浅析转基因植物生产药用蛋白
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【摘要】 以转基因植物作为生物反应器生产具有重要意义的药用蛋白如抗体、疫苗和多肽等具有很多优点，目前已成为生物技术制药领域的一个研究热点。本文主要概述转基因植物生产药用蛋白的基本方法、研究现状和发展趋势，并探讨其目前在应用中存在的问题和解决方法。
【关键词】 转基因植物；生产；药用蛋白
doi：10.3969/j.issn.1004-7484（s）.2013.09.608 文章编号：1004-7484（2013）-09-5283-02
随着分子生物学中基因工程技术的迅速发展，使利用多种多样的宿主细胞作为生物反应器生产具有药用价值的蛋白质成为可能。面对现今社会药用蛋白供不应求的现状，转基因植物使大规模生产具有价值的药用蛋白成为现实，其是目前最理想的药用蛋白生产载体之一，具有巨大的市场潜力和经济价值。
1 转基因植物的介绍及其生产药用蛋白的优点
转基因技术是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于基因的表达，引起生物体的性状的可遗传修饰。转基因植物就是通过基因转移技术整合有外源基因的植物个体。对转基因植物的研究不仅可用于改进植物的品质，改变生长周期或花期等提高其经济价值或观赏价值，还可作为某些蛋白质和次生代谢产物的生物反应器进行大规模生产。
转基因植物作为药物蛋白生产的生物反应器相比常规的微生物和动物细胞反应器有着较大的优势，具体有以下几点：①植物细胞也具有完整的真核细胞表达系统，有助于正确装配表达重组蛋白，接着进行磷酸化、酰胺化、糖基化等修饰后，使表达蛋白具有与高等动物一样的生物活性和免疫原性；②转基因植物作为药用蛋白生物反应器在大规模培养过程中不会像动物反应器那样容易被细菌、病毒等污染而产生潜在危险；③植物细胞培养相比动物细胞培养具有条件简单易于存活等优势，而且植物生物反应器来源广，易进行大规模生产；④植物细胞生物反应器成本低，需要的投资少。由于具有上述优点，转基因植物生产药用蛋白得到了长足发展[1]。
2 转基因植物生产药用蛋白的基本方法
转基因植物生产药用蛋白主要有两种基本方法：稳定表达系统和暂态表达系统。
2.1 稳定表达系统 将编码药用蛋白的基因通过农杆菌介导转化法或基因枪法等方法导入并整合到植物细胞基因组中，能够稳定表达药用蛋白的转基因植物就称作稳定表达系统。目前转基因植物生产药用蛋白研究成功的有80%是通过农杆菌介导转化法形成的，该法有以下优点：①操作简单，转化率高；②转化的外源基因多为单拷贝数，遗传稳定性良好；③导入到植物中的T-DNA以及外源基因不仅能够在植物中获得表达，还可以根据不同的需求连接启动子，使外源基因能够在植物异性表达。此外还可以将目的基因整合到植物的叶绿体中，它具有表达量高，单次可以操作多个基因等优点，而且转基因受到母系的影响很大，能够有效地降低基因沉默、错位等现象。
2.2 暂态表达系统 以烟草花叶病毒等植物病毒作为载体的转染植物细胞的系统成为暂态表达系统。植物病毒表达目的蛋白主要有两种形式：①通过控制病毒基因的启动子控制目的基因的转录；②将目的基因与植物病毒衣壳蛋白基因整合在一起导入病毒，然后在植物体内播种病毒，这种目的蛋白能够在病毒衣壳中获得高效的融合表达。相比稳定表达系统，植物病毒表达系统有较大的优势：①病毒繁殖十分迅速，将嵌合病毒感染到植物体中能够在较短的时间能就可获得较高产量的目的蛋白；②植物病毒的基因组相对较小，便于遗传操作；③植物病毒使用范围更加广泛，同时由于其是利用植物遗传物质繁殖，能够使目的蛋白进行真核细胞翻译后的加工与糖基化修饰等，是一条更具吸引力的途径[2]。
3 转基因植物生产药用蛋白的研究进展
3.1 利用转基因植物生产疫苗 自20世纪90年代，国外学者Mason等[3]在烟草中成功导入外源HBsAg基因并得到表达后，利用转基因植物生产疫苗得到迅猛发展，许多科研团队成功在多种植物中表达了抗原蛋白，并进行临床试验，取得了较好的免疫效果。我国学者高毅等[4]于2003年在墨西哥酸浆中导入HBsAg基因并成功表达，且被证明具有较好的生物活性。
根据上述的研究，证明外源基因是可以导入植物细胞内并获得表达的，而且表达出来的抗原蛋白能够产生免疫效应。但是当前利用转基因植物生产的疫苗离临床应用还很遥远，还存在较多的限制因素，如表达量低、疫苗免疫效应差等，这是今后研究转基因植物疫苗所面临的重大难点。
3.2 利用转基因植物生产抗体 抗体是一种结构十分复杂的蛋白，可以特异性地与病原体抗原结合，这一特异性结合可用于防治疾病以及医疗诊断，同时还可以用于改良植物性状。抗体在植物中生产难度很大，因为抗体蛋白必须进行完全对应的折叠修饰才能识别对应的病原体抗原。20世纪80年代末，国外学者Hiatt等[5]在植物中成功表达出了重组抗体6D4，这说明了利用转基因植物表达抗体是可行的。Kathuria等通过转基因烟草成功表达出了人绒毛膜促性腺激素（hCG）的抗体，其能够与hCG的β亚基特异性结合，从而抑制激素的产生。
3.3 利用转基因植物生产其他药用蛋白 利用转基因植物生产具有药用活性的蛋白是近年来一个热门的领域。许多研究和报道已经表明，人体内含有的具有重要药用作用的蛋白也可在转基因植物中表达，如人血清蛋白、生长激素和干扰素等。国外学者Chong等[6]在马铃薯中成功表达了具有生物活性的人乳铁转运蛋白，表达量约为总可溶性蛋白含量的0.1%。我国学者贺竹梅等[7]将农杆菌与子叶共同培养，将pHLPE表达载体中的人促红细胞生成素的人糖蛋白基因整合到番茄中，产生了具有体外生物活性的蛋白。
4 转基因植物生产要用蛋白存在的问题以及解决方法
利用转基因植物生产药用蛋白具有许多优点，但目前还处于研究初级阶段，任然仍然存在许多问题亟待解决。主要有以下三个方面问题：
4.1 安全性问题 转基因植物可能会造成以下几种生物性安全问题：转入基因引起植物病理性变化，抗性基因漂移到其他物种以及对非目标生物和生态系统造成影响等。此外，转基因作物中外源基因表达产生的蛋白能否造成过敏，是否会发生基因漂移，还有非目的基因：载体DNA序列，启动子和标记基因能否引发安全问题也得到了广泛重视。
转基因植物可能会引发的安全问题主要包括引发植物患病，基因漂流，演变成杂草以及对生态系统的影响等。此外，转基因植物的外源基因编码目的蛋白是否存在过敏以及发生转移，启动子等非目的基因和基因标记等安全性问题也引起人们的广泛关注。
4.2 蛋白表达量低 如果目的基因的表达量低，使得目标蛋白产出量无法满足商业生产的要求。可以考虑优化选择密码子、强启动子、增强子，整合表达等，特别是近年十分热门的叶绿体转化技术，使得目的基因能够在植物叶绿体中高效稳定表达，将目的蛋白固定于植物某个特定的组织器官内来提高表达效果。
4.3 蛋白下游加工问题 由于植物中所含有的色素和糖类会诱导蛋白质降解，给其分离纯化工作造成很大困扰。因此为了方便分离纯化和储存，一般都是让目的蛋白在种子或果实中表达，比如让重组蛋白在种子中表达，如此其便稳定的结合在胚乳细胞的蛋白颗粒中，有利于其分离纯化。
5 结论
转基因植物生产药用蛋白方法相比传统方法有很大的优势，尽管目前其应用还存在许多待解决的技术问题，但随着转基因技术研究的不断深入，转基因植物生产药用蛋白技术将会得到长足发展，可用于生产治疗药物、抗体以及诊断试剂等，并有望实现大规模产业化生产。
参考文献
[1] 杨振泉，刘巧泉，焦新安.利用转基因植物表达药用蛋白[J].中国生物工程杂志，2004，24（3）：22-25.
[2] 林炳英，林德钦，李梅，等.利用转基因植物生产药用蛋白的研究进展[J].福建农业学报，2007，22（1）：94-99.
[3] Mason H S，Lamd M K，Arentzen C J.Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants[J].Proc Natl Acad Sci USA，1992，89：11745-11749.
[4] Gao Y，Ying M A，Mei L L，et al.Oralimmunization of animals with transgenic cherry tomatillo expressing HBsAg[J].World J Gastroenterol，2003，9（5）：996-1002.
[5] Hiatt A，Catferkey R，Bowdish K.Production of antib-lies intransgenic plants[J].Nature，1989，342（6245）：76-78.
[6] Chong D K，Langridge W H.Expression of full length bioactive antimicrobial human lactoferrin in potato plants[J].Transgenic Res，2000，9（1）：71-78.
[7] 贺竹梅，曹俊，李宝键，等.人促红细胞生成素基因在番茄中的表达[J].遗传学报，1998，25（21）：155-159.