粒子轰击,将外源DNA导入培养细 胞或活的哺乳动物组织内,在贴壁细胞、 悬浮细胞、活体组织中均能很好表达。亚 微粒的钨和金能自发吸附DNA。用这种方法 基因可在多种组织中表达。
方 案得到批准,并于1990年,他们用腺苷酸脱氨酶 (ADA)基因治疗了一例ADA基因缺陷导致SCID的4岁 女孩Evans,这是世界上第一例基因治疗临床试验, 2年后Evans血液内T细胞的数量接近正常水平,且 ADA基因表达良好,随之世界各国都掀起了研究基 因治疗的热潮,很多遗传病患者都满怀信心地接受 基因治疗。R.M.Blase和W.F.Anderson也被公认为是 基因治疗的先驱。
(一)磷酸钙共沉淀法
当将氯化钙,DNA和PBS(phosphate-buffered saline)缓慢混合时,即形成磷酸钙微沉淀。如 有培养细胞(须先用氯化钙处理)存在时,DNA磷酸钙沉淀物能附着在细胞膜上,经过内吞作用 而进入细胞中。
(二)脂质体介导转染
将磷脂,胆固醇或其他脂类的乙醚溶液注入60℃ DNA水溶液中。乙醚在60℃ 时气化蒸发,其速度达 到2ml/h时即形成单层或双层的脂质体小泡,其直径 0.2~0.5µm,它将DNA包裹在其中。带有正电荷的脂 质体-DNA复合体很容易和培养基上的细胞融合,使 DNA分子进入细胞内。这种简单的技术由Philip Felgner等建立的。
LTR gag
pol
env LTR
反转录病毒载体的优点是: (1)基因组小并且简单,能稳定地整合到宿主基因
组的随机位点上; (2)能高效地感染宿主细胞,可将遗传信息传递给
大量受体细胞,细胞感染率可达 100%;
(3)侵染范围广,可侵染不同生物和细胞; (4)原病毒较稳定,且拷贝数低; (5)对宿主细胞无毒副作用; (6)可包装10kb外源DNA。
(4) 基因增效(gene augmentation):将目的基因导入病变 细胞或其它细胞,目的基因的表达产物能修饰缺陷细胞的 功能或使原有的某些功能得以加强。
(5) 基因干扰 :也称基因失活,有两种干扰方法: ① 抑制有害基因:导入抑癌基因(TSG)来抑制癌基因的异 常表达,但不能恢复癌基因的正常功能; ② 封闭有害基因:用反义RNA或小分子抑制RNA(siRNA) 来封闭癌基因基因,同样不能恢复癌基因的正常功能,但 可用来抑制病原体的关键基因。
(一) 体外基因治疗 或ex vivo基因治疗:
(1)从患者体内取出带有缺陷基因的细 胞,并培 养;
(2)将带有目的ห้องสมุดไป่ตู้因的载体通过转染或感染转移, 到培养的靶细胞中,进行遗传修正;
(3)对遗传修正的细胞进行选择和培养; (4)处理过的细胞用融合或移植的方法转入患者
体内。
组注射织 DNA脂质体
重组病毒
四、体细胞基因治疗的途径
目前体细胞基因治疗的策略可分为两种: (1)间接体内法,即先体外后体内(ex vivo)的方法 (2)直接体内(in vivo)法。
先体外后体内就是将靶细胞由患者体内取出,于 体外完成基因转移后再回输到患者体内,此种方法 的优点为靶细胞明确、转染效率高;
直接体内是将目的基因插入载体,经修饰后直接 注入患者某特定组织中。此方法转染效率低,但较 前者简便、费用低,对于某些疾病,如重症联合免 疫缺陷病(SCID)的基因治疗效果是较好的。
缺点是: (1)仅整合到处于分裂状态的细胞; (2)一些反转录病毒中存在原癌基因,其会
引起癌变的发生; (3)反转录病毒的LTR可致使细胞癌变; (4)常常只有短暂表达; (5)病毒滴度低(107pfu/ml);插入容量有
限,不能插入较大的基因。
2.构建重组反转录病毒载体
构建反转录病毒载体多来源于鼠白血病病毒(MoMLV),此类病毒为嗜双性病毒,既可感染鼠细胞 亦可感染人细胞。 反转录病毒载体的基本成份包括: (1)病毒基因组分,如LTR、病毒的包装识别信号、
第二节 基因转移的方法
基因转运的方法目前已有多种,总的可分为非 生物方法和病毒方法两大类。前者包括裸露 DNA直接注射、多价阳离子-DNA复合物转化, 电转化,脂质体共转化和受体介导的转化等。
后者指通过携带目的基因的病毒感染靶细胞 并表达出目的基因的方法。
一、基因转移的非生物方法
理化方法介导的基因转移(非病毒载体) 是目前发展较快的新型载体系统,其优点是 低毒和低免疫反应。其携带的外源基因的载 体常独立存在细胞质中,不整合到宿主基因 组中。非病毒载体一般不受基因插入片断大 小的限制,还有使用简单、获得方便、便于 保存和检测等特点。目前常用的方法有以下 几种:
基因枪
全身注入
质粒DNA
体内基因治疗
成纤维细胞
体细胞
先体外后体内基因治疗
(二) 体内基因治疗
将具有治疗功能的基因直接转入病人某特 定组织中。 (1)利用反转录病毒载体时,要求靶细胞
处在分裂期,但许多需进行基因治疗 的组织多处于静止期。 (2)目前用温和病毒载体(腺病毒和单纯 性疱疹病毒)直接注入相应的组织。
③外源野生型目的基因具有适宜的受体细胞并能在 体外有效表达;
④具有安全有效的转移载体和方法,以及可供利用 的动物模型。
三、基因治疗的靶细胞选择
目前基因治疗中尚不能使用生殖细胞作为靶细胞, 而只能使用体细胞。选择靶细胞须考虑: ①最好为组织特异性细胞; ②细胞易获得,具有增殖优势,生命周期长,能存 活几个月至几年; ③离体细胞较易受外源基因转化; ④细胞坚固,能耐受处理,回植到体内易成活。目 前常用的靶细胞有: 造血细胞、上皮细胞、角质细胞、内皮细胞、皮 肤成纤维细胞、肝细胞、血管内皮细胞、淋巴细 胞、肌肉细胞、肿瘤细胞等。
(六)受体介导的基因转移
质粒DNA和某种特异配体之间形成复合体, 而这种配体能被特定细胞的表面受体所识 别。使外源基因可在活体内导向特定的细 胞、组织或器官。但用受体介导时所形成 的内吞小泡通常要被送到溶酶体中,可使 此小泡的内溶物被降解。然而通过完整的 腺病毒诱导小泡破裂,可使内含的DNA序列 保持完整,使其表达的绝对量显著提高。
第九章 基因治疗(gene therapy)
基因治疗是通过一定的方式,将野生型基因或有 治疗作用的DNA序列导入人体靶细胞来纠正或改 善人类的遗传缺陷。 早期基因治疗的概念比较局限,仅指遗传缺陷基 因的修复,主要用于单基因遗传病的治疗。 现在基因治疗的概念:凡是采用分子生物学的方 法和原理,在核酸水平上开展的疾病治疗方法都 可称为基因治疗。如对癌症、多基因病、传染性 疾病、心血管疾病等的治疗。
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