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    天然來源的寡聚脫氧核苷酸活性產(chǎn)物研究進(jìn)展

    2015-11-24 11:34:46郭妍惠長野熊偉謝英楊新躍
    中國醫(yī)藥生物技術(shù) 2015年1期
    關(guān)鍵詞:長野基序真核

    郭妍,惠長野,熊偉,謝英,楊新躍

    ·綜述·

    天然來源的寡聚脫氧核苷酸活性產(chǎn)物研究進(jìn)展

    郭妍,惠長野,熊偉,謝英,楊新躍

    單鏈寡聚脫氧核苷酸(oligodeoxynucleotide,ODN)的生物學(xué)活性被證實與序列和空間構(gòu)象特征有關(guān),使得ODN類藥物的開發(fā)成為近年來的研究熱點[1]。短鏈ODN庫如果由n個脫氧核苷酸(deoxynucleotide,nt)組成,理論上庫容量為4n,30 nt的ODN庫容量就高達(dá)1018。豐富的序列及空間構(gòu)象是ODN活性的基礎(chǔ),高等真核生物和原核生物來源的ODN表現(xiàn)了不同的生物學(xué)活性。

    在天然來源的高等真核生物ODN方面,歐洲的研究重點是傳統(tǒng)生化方法制備的ODN活性產(chǎn)物,其中最成功的就是意大利Gentium SpA公司開發(fā)的去纖苷(defibrotide,DF),豬源的主成分為45~90 nt的ODN混合物[2]。目前,DF臨床試驗主要圍繞肝小靜脈閉塞癥(hepatic venular occlusive disease,VOD)的預(yù)防和治療、多發(fā)性骨髓瘤的治療、腫瘤的輔助治療開展[2-4]。不同于脊椎動物,原核生物基因組富含CpG基序,基于此差異設(shè)計合成的CpG ODN在感染性、過敏性、免疫缺陷性疾病及腫瘤的免疫治療中表現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[5]。下面對高等真核生物及原核生物基因組特點及兩種來源的ODN活性產(chǎn)物研究現(xiàn)狀分述如下。

    1 高等真核生物及原核生物基因組特點

    微生物在漫長的進(jìn)化過程中,通過改變相關(guān)蛋白及脂類的表達(dá)來逃避宿主的免疫識別[6]。然而相對其他菌體成分來說,細(xì)菌基因組DNA是所有菌體中較保守的組成。細(xì)菌DNA有著與脊椎動物DNA明顯不同的結(jié)構(gòu)特征,其中CpG二核苷酸出現(xiàn)頻率高,胞嘧啶呈未甲基化狀態(tài);而脊椎動物DNA中CpG二核苷酸出現(xiàn)頻率低,并且60%~90%胞嘧啶第5碳原子甲基化[7]。這種差別使得細(xì)菌基因組在進(jìn)化過程中成為病原體相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs),從而能夠被脊椎動物所識別,并產(chǎn)生相應(yīng)的免疫應(yīng)答。

    對GenBank中收錄的已完成全基因組測序的高等真核及原核生物基因組CpG基序含量進(jìn)行分析(表1),哺乳動物的CpG含量在2%~2.5%,鮭魚CpG含量也只有3.83%;相對于高等真核生物,原核生物CpG含量非常高,腸道益生菌嗜酸乳桿菌的CpG含量高達(dá)6.68%,致病菌結(jié)核分枝桿菌CpG含量甚至高達(dá)25.33%。圖1所示為各代表物種基因組序列中CpG基序(黑色突出顯示)局部分布情況。正是高等真核生物及原核生物基因組DNA這一明顯不同的結(jié)構(gòu)特征,使得兩種天然來源的ODN具有顯著不同的生物學(xué)活性。

    2 高等真核生物來源ODN——去纖苷

    DF的化學(xué)本質(zhì)是鏈長分布集中在45~90 nt(15~30 kD)的豬源ODN混合物,嘌呤嘧啶比大于0.85。DF可以通過靜脈注射及口服兩種方式給藥,鑒于消化道DNase水解、吸收效率及肝臟首過效應(yīng)等因素,DF口服生物利用度不足70%[8]。注射給藥DF的半衰期為10~30 min,而口服給藥DF的清除需要數(shù)小時,DF及其代謝產(chǎn)物主要通過尿液及糞便排出體外[9]。

    表1 高等真核生物與原核生物CpG基序含量分析

    圖1 真核生物與原核生物基因組中CpG分布局部截圖

    生物學(xué)活性多樣性是DF最突出的特點,大量研究證實DF具有促纖溶、抗炎、抗心肌缺血、抗動脈粥樣硬化及抗腫瘤的活性[2,9-10]。DF一系列生物學(xué)活性主要是針對微血管產(chǎn)生的[11]。促纖溶和抗凝活性被認(rèn)為是通過提高血管內(nèi)皮組織纖溶酶原激活劑(tissue plasminogen activator,tPA)的表達(dá),同時降低抑制因子(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)和組織因子(tissue factor,TF)分泌來產(chǎn)生的[12]。體外實驗證實DF是纖溶酶的激動劑,并可以增強肝素的抗凝活性[13]。大量的臨床研究是針對DF可以選擇性抗凝,并降低出血風(fēng)險的特性展開的[10,14-15]。DF用于VOD治療的臨床實驗已經(jīng)開展了I~I(xiàn)II期,預(yù)防VOD進(jìn)行了II~I(xiàn)II期臨床試驗[3,9]。腫瘤組織周圍多發(fā)新生血管,DF具有抗血管新生的作用,且這一活性的發(fā)揮并不依賴于表皮生長因子受體[16-17]。體外實驗證實DF可以提高腫瘤細(xì)胞的化療敏感性,這些都表明DF在抗腫瘤治療方面有廣闊的開拓前景[18]。目前,DF用于多發(fā)性骨髓瘤的治療已經(jīng)進(jìn)入了II期臨床試驗階段。

    2.1 去纖苷生物學(xué)活性基礎(chǔ)

    已有的研究雖然揭示了DF多樣的生物學(xué)活性,但對DF活性序列特征、堿基組成、鏈長、作用受體等分子機制的了解并沒有深入。DF的ODN主成分鏈長集中在45~90 nt,圖2A為DF 5%~20%尿素變性PAGE膠銀染分析結(jié)果,DF電泳條帶呈拖尾狀,鑒于銀染的高靈敏度,可以看出DF鏈長實際分布范圍很廣;2%瓊脂糖電泳表明DF主要為小分子ODN(圖2B);DF凝膠過濾HPLC圖譜呈前沿峰(圖2C)。HPLC是DF分子量最常用的分析手段[19]。DF作為難于質(zhì)控的多組分生化藥,除分子量分布外,其他可參考的理化參數(shù)如下:①DF所包含隨機序列分子式為P1-5(dAp)12-24(dGp)10-20(dTp)13-26(dCp)10-20,這就限定了DF類似物制備的原料來源,要求原料DNA至少具有和豬源DNA相近的GC含量;②酸水解制備DF過程中,會有脫嘌呤現(xiàn)象發(fā)生,脫嘌呤過高會嚴(yán)重影響DF生物學(xué)活性,因而限定DF的嘌呤嘧啶比要大于0.85,這對DF類似物的制備方法提出了挑戰(zhàn)。

    凝膠過濾層析對DF進(jìn)行分子量分級,體外促纖溶活性與DF分級組分的平均分子量呈正相關(guān),20 nt以下組分則完全喪失促纖溶活性[13]。然而,DF分子量分級得到的12~30 nt(4~10 kD)的ODN卻表現(xiàn)了良好的局部抗缺血活性,并在免疫抑制治療過程中起到內(nèi)皮細(xì)胞保護(hù)功能[20]。DF生物學(xué)活性一方面和其多聚陰離子的特性有關(guān);另一方面,DF作為ODN混合物,其分子內(nèi)存在堿基的互補配對,這些構(gòu)成了DF序列多樣性和空間構(gòu)象多樣性的基礎(chǔ),推測與其多種生物學(xué)活性直接相關(guān)。DF類似于豬源的ODN文庫,很多學(xué)者嘗試用SELEX的技術(shù)篩選DF,用核酸適配體理論去證明或解釋DF的各種生物學(xué)活性,但結(jié)果不令人滿意。DF活性的多樣性取決于ODN混合物序列、長度及構(gòu)象的多樣性,這一理論被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同[4,14]。

    圖2 DF分子量分布分析(A:5%~20%梯度變性PAGE電泳;B:2%瓊脂糖凝膠電泳;C:凝膠過濾HPLC)

    2.2 高等真核生物來源的ODN

    Gentium SpA公司建立了哺乳動物來源DNA化學(xué)可控降解方法,并成功用于DF的制備[21]。近年來的研究表明DF生物學(xué)活性的發(fā)揮與ODN混合物序列、長度及構(gòu)象特征等有關(guān)。高等真核生物基因組DNAGC含量、序列特征相近(表1),哺乳動物來源如豬源、牛源基因組DNA是DF及其類似物的理想制備原料來源[22-23]。鮭魚精DNA資源豐富,價格低廉,是功能性食品及核酸藥品生產(chǎn)的最主要原料來源,且GC含量與哺乳動物接近,是哺乳動物DNA的理想替代品。利用鮭魚精來源DNA,我們建立了高溫酸性條件下水解的方法,制備的鏈長集中在45~90 nt的ODN,在體內(nèi)、體外均表現(xiàn)出了促纖溶的活性,有望成為新型的抗凝劑[19]。

    3 原核生物來源ODN——CpG ODN

    早在19世紀(jì)后期,學(xué)者發(fā)現(xiàn)腫瘤患者注射少量的天然細(xì)菌制品可以明顯減輕其癥狀,就是因為細(xì)菌DNA介導(dǎo)了這種抗腫瘤作用[24]。后續(xù)的研究證實,含有未甲基化CpG基序的寡核苷酸片段(CpG containing oligodeoxynucleotide,CpG ODN)是細(xì)菌DNA的最小作用單位,能夠完全模擬細(xì)菌DNA發(fā)揮免疫刺激作用[25]。胞嘧啶甲基化可導(dǎo)致活性減半,而核心基序C與G順序顛倒則活性完全喪失[26]。

    3.1 CpG ODN來源

    早期的研究均采用熱變性的單鏈大分子細(xì)菌基因組DNA,由淋巴細(xì)胞加工生成CpG ODN[7,25,27-29]。但細(xì)菌基因組DNA分子量大,一方面細(xì)胞攝取率低;另一方面難于純化去除菌體蛋白、內(nèi)毒素等雜質(zhì),臨床試驗安全性低,因而僅局限于實驗室研究[25,28]。超螺旋質(zhì)粒DNA可實現(xiàn)規(guī)模發(fā)酵、制備,內(nèi)毒素、菌體蛋白等雜質(zhì)易去除,可達(dá)到注射用藥標(biāo)準(zhǔn)[30],富含CpG基序的重組質(zhì)粒在獸醫(yī)臨床中得到應(yīng)用[31-32]。模擬淋巴細(xì)胞降解并遞呈CpG ODN的過程,研究者通過人工合成的方法制備出CpG ODN,其表現(xiàn)出了與細(xì)菌DNA相似的免疫刺激活性。

    目前,人工合成的CpG ODN被認(rèn)為是一種有效的免疫佐劑和治療劑而被應(yīng)用于臨床研究。CpG單藥抗腫瘤的作用已在黑色素瘤、膀胱癌、結(jié)腸癌、淋巴瘤和肺癌等多種動物模型中得到了研究,證實其具有預(yù)防和消除實體瘤的療效[33]。CpG ODN與腫瘤疫苗、單克隆抗體、化療等聯(lián)合用于抗腫瘤的臨床研究也取得了滿意的療效[5]。

    3.2 人工合成的CpG ODN

    人工合成的CpG ODN根據(jù)結(jié)構(gòu)和免疫刺激作用特點主要將其分為4種類型(表2)。利用磷硫酰骨架取代磷酸二酯鍵可抵抗核酸內(nèi)切酶的水解,延長CpG ODN體內(nèi)半衰期,但化學(xué)修飾對活性是否有影響還存在爭議[34-35]。為了提高CpG ODN的TLR9激活效應(yīng),通常在一條ODN鏈上串聯(lián)多個CpG基序,如B、C、P型ODN的設(shè)計[36]。也可引入回文序列,將CpG呈現(xiàn)于發(fā)夾結(jié)構(gòu)頂端利于其與TLR9結(jié)合[36]。天然來源的菌體DNA具有序列多樣性,而人工合成的CpG ODN序列單一,鑒于CpG ODN具有種屬特異性的特點,圍繞著如何設(shè)計通用型CpG ODN,在串聯(lián)多個CpG基序的同時,引入人和鼠共識別的六核苷酸基序,如GTCGTT和GACGTT[34]。用于臨床研究的ODN序列均較長,主要集中在22~24 nt[5,24]。

    3.3 CpG ODN新來源

    盡管人工合成DNA技術(shù)不斷改進(jìn),但CpG ODN用藥劑量大,合成法制備成本仍非常高。在對序列進(jìn)行優(yōu)化,骨架進(jìn)行修飾的同時,圍繞著如何提高CpG ODN生物利用度、改良劑型的報道也較多。納米粒攜帶可以促進(jìn)細(xì)胞攝入CpG ODN,加強其免疫刺激效應(yīng)[37-38]。如脂質(zhì)體納米粒不但提高了CpG ODN生物利用度,還可促進(jìn)TLR9由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)遷移至內(nèi)體,在內(nèi)體艙內(nèi)與CpG相互作用[39-40]。

    CpG ODN化學(xué)合成的成本高,限制了其作為免疫佐劑在臨床尤其是獸醫(yī)臨床中的應(yīng)用。國內(nèi)外很多學(xué)者嘗試擴展CpG ODN的來源,并作為畜禽疫苗佐劑。相對于菌體基因組DNA,質(zhì)粒DNA具有可獨立大量復(fù)制、易于純化的優(yōu)點,作為DNA疫苗載體應(yīng)用于人體,其安全性和有效性得到了充分證實[30]。將不同長度和不同CpG基序的DNA片段插入質(zhì)粒,構(gòu)建富含CpG的重組質(zhì)粒,經(jīng)大腸桿菌發(fā)酵、菌體裂解、純化等生物工程下游技術(shù)可大規(guī)模制備CpG重組質(zhì)粒,研究證實CpG重組質(zhì)粒具有和人工合成的CpG DNA相同的免疫刺激活性,可提高口蹄疫、禽流感滅活疫苗抗體水平2~4倍[31-32],增加畜禽抵抗感染性疾病的能力[41]。CpG重組質(zhì)粒可在動物體內(nèi)停留8~16 d,無基因組整合風(fēng)險,符合農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價的要求[42]。

    表24 種類型CpG ODN結(jié)構(gòu)特點及免疫功能對比

    4 結(jié)語與展望

    DF最初是由豬小腸黏膜基因組DNA通過控制解聚制得[21]。豬源臟器是應(yīng)用最為廣泛的生化制藥原料,肝素、硫酸軟骨素、胰島素等傳統(tǒng)生化藥物品種都提取自豬臟器,其安全性、有效性經(jīng)過了反復(fù)驗證,這可能是DF原料選擇的初衷,但正是這點大大限制了DF的來源,DF適應(yīng)證目前正從VOD擴大到腫瘤用藥,首要解決的就是來源有限的問題。鮭魚DNA是哺乳動物來源DNA的理想替代品,利用改良的化學(xué)可控降解方法制備各類分子量分布的ODN,針對DF主要作用靶點內(nèi)皮細(xì)胞和血小板,有望篩選得到新型的血管內(nèi)皮細(xì)胞保護(hù)劑及抗凝劑。

    人工合成CpG ODN技術(shù)成熟,但作為免疫佐劑及治療劑用藥劑量大[0.1~0.5 mg/(kg·d)],化學(xué)合成成本高,因而目前臨床試驗主要圍繞抗腫瘤及腫瘤的輔助治療開展,在感染性疾病的治療方面應(yīng)用有限[26]。人工合成的CpG ODN長度在20~30 nt活性最強,小于8 nt則完全喪失生物學(xué)活性[24-25,34]。如果能將原核生物如細(xì)菌DNA體外降解為25 nt左右的ODN片段,每條鏈上的CpG基序平均將高達(dá)2~3個。是否能將DF及其類似物的制備方法用于細(xì)菌DNA的降解,在降解制備源于細(xì)菌的天然CpG ODN方面實現(xiàn)技術(shù)突破,值得進(jìn)一步研究。該方法成本極其低廉、質(zhì)量可控,有望成為CpG ODN的理想來源。

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    518001深圳職業(yè)病防治院

    惠長野,Email:hcy_sypu@163.com

    2014-07-15

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