Viruses | 減毒冠狀病毒的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬英新研究員在學(xué)術(shù)期刊《Viruses》上在線發(fā)表了題為“Design and Application of Biosafety Coronavirus Engineering Systems without Virulence”的綜述。
文章以冠狀病毒研究為主線,全面總結(jié)了現(xiàn)有的生物安全冠狀病毒工程系統(tǒng),詳細(xì)介紹了其構(gòu)建方式和應(yīng)用,這些系統(tǒng)將病毒學(xué)基礎(chǔ)與合成基因組學(xué)技術(shù)相結(jié)合,用于開發(fā)減毒或無毒疫苗的有效工具、篩選抗病毒藥物以及研究新型微生物的致病機(jī)制。在探討了這些系統(tǒng)為冠狀病毒的研究和治療帶來極大便利的同時(shí),也對其未來發(fā)展趨勢做了展望。
深圳先進(jìn)院與澳門科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生吳國強(qiáng)和深圳先進(jìn)院與天津科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生李巧玉為文章的共同第一作者,深圳先進(jìn)院馬英新研究員和毛國斌副研究員為文章的共同通訊作者。
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文章上線截圖
文章鏈接:https://www.mdpi.com/1999-4915/16/5/659
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在近二十年的時(shí)間內(nèi),共出現(xiàn)了三種致命的人畜共患型冠狀病毒(CoV),分別是嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)和SARS-CoV-2。其中由SARS-CoV-2引起的2019年冠狀病毒(COVID-19)大流行,在全世界范圍內(nèi)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和生命損失。此外,還有四種常見的低致病性冠狀病毒,在傳播過程中通常引起不同程度的呼吸道和肺炎癥狀,分別是HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63和HCoV-HKU1(如圖1)。
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圖1 冠狀病毒爆發(fā)的時(shí)間線
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冠狀病毒造成的損害是不可逆轉(zhuǎn)的,迫切需要對其進(jìn)行充分研究。當(dāng)前,冠狀病毒的相關(guān)研究都是在BSL-3或BSL-4實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的,其局限性嚴(yán)重阻礙了基礎(chǔ)病毒學(xué)研究,具有生物安全性的工程化病毒系統(tǒng),能夠使實(shí)驗(yàn)人員在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中對高傳染性病毒進(jìn)行研究。文章重點(diǎn)介紹了以合成基因組學(xué)構(gòu)建病毒基因組的方法及多種工程化冠狀病毒系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用。
合成DNA已被廣泛應(yīng)用于研究、診斷和治療等領(lǐng)域,其重要應(yīng)用之一則是構(gòu)建合成型基因組。在沒有天然模板的情況下從頭合成病毒基因組對病毒學(xué)研究至關(guān)重要,它為全面了解病毒基因的功能和表達(dá)及其致病機(jī)制提供了新的技術(shù)手段。此外,利用該技術(shù),還可以對病毒基因組進(jìn)行大規(guī)模的遺傳修飾和功能表征,這是傳統(tǒng)分子生物學(xué)方法無法實(shí)現(xiàn)的。反向遺傳學(xué)是另一種基于生物遺傳信息,通過修改特定基因或非編碼核酸,如通過靶向基因突變或基因插入/刪除/替換,來研究基因組結(jié)構(gòu)和功能的方法。此外,它不僅可以用于全面分析分子特征、發(fā)病機(jī)制和病毒-宿主相互作用,還可以通過直接操縱RNA病毒基因組開發(fā)新型疫苗。反向遺傳學(xué)的基本構(gòu)建策略是:(1)通過RT-PCR或化學(xué)合成獲得病毒基因組的所有DNA片段;(2)通過靶向RNA重組、體外連接、轉(zhuǎn)化相關(guān)重組或環(huán)狀聚合酶延伸反應(yīng)(CPER)將這些片段組裝成全長互補(bǔ)DNA(cDNA),然后(3)將獲得的cDNA轉(zhuǎn)染到易感細(xì)胞內(nèi),完成病毒拯救(如圖2)。合成基因組學(xué)和反向遺傳學(xué)被廣泛用于病毒的全基因組合成,包括SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2等,成為病毒學(xué)研究中不可或缺的工具。
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圖2 反向遺傳學(xué)的常用構(gòu)建策略
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另外,開發(fā)具有生物安全性的工程化病毒系統(tǒng)也是至關(guān)重要的(如圖3)。病毒樣顆粒(VLPs)是由一個(gè)或多個(gè)病毒結(jié)構(gòu)蛋白自組裝形成的中空顆粒,形態(tài)與野生型病毒相似且可以特異性侵染宿主細(xì)胞。VLPs以高密度展示外源抗原表位,能夠促進(jìn)抗原呈遞細(xì)胞的攝取,從而有效誘導(dǎo)細(xì)胞免疫和中和抗體反應(yīng)。假病毒(Pseudovirus)是通過重組來自不同病毒的骨架蛋白和包膜蛋白構(gòu)建而成的。常用的骨架病毒包括人類免疫缺陷病毒(HIV)、水皰性口炎病毒(VSV)和小鼠白血病病毒(MLV)。另一種提高生物安全性的常用策略是構(gòu)建病毒復(fù)制子(Replicon),這是一類可自我復(fù)制的亞基因組系統(tǒng),通常會(huì)通過報(bào)告基因取代編碼病毒結(jié)構(gòu)蛋白的基因。另兩種工程化病毒系統(tǒng)分別是反式互補(bǔ)系統(tǒng)(Trans-Complementation System)和基因組拆分系統(tǒng)(Split-Virus-Genome?System,SVG),構(gòu)建得到包含所有病毒成分的基因組缺陷病毒,能夠模擬真實(shí)的病毒生命周期,且不產(chǎn)生子代病毒,用以研究蛋白質(zhì)功能和病毒粒子組裝。
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圖3 具有生物安全性的工程化病毒系統(tǒng)的構(gòu)建
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具有生物安全性的工程化病毒系統(tǒng)已成功應(yīng)用于SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2等病毒的研究中。這些工具在病毒突變株、中和抗體制備、疫苗和抗病毒藥物開發(fā)以及病毒生命周期的研究等方面發(fā)揮了巨大作用,實(shí)現(xiàn)了在BSL-2實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對高傳染性病毒的研究,滿足了病毒學(xué)研究的迫切需求。然而,由于冠狀病毒龐大的基因組及易突變性,工程化病毒系統(tǒng)仍然存在許多局限性。隨著基因編輯技術(shù)、生物信息學(xué)、人工智能的快速發(fā)展,使得基因的精準(zhǔn)修飾、病毒結(jié)構(gòu)分析、傳播模式研究變得更加容易和高效。研究人員有望通過更精準(zhǔn)、更快速的干預(yù)方法降低烈性病毒的傳染性和致病性,推動(dòng)冠狀病毒的安全性研究,更好地應(yīng)對未知的新型傳染病。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院、廣東省、深圳市及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
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