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编号:10246106
肿瘤基因治疗的靶向性研究
http://www.100md.com 《肿瘤》 1999年第2期
     作者:张景迎 陈诗书

    单位:上海第二医科大学人类基因治疗研究中心(上海 200025)

    关键词:

    肿瘤990222 理想的肿瘤基因治疗方案须具备有效性和安全性,这就需要有效治疗基因在靶细胞内精确地表达。为了实现此目标,除了寻找有效治疗基因外,人们在基因靶向性精确表达方面做了大量研究。基因治疗靶向性有三层含义:首先是转移靶向性,通过靶向递送技术将治疗基因尽可能多地导入靶细胞;其次是基因转录的靶向性,通过使用组织特异性或疾病状态下过表达基因调控元件控制基因在靶细胞内转录;第三是基因表达时间和水平上的靶向性,应用人工合成可调控表达系统来操纵基因表达,使其一方面在一定时区表达,另一方面表达水平不至于过高过低,尽可能地满足治疗需要。本文从这三个层次综述目前研究现状。

    一、基因转移水平的靶向性研究
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    基因转移方法有好多种,但基因转移靶向主要侧重于脂质-核酸复合物(Lipoplex)、多聚物——核酸复合物(Polyplex)和重组病毒载体运载体系。其主要方法是在这些运载体中掺入配体或抗体,借助配体或抗体分别与细胞表面受体或抗原特异地结合,促使运载体携带治疗基因进入细胞内,实现靶向转移的目的[1,2]

    (一)Lipoplex和Polyplex的靶向性研究

    转铁蛋白(Tf)是一种常用配体。尽管正常细胞表面含Tf受体,但肿瘤细胞Tf受体的数量及亲合力高出许多倍,故可把Tf掺入到Lipoplex和Polyplex中靶向肿瘤细胞。Cheng等采用简单的有序混合方法将Tf掺入DOTAM/DOPE-pCMVLacz中,转染HeLa细胞后发现,阳性转染率为98~100%,而不含Tf时只有3~4%。Zu等采用同样方法将Tf掺入DOTAP/DOPE-psvβ-gal中,转染具有放射耐受性的人头颈鳞癌细胞系JSQ-3,转染率提高了6~10倍。并且成功地在JSQ-3中获得了p53基因的高水平表达,逆转了JSQ-3的放射耐受性[3]。另一种常用配体是糖基或糖蛋白。Remy等将含三天线半乳糖基的LyszGal3交联到DPPE上,通过与去唾液酸糖蛋白受体结合靶向转移到HepG2细胞内。含25%的LyszGal3-DPPE复合物的Lipoplex可使转染率提高1000倍左右[4]。此外,将去唾液酸胎球蛋白通过PEG衍生物(POP-PEG)交联到DSPE上,也可靶向HepG2细胞。Erbacher等利用Polyplex中的糖基化多聚赖氨酸与M0表面Lectin结合将基因导入M0[5]。细胞因子也可被用作配体,用EGF标记的Lipoplex成功地将DNA靶向导入EGF受体过表达的细胞系GCH-1和HEC-1-A,他们正尝试用此法将HSV-tK基因导入癌细胞治疗恶性肿瘤[6]
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    也可应用某些细胞表面抗原的单抗来实现靶向转移。Kao等将含抗CD4单抗的Lipoplex将报告基因靶向导入结肠癌细胞系HCT-15和λT淋巴瘤细胞系H9。Schachtschabel等将抗个体基因型单抗SIC5和5D10通过SPOP交联到polylysine,有效地转染B淋巴瘤细胞系[?]

    (二)重组病毒载体的靶向性研究

    不同病毒有不同的细胞感染谱,利用这一点可以在一定程度上靶向转移基因。然而这种靶向性非常有限,故需对病毒载体进行靶向性修饰。RV感染细胞特异性取决于其包膜蛋白(env),因此可通过将配体或抗体与env偶联,或修饰env基因来改变其感染特异性。用乳糖基化修饰病毒粒子,可通过与去唾液酸糖蛋白受体结合靶向感染人HepG2。将env基因和促红细胞生成素(EPO)基因融合,使其包装蛋白带有EPO受体结合,可用于红系造血相关疾病的基因治疗。将人低密度脂蛋白受体单抗的单链片段基因与env基因融合,表达嵌合env蛋白,可定向将外源基因导入表达低密度脂蛋白受体的细胞[8]。同样,表达CEA单链抗体的RV可将基因导入表达CEA抗原的肿瘤细胞[9]
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    二、基因转录水平的靶向性研究

    靠靶向基因转移只能部分地实现治疗基因在受体细胞的靶向表达,因为所借助的抗原或受体并非某种细胞所特有。因此,为弥补此不足,人们利用组织特异性表达调控元件控制治疗基因仅能在靶细胞转录。可利用的组织特异性表达调控元件包括正常分化成熟细胞特有蛋白基因的调控元件以及在某些病理状态下过表达蛋白的基因调控元件。前者如脑的Tf、平滑肌细胞的α-肌动蛋白及肝脏的Ⅶ因子等的调控元件;后者如CEA、AFP、MBP和SPA等的调控元件[10]。人β-珠蛋白基因簇的座位控制序列(LCR)由编码区上游50~60 kb序列组成,控制着异种基因的位置不依赖性、拷贝数依赖性、高水平的红细胞特异性的基因表达,4个DNaseⅠ高敏区与LCR有关。将其中3个高敏区的核心片段连锁到细小β-珠蛋白启动子后装到AAV或RV载体上,能适宜地调控高水平表达。Zhou等证明只用高敏区也能介导红细胞特异性表达。[11]

    目前应用最多的转录调控元件应属AFP启动子[12]。已经将AFP启动子装入RV、Adv和AAV载体,能有效地控制tk基因在AFP阳性肝癌细胞中表达,应用GCV后杀伤肝癌细胞。此外,Su等应用肝特异性白蛋白启动子与AFP增强子融合产生的杂合元件发现,白蛋白及AFP表达的细胞对GCV均敏感,但此元件赋于肝优势而非肝癌特异性表达[13]
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    组织特异性调控元件主要用在病毒载体。然而,有时发现装入的元件部分或全部丧失原有的控制基因表达的能力。可能原因有:一环境的影响,如用含内源hAAT启动子-ApoE增强子的RV转导培养的肝细胞,转录物中只有5%来自细胞启动子,其余95%来自LTR,相反,在体内大约50%转录物来自hAAT启动子[14];二是强的内源性病毒转录控制的干扰,可通过让治疗基因表达框与病毒转录方向相反,或使用自身灭活RV载体来部分解决,但又可引起其它问题,如病毒滴度降低。可能的解决办法有:构建具有特定细胞嗜性的载体。如含人细小病毒B19启动子的AAV载体具有红细胞特异性;用组织特异性调控序列取代特异性差的病毒增强子/启动子,以构建仅在某种细胞有转录活性的载体[15]。Ferreri等将300 bp MCK增强子元件插入到LTR的U3区,破坏了正常LTR活性,此载体只作用于分化的肌细胞[16]。此外,Vile等用鼠酪氨酸酶启动子取代LTR中的增强子后,只感染成纤维细胞和恶性黑素瘤细胞[17]
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    三、表达时间和表达水平的靶向调控研究

    通过靶向转移和靶向转录只能使治疗基因在靶细胞中组成性表达(短暂或持久表达)。然而,疾病的治疗常常需要治疗基因在一定时间、一定水平上表达,如果在不需要时,过表达会对机体产生危害。因此,需要对治疗基因在表达时间和水平上进行精确地调控。目前已知基因表达调控主要表现在转录水平,原核细胞为操纵子模式,真核细胞则是靠反式作用因子与顺式作用元件相互作用来实现的。由此人们设计建立了一些人工可调控基因表达系统。希望与治疗基因一起装入病毒载体来实现此种调控。研究最多的是四环素(Tet)可调控系统,包括Tet可抑制系统和Tet可诱导系统。Tet可抑制系统是通过Tet与四环素可抑制反式激活嵌合体(tTA)结合后,tTA不能与合成启动子(Tetop)结合,tTA丧失了激活Tetop控制的基因转录。Tet可诱导系统是通过强力霉素(Tet衍生物)与突变型tTA(rtTA)结合,rtTA便结合Tetop进而激活由Tetop启动的基因转录。Tet调控系统已先后装入真核质粒表达载体和重组病毒载体(RV、Adv和HSV等),并在基因功能研究和基因治疗方面得到了应用。Yu等将ICE基因置于Tet可抑制系统控制之下,用于治疗大鼠神经胶质细胞瘤。体内外实验均发现,Tet存在时,ICE表达受抑;当除去Tet后,ICE表达迅速启动,肿瘤细胞出现凋亡[18]
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    尽管Tet系统使用广泛,但仍存在某些缺陷,如不能用于所有类型细胞、难以获得高水平tTA及tTA中的VP16激活区可能有致免疫性等。因此,又致力于探索其它系统,尤其是利用真核细胞转录调控模式,目前研究主要是根据甾体激素受体结构特点来设计的。甾体激素受体含有三个区:N端转录激活区、中间DNA结合区和C端激素结合区。为了建立理想的治疗基因可调控系统,可对此受体结构作些变更:用识别非哺乳动物细胞的motifs替代DNA结合区,以避免内源甾体激素的非特异性激活作用。

    将VP16激活区和GAL4的DNA结合区融合到雌激素受体(ET)的LBD产生一嵌合转录因子,后者通过结合DNA上的GAL4识别位点而对雌二醇反应,激活转录达100倍,最大诱导在加雌二醇后1~2 h,但浓度相对较高(1 μm)。若将上述嵌合子中的ER-LBD换成突变型孕酮受体的LBD后得另一嵌合转录子,可被合成的孕酮拮抗剂RV486激活,但RV486的堕胎作用阻碍了其在人类基因治疗上的应用[16]。Whelan等用突变型ER-LBD与人转录因子NF-kB的p65激活区和GAL4 DNA结合区融合得只对合成化合物而不对雌二醇反应的合成转录因子。报告基因在含GAL4识别位点的最小启动子控制下,与合成转录因子共表达时,报告基因诱导表达呈诱导剂依赖性方式。与VP16激活区相比,p65诱导水平较低(更接近生理水平),而且p65是细胞来源而非病毒来源,故更适于人体基因治疗[19]。Rivera等应用p65激活区也构建了一异二聚体转录因子。非哺乳动物蛋白ZFHD-1的DNA结合区与人FKB12蛋白融合成一单体,另一单体是人FRAP融合到p65。小分子rapamycin与FRAP和FKB12结合后形成异二聚体转录因子,可激活由含ZFHK-1识别位点的启动子控制的转录。此系统是较好的,因为合成转录因子中的人体蛋白可能无致免疫性。缺点是需要表达两蛋白,以及诱导剂具有免疫抑制作用[20]。真核可调控表达系统还很不成熟,应用治疗基因的研究尚未见报道。
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    第一作者简介 张景迎,男,在读博士生。

    参 考 文 献

    1 Felgner PL, Barenholz, Y, Behr JP,et al. Nomenclature for synthetic gene delivery systems. Human. Gene Ther, 1997, 8:511

    2 Boletta A, Benigni A, Lutz J et al. Nonviral gene delivery to the rat kidney with polyethyl-enimine. Human Gene Ther, 1997, 8:1243

    3 Zu L, Pirollo KF, Cheng EH. Transferrin-liposome-mediated p53 sensitization of squamous cell carcinoma of the head and neck to radiation in vitro. Human Gene Ther, 1997, 8:476
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    4 Remy JS, Kichler a, Mordvinov V et al. Targeted gene transfer into hepatoma cells with lipopolyamine-condensed DNA particles presenting galactose ligands: a stage toward artificial viruses. Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92:1744

    5 Erbacher P, Bousser MT, Raimond J et al. Gene transfer by DNA/glycosylated polylysine complexes into human blood monocyte-derived macrophages. Human Gene Ther, 1996, 7:721

    6 Kikuchi A, Sugaya S, Ueda H,et al. Efficient gene transfer to EGF receptor overexpressing cancer cells by means of EGF-labeled cationic liposomes. Biochem Biophys Res Commun, 1996, 227:666
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    7 Schachtschabel V, Pavlinkova G, Lou D, et al. Antibody-mediated gene delivery for B-cell lymphoma in vitro, Cancer Gene Ther, 1996, 3:365

    8 Somia NV, Zoppe M, Verma IM. Generation of targeted retroviral vectors by using single-chain variable fragment:an approach to in vitro gene delivery. Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92:7570

    9 Konishi H, Ochiya T, Chester KA, et al. Targeting strategy for gene delivery to carcinoembryonic antigen-producing cancer cells by retrovirus displaying a single-chain varial fragment antibody. Human Gene Ther, 1998, 9:235
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    10 Miller N, Whelan J. Progress in transcriptionally targeted and regulatable vectors for genetic therapy. Human Gene Ther, 1997, 8:803

    11 Zhou SZ, Li Q, Stamatoyannopoulos G,et al. Adeno-associated virus z-mediated transduction and erythroid cell-specific expression of a human β-globin gene. Gene Ther, 1996, 3:223

    12 Bui LA, Butterfield LH, Kim JY, et al. In vivo therapy of hepatocellular carcinoma with a tumor-specific adenoviral vector expressing interleukin-2. Human Gene Ther, 1997, 8:2173
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    13 Su H, Chang JC, Zu SM,et al. Selective killing of AFP-positive hepatocellular carcinoma cells by adeno-associated virus transfer of the herpes simplex virus thymidine kinase gene. Human Gene Ther, 1996, 7:463

    14 Okuyama T, Huber RM, Bowling W,et al. Liver-directed gene therapy: a retroviral vector with a complete LTR and the ApoE enhancer-al-antitrypsin promoter dramatically increases expression of human al-antitrypsin in vivo. Human Gene Ther, 1996, 7:637
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    15 Wang ZS, Yoder MC. Zhou SZ,et al. Parvovirus B19 promoter at map unit 6 confers autonomous replication competence and erythroid specificity to adeno-associated virus 2 in primary human hematopoietic cells. Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92:12416

    16 Ferrari G, Salvatori G, Rossi C,et al. A retroviral vector containing a muscle-specific enhancer drives gene expression only in differentiated muscle fibers. Human Gene Ther, 1995, 6:733
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    17 Vile RG, Diaz RM, Miller N,et al. Tissue-specific gene expression from Mo-MLV retroviral vectors with hybrid LTRs containing the murine tyrosinase enhancer/promoter. Virology, 1995, 214:307

    18 Yu JS, Sena-Esteves M, Paulus W,et al. Retroviral delivery and tetracycline-dependent expression of IL-1β-converting enzyme (ICE) in a rat glioma model provides controlled induction of apoptotic death in tumor cells. Cancer Res, 1996, 56:5423
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    19 Whelan J, Miller N. Generation of estrogen receptor mutants with altered ligand specificity for use in establishing a regulatable gene expression system. J Steroid Biochem Mol Biol, 1996, 58:3

    20 Rivera VM, Clackson T, Natesan S,et al. A humanised system for pharmacologic control of gene expression. Nature Med, 1996, 2:1028

    (收稿:1997-12-02 修回:1999-01-22), http://www.100md.com