基因治疗

基因治疗【摘要】研究发现，以基因为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有“基因病”概念产生。

根据这一概念，人类疾病大致可分为三类：单基因病、多基因病和获得性基因病。

随着现代生物科学的发展，基因工程已在多个领域得到广泛应用。

基因治疗是利用基因工程技术向有功能缺陷的人体细胞补充相应功能基因，以纠正或补偿其疾病缺陷，从而达到治疗疾病的目的。

基因治疗作为治疗疾病的一种新手段，已经在肿瘤、感染性疾病、心血管疾病和艾滋病等疾病的治疗方面取得进展。

它在一定程度上改变了人类疾病治疗的历史进程，被称为人类医疗史上的第四次革命。

本文就基因治疗的载体以及基因治疗在肿瘤、艾滋病治疗方面取得的成就作出介绍，并就基因治疗的现状和问题对基因治疗的未来作出展望。

【关键词】基因治疗、载体、肿瘤、p53、IAP、艾滋病、CCR5【正文】一、基因治疗背景及概念1990年9月，美国政府批准实施世界上第一例基因治疗临床方案，对一名患有重度联合免疫缺陷症（SCID）的女童进行基因治疗并获得成功，从而开创了医学的新纪元。

自此以来，基因治疗已从单基因疾病扩大到多基因疾病，从遗传性疾病扩大到获得性疾病，给人类的医疗事业带来革命性变革。

基因治疗（gene therapy）是指通过一定的方式，将正常的功能基因或有治疗作用的DNA 序列导入人体靶细胞去纠正基因突变或表达失误产生的基因功能缺陷，从而达到治疗或缓和人类遗传性疾病的目的，它是治疗分子疾病最有效的手段之一。

基因治疗包括体细胞基因治疗和生殖细胞基因治疗。

但由于用生殖细胞进行治疗会产生伦理道德问题，因此通常采用体细胞作为靶细胞。

其基本内容包括基因诊断、基因分离、载体构建和基因转移四项。

根据功能及作用方式，用于基因治疗的基因可分为三大类：（1）正常基因：可通过同源重组方式置换病变基因或依靠其表达产物弥补病变基因的功能，常用于矫正各种基因缺陷型的遗传病；（2）反义基因：通过其与病毒激活因子编码基因互补，或与肿瘤mRNA互补，从而阻断其表达，常用于治疗病毒感染或肿瘤疾病；（3）自杀基因：能将无毒的细胞代谢产物转变为有毒的化合物，用于治疗癌症。

二、基因治疗载体基因治疗有两种途径，包括ex vivo法（体外法）、in vivo法（体内法）。

其中，ex vivo 法是将受体细胞在体外培养，转入外源基因，再回输到患者体内。

而in vivo法不需要细胞抑制，通过将外源DNA注射至机体内而达到治疗目的。

基因本身是无法自己进入到细胞体内的，必须依靠一定的载体才行。

基因导入系统是基因治疗的核心技术，可分为病毒载体系统和非病毒载体系统。

病毒作为最简单的生命计生形式，通常可以高效地进入靶细胞。

因此，病毒率先被科学家改造并作为基因治疗的载体。

原则上讲，所有的病毒都可以通过一定的减毒处理，在合适的位置插入外源治疗基因，成为基因传递的工具。

常见的病毒载体有：（1）逆转录病毒；（2）腺病毒；（3）腺伴随病毒；（4）单纯疱疹病毒。

其之间的优缺点比较如下所示：常见病毒载体的优缺点比较虽然病毒载体被广泛应用，但它们仍存在不少局限性。

病毒插入染色体后的位置是随机的，存在着插入突变等致癌、致毒的风险，还可诱导机体产生免疫反应。

因此，基因治疗产生副作用的“罪魁祸首”就是输送治疗基因到达致病靶点的载体。

理想的基因治疗应该能根据病变的性质和严重程度的不同，调控治疗基因在适当的组织器官内和以适当的水平或方式表达。

可是，目前，科学家还不具备这样的掌控力。

而非病毒载体系统具有低度，低免疫原性和相对靶向性等优点，正受到科学家的青睐。

常用的非病毒载体系统有：（1）直接注射法；（2）磷酸钙共沉淀法；（3）脂质体转染法；（4）微粒子轰击法；（5）受体介导的基因转移。

通过移植基因来改良造血干细胞是目前出现的基因治疗新思路。

造血干细胞属于骨髓细胞，它可以产生血液和免疫系统中所有的细胞。

被改良的造血干细胞可以使宿主产生新的免疫系统，从而让肿瘤消失，这与直接移植造血干细胞的效果相似。

同时，造血干细胞是悬浮的，即使是病毒载体进入，在整个循环系统里面，它们也能相对均匀地接触这些悬浮的细胞，避免冲撞到部分致命细胞而产生副作用。

三、肿瘤的基因治疗恶性肿瘤是当今威胁人类生命的重大疾病之一，其致死率高居各类疾病之首。

而传统的化疗或手术治疗方式往往会带来较强的副作用，并且容易复发。

研究表明，肿瘤的生成涉及多因素、多步骤和多种基因。

其中，最常发生的两类基因异常变化是：癌基因的激活、抑癌基因的失活。

1、p53基因p53基因是目前研究最广泛和深入的抑癌基因，人的p53基因编码一种核磷蛋白，能与DNA结合而起到转录因子的作用。

当p53正常发挥功能时，它参与细胞分裂的调控。

而当p53蛋白功能出现异常时，则会引起失控性细胞分裂最终致使癌症的发生。

研究表明大约一般的癌症中都存在p53基因突变，这些突变主要发生在DNA结合区。

由比利时布鲁塞尔自由大学的Frederic Rousseau和Joost Schymkowitz领导的一个科研小组在新研究中则发现蛋白质积聚与癌症的发病相关。

研究人员证实，p53的某些突变可导致蛋白质发生错误折叠从而导致癌症的发生。

此外，研究人员还发现突变可能导致p53获得完全不同的特性，进而转变为加速肿瘤生长的物质。

另外，研究人员在进一步研究中发现，突变的p53基因似乎还与细胞内的调控分子p63、p67形成积聚物，从而导致这些调控分子丧失自身的功能。

以色列Weizmann 科学研究所分子细胞生物学中心，美国St.Jude儿童医院肿瘤科的科学家对抑癌基因p53的调控机制研究发现，Mdm2(murine double mimute2)能通过抑制核糖体蛋白L26与p53基因mRNA间的相互作用调节p53基因的翻译过程。

Mdm2基因是一个由p53激活的靶子。

这种诱导过程是体内p53的一种自我调节机制。

Mdm2的基因产物可以和p53结合，因此可以起到一种对p53的负调节作用。

但另一方面，由于Mdm2的活性表达，即使是低水平Mdm2的表达，也将会引起细胞成瘤性的增强，研究发现表达突变的p53的细胞有更大的成瘤性。

Mdm2通过促进核蛋白介导的降解来调节p53基因。

在细胞里，Mdm2与p53能形成一个环形的反馈回路，保持肌细胞中p53的活性处于较低的水平。

研究者发现，核糖体L26是Mdm2调节p53的作用靶位，Mdm2与L26结合后会诱导L26降解。

此外，Mdm2与L26会降低L26与p53结合的几率，降低抑癌基因p53的表达效率。

2、IAP-靶向治疗凋亡抑制蛋白（IAP），是细胞分裂，细胞凋亡，信号转导的关键调节因子。

BIR结构域是IAP家族的共有分子结构，不同的BIR结构域在结构表面形成小沟，与靶蛋白N端序列表位亲和结合，靶蛋白包含的特定N端序列表位构成IAP结合基序（IBMs）。

细胞凋亡的主要执行者是一组天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶（Caspase），包括启动型Caspase和效应型Caspase，IAPs蛋白可调节启动型Caspase和效应型Caspase的内源凋亡抑制蛋白家族，其中，XIAP是最有效的Caspase抑制剂，具有强稳定性和高效性。

细胞凋亡失调在肿瘤的发生中起着重要作用，肿瘤细胞凋亡失常引起细胞无限增殖，进而导致肿瘤形成。

IAPs蛋白抑制细胞凋亡，在肿瘤的发生发展过程中起到关键作用。

因此，通过调节IAP蛋白的水平就可能治疗肿瘤。

大量研究表明，由Smac蛋白衍生的四肽或非肽类模拟物，可以和IAP蛋白的BIR结构结合，从而抑制IAP蛋白的功能，促进Caspase活化和肿瘤细胞凋亡。

利用Smac小分子模拟物，协同化疗药物，可以显著增强抗癌药物疗效。

另外，中国研究人员发现，通过生物可降解的聚合物多肽纳米体系实现基因与化疗药物的共传递，结合基因治疗中小干扰RNA（siRNA）能够特异下调肿瘤细胞中致癌基因表达的特点，降低化疗药物的剂量，并使化疗药物更高效发挥作用，进而杀死癌细胞。

同时，蛋白分析实验也表明通过抗凋亡蛋白siRNA干扰后肿瘤细胞中的抗凋亡蛋白表达水平显著下调，证明多烯紫杉醇与siRNA协同治疗肿瘤作用显著。

因此，联合基因-化学治疗被视为癌症治疗的新策略。

3、个人想法目前有多种解释癌细胞形成的理论，其中被广泛接受的是自由基假说。

自由基假说认为细胞在繁殖过程中会不断破坏端粒，导致染色体重要信息部位暴露，引起细胞的衰老和死亡，而端粒酶则可以修复受损端粒，使细胞不死。

癌细胞正是因为存在这种酶而能无限繁殖。

利用这种假说结合蛋白质工程，如果能设计出一种能与端粒酶特异性结合的干扰因子，该干扰因子能够自由进入人体细胞。

虽然其能进入正常细胞，但是由于正常细胞没有端粒酶，故该干扰因子无法发挥任何作用而最终被分解。

然而当其进入肿瘤细胞，该干扰因子就能与端粒酶结合，抑制端粒酶修复肿瘤细胞的端粒，进而使癌细胞死亡。

四、艾滋病的基因治疗获得性免疫缺陷综合征（AIDS，艾滋病）是一种主要由HIV-1病毒引起的全身性疾病，该病毒通过攻击人体的辅助性T淋巴细胞，破坏人体免疫系统而致人死亡。

目前，国际上尚无有效的预防及治疗措施。

基因治疗作为一种新兴的治疗方式，是一种很有前景的AIDS 治疗方法。

趋化因子CCR5属于G蛋白偶联受体超（GPCR）家族，是HIV-1入侵机体细胞的主要辅助受体之一，缺乏CCR5将使HIV不能进入细胞从而不能感染细胞。

德国的一个医疗小组把CCR5基因缺陷的人的骨髓造血干细胞移植给一个患有白血病的艾滋病患者治疗其白血病。

通过两年多的观察，研究人员发现该患者的艾滋病也被治愈。

因此，CCR5已成为抗艾滋病研究的最佳靶点之一。

在HIV-1的入侵过程中，位于病毒颗粒表面的包膜糖蛋白gp120首先与宿主细胞表面的CD4受体结合而使自身构象改变并暴露出可被CCR5识别的位点。

该区域与CCR5结合后诱发CCR5的N-末端区域结合gp120的保守区域，致使另一膜糖蛋白gp41构象改变，驱动病毒膜与细胞膜融合，使病毒入侵细胞。

研究表明，小分子CCR5拮抗剂能够结合在由跨膜区一些关键氨基酸残基组成的疏水口袋中，进而阻止gp120与CCR5结合，起到预防和控制病毒感染的效果。

目前已生产出的小分子CCR5拮抗剂有：托品烷类化合物、1-苯并吖辛因类化合物、哌嗪/哌啶-哌啶类化合物、螺环二酮哌嗪类化合物、六氢吡咯并[3，4-c]吡咯类化合物、吡咯烷类化合物。

目前，第一个上市的小分子CCR5拮抗剂已成功应用于艾滋病的临床治疗，为艾滋病患者带去福音。

虽然CCR5的晶体结构仍未得到解析，CCR5拮抗剂的开发研究已成为当前艾滋病治疗的重要方向之一。

相信在不久的将来，一定会有更多的新药被应用于艾滋病的临床治疗。

利用基因工程，如果能够设计并合成一段CCR5互补基因，使该互补基因能够转录出能与CCR5 mRNA特异性互补结合的mRNA，阻止CCR5基因的mRNA翻译过程，进而阻止趋化因子CCR5的形成，使HIV失去辅助受体而无法入侵细胞，从而达到治愈目的，也不失为一种理想的治疗方法。