病原微生物基因组转基因小鼠
1.乙型肝炎病毒(HBV)转基因小鼠 1989年起,第一只复制型HBV转基因小鼠宣告诞生,通过尝试不同5'端的超HBV全基因组,发展出长度为1.1,1.2,1.3,1.4和2.0等不同拷贝的HBV转基因小鼠模型,到1995年SCRIPPS研究所的Guidotti LG和Chisari FV发现1.3拷贝HBV转基因小鼠体内病毒复制水平最高,已接近慢性HBV感染者,而且可以在血清中检测出Hbe和Hbc抗原,稳定产生高效价病毒的HBV颗粒。
早在复制型HBV转基因小鼠建立之前,人们就已经建立了选择性表达HBV基因的转基因小鼠模型,几十年来这一模型体系不断丰富:表达HBsAg、HBVxAg、HBcAg和HBeAg的转基因小鼠相继建立。这些模型的建立可以排除HBV基因组中众多基因产物相互作用及与宿主相互作用的复杂情况干扰,单独的研究这些基因及其产物在HBV生命周期中的角色和对宿主的影响。
在过去的十多年间,HBV的转基因小鼠一直作为研究HBV的主要模型被使用,但是其仍然有很多缺陷:①此小鼠模型不是自然感染HBV的模型,病毒无法感染细胞,病毒感染的动力学无法模拟,而且无法在此模型上进行抗体中和能力的测试。②病毒基因组是整合到小鼠基因组中的,其生命周期不同于感染自然宿主,而且由于目前尚未阐明的原因,无法检测到cccDNA,这是病毒感染自然宿主病毒转录的转录本。
2.丙型肝炎病毒(HCV)转基因小鼠 HCV病毒也是引发慢性肝炎、肝硬化和原发性肝癌的主要病毒之一。现在对于HCV病毒仍然没有有效的疫苗和治疗方案。HCV受体CD81的发现曾经为科学家点燃过产生HCV病毒受体转基因小鼠的梦想,但是即使转基因表达人类CD81,小鼠也无法感染HCV病毒,后来发现HCV需要其他辅助受体才能完成有效的感染,可惜的是把目前所知道的所有相关受体转基因到同一小鼠,病毒也仍然无法进入小鼠肝细胞,而包含一系列辅助受体的名单仍然在不断的增长中。这一方向的努力失败后,科学家决定仿照HBV转基因小鼠的方式建立HCV全长转基因小鼠,遗憾的是HCV全长基因组无法在小鼠肝内复制,只能转录和翻译出部分蛋白。
虽然无法建立HCV病毒全长的转基因小鼠,但是表达部分基因的转基因小鼠的建立却被证明是成功的。先后建立的HCV核心抗原转基因小鼠被用于研究HCV感染与胰岛素抵抗、肝脏脂肪变性和原发性肝癌的研究中,核心抗原可能在外界环境的变化下和多种细胞内分子作用,引发一系列病变。例如,核心抗原可以引发SOCS1蛋白的异常表达,从而干扰JAK-STAT通路的正常运行。除了核心抗原之外,表达E1、E2、NS3-NS4A和NS5蛋白的转基因小鼠与对照小鼠相比,没有什么异常。
当然以上的研究都是在没有免疫反应的前提下进行的,而建立诱导表达的HCV转基因小鼠是目前有效模拟野生型病毒感染宿主的未来方向。诱导表达HCV的突破源自应用cre/ loxP重组酶诱导系统,其可以诱导转入基因组的靶DNA在任何发育阶段活化或者失活。 Wakita等人利用腺病毒载体投送Cre重组酶活化了转入小鼠基因组的HCV基因组。在诱导后,虽然没有感染性的病毒颗粒产生,但是HCV核蛋白在血浆和肝实质细胞中被检出,整个诱导过程伴随有T细胞的浸润。尽管HCV特异性的CTL加重了肝的损伤,但是此模型的肝炎是由腺病毒和HCV共同造成的,而且持续时间不长。另外一模型中诱导表达HCV核蛋白和基因组的小鼠是四环素诱导系统构建的,该系统可以避免免疫耐受和可以选择可逆的调控HCV表达。在长时期的诱导表达下,模型表现出ALT水平升高和肝脂肪变性、坏死和纤维化等肝炎现象。在转基因小鼠中,大概有10%的转基因小鼠品系由于随机插入导致一些病态反应,但是四环素诱导表达小鼠不同于普通转基因小鼠,它允许可逆操作的开启或者关闭目的基因来观察这些现象,区别于基因插入性病变还是蛋白表达引发的病变。另外,诱导表达也为疫苗测试提供了一个机会。但是,转HCV全长病毒的转基因小鼠相比 HBV转基因小鼠存在一个问题:HCV病毒难以在小鼠肝细胞产生稳定的复制子,HCV转基因小鼠一直无法在血液中检测到HCV病毒颗粒,从而证明其无法造成毒血症,这是转基因模型的缺憾。
3.朊蛋白基因敲除小鼠与转基因小鼠 野生型小鼠注射小鼠适应性朊病毒因子后160d出现症状,并且在10d内死亡,但是朊蛋白基因敲除小鼠注射后两年内都没有出现任何症状。只敲除双倍体中一套染色体上朊蛋白基因的杂合子小鼠290d出现症状。
4.HPV转基因小鼠 HPV是一种DNA病毒,可以造成皮肤和黏膜上皮的增生和导致肿瘤发生。HPV转基因小鼠的建立为体内研究病毒其致癌机制提供了便利。HPV转基因小鼠的建立经历了HPV片段随机插入整合与特异性启动子控制目的基因靶向表达两个阶段。前者的代表是BPV片段转基因小鼠和HPV片段转基因小鼠,BPV转基因小鼠成功制造出纤维肉瘤,与BPV的自然宿主感染BPV一致,但是HPV转基因小鼠则以HPV18和HPV16型病毒做了尝试,在HPV18型转基因小鼠中发现宫颈瘤,有趣的是该小鼠的上皮细胞并未发生肿瘤,但是间叶组织却发生了增生,而在HPV16型转基因小鼠则出现了各种肿瘤,甚至出现了淋巴瘤。
特异性启动子控制目的基因靶向表达HPV基因E6、E7建立转基因小鼠,可以按照研究者的目的建立指定细胞癌变的转基因动物,来考察各种癌症发生和发展的机制,例如在这些小鼠中考察E6、E7基因与P53和PRB基因的相互作用,以及其他癌基因如MYC, MAD的状况和一些细胞生长因子如FGF的表达等。HPV转基因小鼠被使用最为广泛的三个研究领域是视网膜瘤和睾丸瘤以及甲状腺功能失调。
HPV转基因小鼠模型应用甚多,可以预计利用其形成的肿瘤在癌的转移和浸润研究中将有更大的应用空间。
5.HIV转基因小鼠 在小鼠身上研究HIV,对比SIV和SHIV感染灵长类动物以及FIV感染猫有独特的价值。在发现HIV人类特异性受体CD4后,转基因表达HIV人类特异性受体的小鼠就被认为一旦建立即可以打破HIV模型局限于人类和其他高等灵长类动物的现状。但是表达CD4特异性受体的转基因小鼠却无法感染HIV。后来发现HIV病毒进入细胞不仅需要主要受体CD4,仍然需要辅助受体CXCR4或CCR5协助。Browning等人随即建立了表达CD4和CCR5的双转基因小鼠,成功发现了HIV病毒进入巨噬细胞的证据。
目前,应用转基因技术研究HIV病毒更多表现在转入HIV的单个基因来研究单个基因的功能,例如,HIV病毒在感染人类时可以侵犯中枢神经系统,造成神经元损伤,被感染者的认知和思维能力下降,在众多的神经系统细胞中,病毒又优先侵犯小胶质细胞。在小鼠星形胶质细胞中表达HIV病毒表面糖基化蛋白gp120可以介导脑中神经元密度的下降,最近这一模型系统又显示神经胶质细胞表达gp120可以介导基质金属蛋白酶的活化并造成细胞外基质降解,也许这也可以解释神经元丢失的原因。又如HIV的TAT蛋白被认为与 HIV引发的AIDS相关的许多症状有关系,尤其是神经毒性症状。但是体外研究和用注射 TAT蛋白到小鼠脑内观察其机制的方法都无法反映自然感染的情况,所以科学家建立了在神经胶质细胞特异性表达该蛋白的小鼠模型。实验证明TAT蛋白确实表达在星状细胞上,并且是神经毒性的。小鼠表现出脑发育受阻、背弓、颤抖、运动机能失调和认知困难,并且未到成年死亡等症状。解剖后发现小脑和脑皮层受损,脑水肿,神经细胞凋亡,单核细胞以及淋巴细胞渗入等病理学症状。这充分表明了TAT蛋白是HIV感染的毒性因子,为未来开发治疗HIV相关神经系统损伤提供了模型。
类似的研究。NEF蛋白相关的神经系统损伤和HIV相关基因引发的心肌炎模型都被开发出来。HIV单基因和多基因表达的转基因小鼠的建立为研究HIV基因的功能和开发治疗 AIDS的疗法提供了好的模型。
应用于研究HIV的人源化小鼠也有很多,例如将人类的外周淋巴细胞通过腹膜注射的方法转入SCID小鼠体内的HU-PBL-SCID-HIV-1小鼠,移植人类胸腺组织和肝的SCID-HU(THY/LIV)-HIV-1小鼠以及经过放射性处理三聚体小鼠等。
6. SV40 SV40是一种猴病毒,流行病学研究表明SV40感染与许多人类特异性肿瘤发生高度相关,如脑瘤、骨肿瘤、淋巴瘤和间皮瘤等。通过转基因小鼠模型,科学家确定了在病毒启动子调控下的大T抗原。在该转基因小鼠中表达大T抗原,小鼠发展为室鼓膜瘤以及其他肿瘤。由于确定了SV40病毒的致癌基因为大T抗原,所以在一系列启动子控制下表达大T抗原而建立组织特异性癌症的模型先后建立。例如,已成功制备了前列腺、卵巢、乳腺、膀胱、肺、肾、肝、脑、胃等组织的各种肿瘤小鼠模型。
7.HSV和EBV 利用转基因表达病毒蛋白的方法可以用于获得宿主对病毒蛋白反应以及该蛋白在发病机制中所起作用的更好理解。例如,HSV-1病毒可以感染神经细胞,也可以感染淋巴细胞。有趣的是在淋巴细胞中当转基因表达HSV-1导致了淋巴细胞的自相残杀。所以,这阐明了某些HSV-1病毒躲避免疫系统反应和在体内长期存在的原因。