許惠濱 王福祥
摘?要:由于成本低廉、易于規(guī)?;a(chǎn)、可減少污染哺乳動物病原的風險且能對表達蛋白進行翻譯后修飾等優(yōu)點,植物正逐漸成為一種重要的重組蛋白生產(chǎn)平臺,而以轉基因植物作為工業(yè)與化工產(chǎn)品生產(chǎn)的天然生物反應器也越來越受關注。植物生物反應器主要有穩(wěn)定表達系統(tǒng)和瞬時表達系統(tǒng),概述了這兩種不同的表達系統(tǒng)的優(yōu)缺點及其研究進展,并闡述了植物生物反應器的發(fā)展趨勢,以期為植物生物反應器的發(fā)展和應用奠定理論基礎。
關鍵詞:植物;重組蛋白;生物反應器;表達系統(tǒng)
中圖分類號:S 31?文獻標志碼:A?文章編號:0253-2301(2021)09-0076-06
DOI: 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.09.013
Research Progress of Plant Bioreactor Expression Systems
XU Hui?bin?1, WANG Fu?xiang2,3
(1.Marine and Agricultural Biotechnology Laboratory, College of Geography and Oceanography,
Minjiang University, Fuzhou, Fujian 350002, China; 2.National Rice Engineering Laboratory of China,
Rice Research Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou, Fujian 350003, China;
3.College of Agriculture, Fujian Agricultral and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)
Abstract: Plants are emerging as a promising platform for recombinant protein production due to time and cost efficiency, scalability, lack of harboured mammalian pathogens and possession of the machinery for eukaryotic post?translational protein modification.Transgenic plants are gaining increasing attention from the industry as a natural bioreactor for the production of industrial and chemical products. Plant bioreactor mainly consists of stable expression system and transient expression system. Here, we overview the advantages and disadvantages of different expression systems and their research progress, and the development trend of plant bioreactor was also described. In order to lay a theoretical foundation for the development and application of plant bioreactor.
Key words: Rlant; Recombinant protein; Bioreactor; Expression system
得益于近年來系統(tǒng)生物學和分子生物學等多方面技術的發(fā)展,合成生物學的研究對象正逐步過渡到更為復雜的多細胞體系。植物擁有豐富的內膜系統(tǒng)和細胞器、高度特化的生物合成基因簇、精細的代謝調控網(wǎng)絡,為開展相關研究提供了理想的模式體系。植物生物反應器是指通過基因工程途徑,以常見的農(nóng)作物作為“化學工廠”,生產(chǎn)具有高經(jīng)濟附加值的醫(yī)用蛋白、工農(nóng)業(yè)用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂類及其他一些次生代謝產(chǎn)物等生物制劑的方法[1] ,在過去的幾十年里,它已發(fā)展成為生產(chǎn)有用重組蛋白的重要平臺。Fisher等首次引入分子農(nóng)業(yè)或“生物制藥”的概念來描述“植物中重組蛋白的產(chǎn)生”[2-3] 。早期,該領域的研究對象主要是重組大分子,如血液蛋白、疫苗和抗體,目前也涉及化妝品原料和醫(yī)療治療方面[4] 。
表達/生產(chǎn)系統(tǒng)的選擇不僅取決于研究者自身的需求,還取決于生產(chǎn)目標生物制劑的最終目的和功能。傳統(tǒng)的基于大腸桿菌、酵母、昆蟲或哺乳動物細胞系統(tǒng)的生物制藥大規(guī)模生產(chǎn)平臺已經(jīng)建立并不斷完善。復雜的治療性蛋白質必須經(jīng)過適當?shù)恼郫B或加工以達到所需的生物活性,這需要在酵母或哺乳動物細胞系統(tǒng)中而不是原核生物中產(chǎn)生,然而哺乳動物細胞培養(yǎng)中最令人擔憂的是擴大規(guī)模的高運營成本和動物傳播病毒或病毒粒子的潛在污染[5] 。鑒于這些問題,植物生物反應器是生產(chǎn)特定重組蛋白的一個很好的選擇。因為它具有很多優(yōu)勢:首先,植物只需要光、水和土壤等溫室條件就能生產(chǎn)蛋白質,相比細菌、昆蟲細胞和哺乳動物培養(yǎng)系統(tǒng)所需的生物反應器便宜;其次,與傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)不同,人畜共患病病原體無法感染植物,因此不會成為分子農(nóng)業(yè)衍生產(chǎn)品的污染物來源;再次,通過將密碼子優(yōu)化、細胞器特異性啟動子的加入、N聚糖的人源化和瞬時轉染系統(tǒng)等技術進一步提高了分子農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢,產(chǎn)量超過1 mg·g-1的新鮮植物重量;最后,植物瞬時轉染系統(tǒng)也提高了生產(chǎn)速度,在轉染成株后數(shù)日內即可收獲,而不是在數(shù)月內獲得穩(wěn)定表達[6-7] 。植物作為最廉價的“工廠”,具有廣闊的應用前景。如何最大限度提高植物源蛋白表達量是當前研究的重點和難點。為了更好地應用植物生物反應器生產(chǎn)有用重組蛋白,本文對影響外源蛋白表達效率的幾種表達系統(tǒng)進行概述,以期促進植物生物反應器的推廣和應用。
1?植物表達系統(tǒng)
植物中有多種表達系統(tǒng),歸納起來主要有兩大類,既穩(wěn)定表達系統(tǒng)和瞬時表達系統(tǒng)(圖1)[4] ,每種系統(tǒng)都有優(yōu)缺點(表1),而利用哪種系統(tǒng)取決于使用整株植物或最小加工形式的應用程序。穩(wěn)定表達系統(tǒng)可以進一步細分為農(nóng)桿菌介導轉化或基因槍轟擊使細胞核或葉綠體穩(wěn)定轉化的技術,以及懸浮細胞培養(yǎng)技術;而瞬時表達可以通過植物病毒或農(nóng)桿菌滲透實現(xiàn)[8-9] 。在早期的研究階段,穩(wěn)定表達系統(tǒng)被廣泛應用,然而近年來瞬時表達系統(tǒng)已成為首選。
2?穩(wěn)定表達系統(tǒng)
穩(wěn)定表達系統(tǒng)是將外源目的基因導入植物細胞中,使其在植物基因組中穩(wěn)定地整合,并誘導長成新的植株,同時,在植物生長過程中表達目標基因,將目標性狀傳給子代,成為表達目標蛋白的品系,目標蛋白的表達持久、穩(wěn)定。
2.1?農(nóng)桿菌或基因槍介導轉化
農(nóng)桿菌或基因槍介導轉化的穩(wěn)定表達系統(tǒng)是利用穩(wěn)定遺傳轉化方法表達和生產(chǎn)重組蛋白質,其優(yōu)點是操作簡便、獨特的糖基化模式、來自動物傳播污染物的低風險和廉價的存儲成本[5,10-11] 。目前已報道了成功利用該系統(tǒng)在煙草、水稻、馬鈴薯、番茄和萵苣等多種植物中生產(chǎn)有價值的重組蛋白[12-16] 。通過細胞核轉化(nuclear transformation)和葉綠體體轉化(plastid transformation)兩種方法均可獲得穩(wěn)定的重組蛋白轉基因植物。
2.1.1?細胞核轉化?細胞核轉化是應用最早的植物轉化體系,它將目的基因隨機插入并整合到植物染色體的核基因組中,再經(jīng)抗性篩選獲得表達外源蛋白的植株。由于外源基因整合到核基因組上,使其在植物體內能夠穩(wěn)定表達。細胞核轉化已經(jīng)在許多植物中應用和報道,其不足之處有3個方面:外源蛋白在植物中表達量偏低;為了獲得穩(wěn)定遺傳的純合子需要經(jīng)過多代篩選,費時費力;轉基因植物后代篩選過程中花粉可能會給環(huán)境帶來基因污染,因此,其種植環(huán)境和管理要求嚴格[17] 。
2.1.2?葉綠體轉化?葉綠體轉化是將外源基因經(jīng)同源重組的方式定點整合到葉綠體基因組中。每個植物細胞中含有10~100個葉綠體,每個葉綠體中又含有10~100個質體基因組,因此,外源基因在每個葉綠體中會有100~10000?個拷貝,這樣通過葉綠體轉化就能夠高效表達外源蛋白[18-20] ;它還具有穩(wěn)定性強[21] 以及由于母性遺傳,大多數(shù)作物都有開放栽培的可能性。其存在的問題是插入了外源基因的葉綠體基因組只占較少一部分,易形成異質體,而異質體不穩(wěn)定,須通過去除野生型葉綠體基因組拷貝得到同質體方可穩(wěn)定遺傳。此外,葉綠體中所表達的蛋白不能進行翻譯后加工修飾,因此,此系統(tǒng)僅適于表達結構簡單的蛋白,如抗菌、抗病毒的亞基疫苗和生長素等[22] 。在葉綠體中開發(fā)新的治療性蛋白質,以滿足某些代謝或遺傳疾病的緊急醫(yī)療需求,在食用植物細胞中表達高水平蛋白質的能力,將凍干細胞在環(huán)境溫度下儲存數(shù)月/年而不會失去治療效果,預示著推進這種低成本、無冷鏈的傳遞系統(tǒng),以降低蛋白質藥物的成本,并使急需蛋白質藥物的人群能夠消費得起。
2.2?懸浮細胞培養(yǎng)
農(nóng)桿菌轉化形成的植株或愈傷組織可以在液體培養(yǎng)基中繁殖,進而產(chǎn)生穩(wěn)定的懸浮細胞系進行擴大生產(chǎn)。自從首次報道在煙草細胞懸浮培養(yǎng)中生產(chǎn)白蛋白以來,開啟了利用各種植物源細胞懸浮培養(yǎng)產(chǎn)生多種藥用蛋白的研究[23-24] ,可以制備懸浮細胞的植物種類從煙草擴大到胡蘿卜、苜蓿、番茄、大豆、水稻和紅花等植物[25] 。這種系統(tǒng)有幾個優(yōu)點,包括生長迅速;提高了重組蛋白生產(chǎn)的連續(xù)性;在可控的發(fā)酵罐中培養(yǎng)能夠避免受到生物或非生物的脅迫,降低了轉錄后沉默的發(fā)生[4,25] 。但是以該系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品需要經(jīng)過復雜的下游純化過程和低溫無菌存儲運輸,其成本相對較高,無法發(fā)揮出植物生物反應器的優(yōu)越性?[6] 。
3?瞬時表達系統(tǒng)
瞬時表達系統(tǒng)是將編碼目的基因序列插入病毒基因組中,基于植物病毒對植物的感染,以病毒作為載體將重組病毒接種到植物葉片上,使得目的基因隨病毒在植物體內進行復制、轉錄、翻譯和裝配,在轉基因植物或細胞中產(chǎn)生多拷貝重組蛋白基因[26-27] 。宿主細胞在導入表達載體后不經(jīng)選擇培養(yǎng),載體DNA隨細胞分裂而丟失,目的蛋白的表達時限短暫。20世紀90年代后期,瞬時表達系統(tǒng)主要用于檢測載體或目的蛋白在完整或病毒感染的植物中是否表達以及確定重組蛋白的功能[4] 。
轉基因植物通常用于獲得重組蛋白或者定位蛋白質,但是轉基因植株的產(chǎn)生需要大量的時間,表達蛋白的產(chǎn)量也相對較低。而以植物病毒為載體的瞬時表達系統(tǒng)不需要穩(wěn)定遺傳轉化,從病毒侵染到高量表達僅僅需要7~?14 d[28] 。這種表達系統(tǒng)是應用植物病毒在植物中復制、轉錄和傳播,其技術具有簡單、快速和產(chǎn)量高等優(yōu)點[29] ,被廣泛接受并用于生產(chǎn)大量重組蛋白。該系統(tǒng)的缺點是技術條件要求高,如質粒的純度、轉染的效率等,而且由于瞬時轉染中外源基因進入受體細胞后,存在于游離的載體上,不與基因組染色體相整合,當細胞復制后,誘導的性狀消失,使得瞬時轉染得到的蛋白質產(chǎn)物保存時間較短,只能持續(xù)數(shù)天到2周。
3.1?病毒表達載體
常用的植物病毒載體包括煙草花葉病毒(Tobacco mosaic virus,TMV)、花椰菜花葉病毒(Cauliflower mosaic virus,CMV)、豇豆花葉病毒( Cowpea mosaic virus,CPMV)、馬鈴薯X病毒(Potato X virus,PVX)等。其中,來源于TMV的病毒載體30B具有表達量高的優(yōu)點,利用該載體在植物瞬時表達GFP,表達量達到總可溶性蛋白的4.8%[30] 。目前,CPMV表達載體已經(jīng)廣泛使用于動物保護性疫苗生產(chǎn)[11] 。
3.2?侵染技術
先前,植物瞬時表達主要有兩種方法:一種是通過電擊或PEG滲透進行原生質體轉化[31] ;另一種是粒子轟擊植物表皮細胞或葉片,也稱為基因槍法[32-33] 。由于原生質體培養(yǎng)耗時長、成功率低,而基因槍法需要專用的基因槍配套設備,因此,這兩種方法均難以廣泛應用。與上述兩種方法相比,農(nóng)桿菌介導的瞬時轉化具有成本低、操作簡單、成功率高等優(yōu)點,可應用于基因表達檢測、基因沉默、亞細胞定位、蛋白質相互作用分析、抑制劑功能鑒定等[34] 。根癌農(nóng)桿菌作為植物遺傳轉化的常用工具,主要采用牙簽接種法[35] 、注射法[36] 、高壓噴射法[37] 和真空滲透法[38] 。這些方法已成功應用于許多植物組織,如擬南芥葉片[39] ;百合花和金魚草的花瓣;半夏的葉、葉柄和愈傷組織[40] ;生菜和番茄的葉子和果實;蘋果、梨、桃子、草莓和橙子的果實[34] 。此外,還有煙草、馬鈴薯、芥菜、苜蓿、黑眼豆和水稻等,煙草作為受體材料,因其適合培養(yǎng)且能夠被多種病毒侵染,故被人們所青睞;而選用馬鈴薯和西紅柿主要是方便進行動物飼喂試驗[11] 。
4?展望
地球上所有的生命形式都依賴于光合作用,這是植物將光能轉換成化學能的過程。當我們通過DNA重組技術將某一代謝通路引入植物中時,我們就可以將植物轉化為一個高效的工廠,而且這個工廠使用結束后還可以轉化為肥料,因此,植物是一種理想的生物反應器,也是一個可以生物降解的工廠[41] 。基于植物的表達系統(tǒng)是生產(chǎn)具有藥用價值的重組蛋白的強大、可擴展和成本效益高的平臺。在分子農(nóng)業(yè)這一總稱下,以植物為基礎生產(chǎn)藥用蛋白是通過在植物或植物細胞中的瞬時表達和穩(wěn)定轉化獲得的,具有廣闊的應用前景。那么選用哪一種植物作為宿主,選擇哪一種表達系統(tǒng)和侵染技術進行蛋白的表達與生產(chǎn),以及如何解決規(guī)?;a(chǎn)的問題等,還有待進一步研究。這些問題的解決,為植物生物反應器的發(fā)展和應用奠定扎實的研究基礎,將為外源重組蛋白質的生產(chǎn)和應用開辟更廣闊的道路。
植物中有多種表達系統(tǒng),而每種系統(tǒng)都有其各自的優(yōu)缺點,在此已經(jīng)簡單介紹了各個系統(tǒng)的一些應用案例。今后,利用植物生產(chǎn)有用重組蛋白的需求將不斷擴大,而生產(chǎn)有用重組蛋白的經(jīng)濟可行性將決定生產(chǎn)企業(yè)的生存能力。不同的表達系統(tǒng)重組蛋白的表達效率不同,在本文討論的生產(chǎn)系統(tǒng)中,瞬時表達系統(tǒng)最常被不同的公司采用,目前已有16種安全環(huán)保的可上市產(chǎn)品通過室內或室外試驗[42] 。以生物反應器為基礎的細胞培養(yǎng)系統(tǒng)可以快速擴大規(guī)模,并且不含哺乳動物病原體,已經(jīng)被傳統(tǒng)的以發(fā)酵為基礎的公司所采用。盡管如此,關于植物生物反應器的應用情況仍然存在障礙,研究人員仍需努力通過將各個領域的技術的融合與發(fā)展,進而不斷拓寬植物生物反應器的應用市場。
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(責任編輯:柯文輝)