质粒DNA生产工艺的研究进展

综述：质粒DNA 生产工艺的研究进展

一、质粒DNA

细菌质粒( plasmid )是存在于细胞质中的一类独立于染色体的自主复制的

遗传成分，除了酵母的杀伤质粒( killer plasmid )是一种RNA 质粒之外，迄今所知的所有质粒无一例外地都是属于这种类型的DNA 分子[1] ，质粒DNA 分子可以持续稳定地处于染色体外的游离状态，随着染色体的复制而复制，并通过细胞分裂传递到后代[2] ，为了更好地适应细胞的生理特点，质粒主要以细长并具有负超螺旋结构的形式存在于原核细胞中[3] 。环形双链的质粒DNA 分子具有三种不同的构型：超螺旋型(SC)质粒DNA ;开环型(OC)质粒DNA和线性(L) 质粒DNA 分子[4] 。用于基因工程改造的质粒载体通常包括复制子、选择标记和目的基因和启动子[5]，为了获得高稳定性、高产量的质粒DNA ，在构建质粒DNA 时，需仔细从以下几个方面着手考虑。

1. 质粒复制子的选择

Prazeres[6] 报道到2010 年，以质粒为核心的基因免疫和治疗的市场产值将会超过450 亿美元，质粒DNA 的需求不断加大。因此，无论从科学还是经济角度出发，在构建DNA 疫苗和基因治疗用途的质粒时，为了提高质粒产量，复制子的选择非常关键，目前，绝大多数学者选择拷贝数高且仅需宿主编码蛋白的ColE1 复制子[7] 。在携带ColEI复制子的质粒中，RNAII是复制的正向调节分子，RNAI是复制的负调节物，另

外，由质粒编码的一种Rop/Rom蛋白可提高RNAI 与RNAII结合的效率，增强RNAI的负调控作用，因此，Rop/Rom 基因缺失至少可使colEI 质粒拷贝数提高3至4倍［8］。丫avachev和Wang ［9-10］研究报道非荷载的转移RNA的二氢尿嘧啶环、反义环和CCA序列可与RNA I或RNAII的环有高度的同源性，从而会影响到质粒DNA的复制，但是其具体机制还有待进一步的研究。

据Minton［11］报道，pUC19系列载体同样被缺失了rop基因，但其与其他缺失rop基因的质粒在拷贝数上的表现却不尽相同，这是由于pUC 质粒在RNAII序列上带有一个G到A的点突变，可依温度的不同而改变正向调节分子RNAII的二级结构，Chambers S

&Yanisch-Perron C 等研究表明在42 C或者45 C下，RNAII似乎折叠成抗RNAI抑制的构型，于是DNA合成的起始加强，结果拷贝数特别高［12-14］。

尽管构建DNA疫苗时普遍使用ColE1类型复制子，但Uhl in B & Remaut E报道的一种由低拷贝发展而来的由温度控制的“失控型” 复制子同样具有巨大的应用前景，这种失控的质粒可使质粒DNA大

量积聚在大肠杆菌中，其拷贝数可以高达1000［ 15-16］ ,An sorge M 和Chao Y证实这种拷贝数已成功地应用来表达大量的重组蛋白［17-18］，尽管“失控型”复制子的优势非常明显，但还没有使用这个类型复制子来构建DNA疫苗的成功例子，至今不清楚什么是导致此种复制子未得到开发的具体原因［19］。

2. 抗性基因的选择

在选择抗生素抗性基因时，由于极少量即可引起部分人群强烈的过敏反应，首先应避免B-内酰胺类抗生素的使用，而应考虑氨基糖苷类的新霉素和卡那霉素［20］,因为这些氨基糖苷类的抗生素在临床上很少使用，且无耳毒性、肾毒性等副作用，所以更为合适［19］。

3. 其他元件的考虑

设计、构建DNA疫苗和基因治疗质粒载体的策略已经十分明显，它除了必须包括一个能使质粒在大肠杆菌中维持、分裂的元件；一个能促使目的基因在机体内表达的元件和选择标记外，还包括其他一些调

控元件，以促使转基因的表达和质粒的稳定［21］，这些元件包括真核

启动子、终止子及其终止信号等，启动子是外源基因在动物细胞内获得表达的必要前提，常见的有CMVI/E、SV40、EF-1 a及UbC 和MHCI 等，CMV比SV40［22］和UbC［23］等更为有效，其中内含子A 更能提高CMVI/E的表达水平［22］, CMV现已被广泛使用在商品化载体上，这对商业开发DNA疫苗来说是十分有帮助的。另外，一些抗原基因本身来源的启动子也可用来构建DNA疫苗，但对于想同时表达多个抗原基因的质粒而言，此种启动子的效果不明显；常用的转录终止子及终止信号包括牛生长激素（BGH ）、SV40及人B-珠蛋白。此外，在构建DNA疫苗时，可利用非甲基化的细菌DNA-CpG 寡脱氧核苷酸来优化整个质粒，提高DNA疫苗的免疫原性，这是因为真核生物CpG的概率只有原核生物的1/16左右［24］，这种频率上的差异使得其与模式识别受体TLR-9的相互作用，提高了免疫应答水平

［25］。

4. 目的基因

在选择和构建质粒DNA时，首先应考虑的是质粒DNA可否整合入宿主基因组，因此，在选择目的基因时，须严格避免目的基因同人类基因组之间具有长片断的同源序列；启动子和终止子同样须认真筛选以严格控制其生物学活性；此外所有构建质粒DNA的过程需要有详细的记录，且附有基因的序列，宿主菌的表型和基因型鉴定［26-32］。

5. 质粒的稳定性

质粒DNA导入宿主细胞后，必将引起宿主菌生理发生改变［33］，质

粒的复制增加了宿主菌的负担，引起宿主菌生长速率下降，使得重组工程菌的发酵过程比非重组菌的发酵过程复杂化，进而有可能降低质

粒DNA的稳定性；同时，外源基因的插入也会干扰到质粒本身的稳定性，在以大肠杆菌为宿主的发酵过程，还必须考虑到宿主菌的遗传特性［34-36］，判定其是否存在可以降解重组DNA，或者产生引起重组DNA的不稳定性的蛋白酶或其他一些蛋白分子。

5.1质粒不稳定性的概念

质粒不稳定性，是指工程菌在生长过程中重组质粒发生变化，结果不呈现原有的表型特征。质粒不稳定可分为两类：分离不稳定性和结构不稳定性［37］。分离不稳定是指在细胞分裂中由于缺陷分配引起部分或全部质粒的丢失；结构不稳定则是由于重组质粒DNA上的缺失、

插入或重排引起的，质粒的分配不稳定性和结构不稳定性的结果都将使我们得不到预期的质粒产量和质量。如果发生质粒分离不稳定，由于部分重组质粒的丢失，工程菌的发酵过程实际上是工程菌和不含有质粒的

宿主菌的混合培养，Imanaka[38]证实在非选择性条件下，含有重组质粒的工程菌的比生长速率（卩+ ）往往小于宿主细胞的比生长速率（T，经过25代后，培养液中几乎都是无质粒的细胞。

5.2质粒拷贝数

质粒拷贝数是体现质粒稳定性的一个重要特征，拷贝数首先决定于自

身的遗传特性，同时也受到宿主菌生理状况及生长环境的影响，

En berg & Nordstorm[39] 研究认为宿主菌生长速率增大，质粒的拷

贝数下降，这可能是高比生长速率下，质粒的复制速度跟不上细胞分裂的速度，从而质粒拷贝数不断下降。此外，Koizumi[40]的研究同

样证实了营养物质的限制或缺乏也会导致质粒拷贝数的下降。一般来讲，质粒拷贝数对质粒稳定性的影响因质粒的不同而不同，Futcher & Cox[41]对几种质粒的稳定性进行了研究，发现质粒稳定性随着拷贝数的增大而增加，但当质粒拷贝数太高时，质粒也往往不稳定，因多次复制，增加了出差错的机会。

5.3培养方式对质粒稳定性的影响

培养基对质粒的稳定性也起着非常重要的作用，Caulcott [42]研究表明质粒在以葡萄糖作为碳源时的丢失频率大于以淀粉为碳源的培养基。低温往往有利于重组质粒稳定地遗传，而当温度高于50 C时，重组质粒在分批培养的对数后期和连续培养时均呈现遗传不稳定状态[43]。