对于不适合脂质体介导转染的细胞类型,通常使用病毒载体进行转染。病毒介导转染也称为转导,这种转染方式可在难以转染的细胞类型中实现蛋白过表达或敲低,是临床研究中最常用的方法(Glover 等人,2005;Pfeifer 和 Verma,2001)。病毒递送的主要优点之一是此过程可以在活体(体内)或细胞培养物(体外)中进行,基因递送效率接近 95%–100%。

病毒载体的关键属性

病毒载体针对其特定应用而经过专门定制,但通常必须共有一些关键属性:

  • 安全性:虽然病毒载体偶尔会用致病病毒生成,但这种载体经过改造,从而尽可能降低其处理风险。改造通常包括删除病毒基因组中对病毒复制至关重要的部分基因,使病毒能够有效感染细胞并递送病毒有效载荷,但在没有辅助病毒提供所缺失的关键蛋白情况下可防止产生新的病毒粒子。然而,目前使用病毒载体仍有安全问题,即插入突变,在这种情况下,病毒 DNA 的异位染色体整合会扰乱肿瘤抑制基因的表达,或激活致癌基因,导致细胞恶性转化(Glover 等人,2005)。
  • 低毒性:病毒载体应当对所感染细胞的生理学影响极小,这在需要体内递送基因的研究中尤为重要,因为如果载体被机体视为外来入侵物,机体将产生免疫应答(Nayak 和 Herzog,2009)。
  • 稳定性:有些病毒的基因不稳定,可能会迅速重新排列基因组。这不利于预测和重现使用病毒载体开展的研究。因此,通常要避免使用不稳定的载体。
  • 细胞类型特异性:大多数病毒载体都经过工程设计,可感染尽可能广泛的细胞类型。然而,有时需求恰恰相反。通过改造病毒受体,可将病毒靶向特定种类的细胞。以这种方式改造的病毒称为假病毒
  • 选择:病毒载体应包含可筛选标记物(如耐受特定抗生素),以便分离已导入病毒载体的细胞。

常用病毒载体

腺病毒

腺病毒是具有广泛细胞趋向性的 DNA 病毒,可瞬时转导几乎所有哺乳动物细胞类型。腺病毒通过与柯萨奇病毒/腺病毒受体 (CAR) 结合而进入靶细胞(Bergelson 等人,1997)。与 CAR 结合后,腺病毒通过整联蛋白介导的内吞作用内化,随后主动转运到细胞核中以游离形式表达 DNA(Hirata 和 Russell,2000)。虽然腺病毒载体适用于多种细胞类型的瞬时递送,但对于一些疑难细胞系(如不分裂的细胞)和为了稳定表达,首选慢病毒载体。腺病毒的包装容量为 7–8 kb。

逆转录病毒

逆转录病毒是正链 RNA 病毒,其能将基因组稳定整合到宿主细胞的染色体中。通过具有广泛趋向性的包膜产生假型(如水疱性口炎病毒糖蛋白 [VSV-G]),这些病毒几乎可以进入所有类型的哺乳动物细胞中。然而,大多数逆转录病毒依赖于细胞分裂过程中核膜的分解来感染细胞,因此存在的一个限制是需要使用正在复制的细胞进行转导。逆转录病毒的其他缺点包括可能存在插入突变以及可能激活处于潜伏期的疾病。与腺病毒一样,逆转录病毒也可携带约 8 kb 的外源基因。

慢病毒

慢病毒是逆转录病毒家族的一个亚组;因此,它们可以整合到宿主细胞的基因组中,实现长期稳定表达(Anson,2004)。与其他逆转录病毒相比,慢病毒可使用主动核导入通路来转导不分裂的终末分化细胞群(如神经元和造血细胞),因此是更通用的工具。

腺相关病毒

腺相关病毒可以广泛转导多种类型的分裂细胞和不分裂的细胞,但它们需要与辅助病毒(如腺病毒或疱疹病毒)共感染才能在包装细胞中产生重组病毒粒子。因此导致难以获得无辅助病毒的高质量病毒储备液。此外,腺相关病毒只有有限的包装容量,至多 4.9 kb。另一方面,腺相关病毒在大多数类型的细胞中表现出低免疫原性,并且其能够整合到人类染色体的特定区域,从而避免插入突变。

可用于过表达蛋白质的其他病毒载体系统包括基于杆状病毒牛痘病毒单纯疱疹病毒的载体。虽然杆状病毒通常感染昆虫细胞,但重组杆状病毒可作为基因转移载体用于在多种类型的哺乳动物细胞中瞬时表达重组蛋白。此外,通过在杆状病毒载体中纳入显性可筛选标记物,可以获得稳定表达重组基因的细胞系(Condreay 等人,1999)。基于牛痘病毒的载体可用于向多种哺乳动物细胞中引入大 DNA 片段。然而,感染牛痘病毒的细胞会在一两天内死亡,使得该系统仅限于瞬时蛋白生产。单纯疱疹病毒是一类可感染神经元的双链 DNA 病毒。

病毒系统规格DNA 插入片段大小最大滴度(颗粒数/mL)感染表达缺点
腺病毒36 kb
dsDNA:
8 kb1 × 1013分裂细胞和不分裂的细胞瞬时可引起强烈的抗病毒免疫应答
逆转录病毒7-11 kb
(ssRNA)
8 kb1 × 109分裂细胞稳定潜在插入突变
慢病毒8 kb
(ssRNA)
9 kb1 × 109分裂细胞和不分裂的细胞稳定潜在插入突变
腺相关病毒
8.5 kb
(ssDNA)
5 kb1 × 1011分裂细胞和不分裂的细胞稳定;
位点特异性
整合
需要辅助病毒才可复制;难以得到纯病毒储备液
杆状病毒80-180 kb
dsDNA:
无已知
上限
2 × 108分裂细胞和不分裂的细胞瞬时或
稳定
哺乳动物宿主细胞范围有限
牛痘病毒190 kb
dsDNA:
25 kb3 × 109分裂细胞瞬时潜在致细胞病变效应
单纯疱疹病毒150 kb
dsDNA:
30-40 kb1 × 109分裂细胞和不分裂的细胞瞬时潜伏性感染时无基因表达

仅供科研使用,不可用于诊断目的。