转基因植物作为生物制药的表达工厂

摘要

目前，农业不仅提供粮食，而且还用于生产药品或工业化合物，如药品、疫苗以及可生物降解塑料和工业化学品。近三十年来，植物基因工程在从作物中生产生物医药产品方面发挥了至关重要的作用。由于基因工程技术的进步，生物技术专家可以利用活的有机体，借助农杆菌介导的转化、生物基因枪等不同的转化技术，对植物进行改造，生产出用于诊断和营养补充的生物制药产品。

简介

目前，农业不仅提供粮食，而且还用于生产药品或工业化合物，如药品、疫苗以及可生物降解塑料和工业化学品。近三十年来，植物基因工程在从作物中生产生物医药产品方面发挥了至关重要的作用。由于基因工程技术的进步，生物技术专家可以利用活的有机体，借助农杆菌介导的转化、生物基因枪等不同的转化技术，对植物进行改造，生产出用于诊断和营养补充的生物制药产品。科学家还能够控制基因表达、蛋白质靶向、生长和其他参数，以调整产品的结构和功能特性[1］．这项研究的进展导致了从基础研究向商业开发的转变，因为分子农业已经成为生产药物产品的一种选择方法。发展转基因植物作为生物药物生产的来源被称为分子农业。它涉及利用植物和动物生产蛋白质和其他有价值的代谢产物，在医疗领域或工业中具有治疗价值[2，3.］．1986年，Batra获得了第一个在植物中制造的药学相关蛋白，一种人类生长激素，在转基因烟草中表达，表明功能性重组抗体可以在烟草中表达[4］．后来证明利用转基因高等植物可以生产具有经济价值的外源蛋白[5］．在那之后，植物被广泛用于制药产品的生产。类似地，其他研究也进行了，如具有重要特性的鸡蛋蛋白-亲和素血液替代品[6，7］．1999年，在名为抑肽酶的转基因植物中生产了第一种分子养殖的药物蛋白质，一种牛蛋白酶抑制剂，以及第一批疫苗[8，9］．研究表明，转基因植物用途极为广泛，可广泛用于生产各种蛋白质[10］．虽然转基因动物、细菌和真菌也被用于生产蛋白质，但利用植物可以获得更多的经济利润[11］．优选使用高等植物而不是动物生产蛋白质，原因如下:(a)生产成本低于转基因动物;(b)搬运比动物搬运容易，种植、收获和加工植物材料方面已有专门知识;(c)植物不含已知的人类病原体(如病毒粒子)，因此最终产品不可能受到污染;(d)高等植物通常从真核生物中合成具有正确折叠、糖基化和活性的蛋白质;(e)稳定性高于动物，因为植物细胞可以将蛋白质储存到亚细胞内室，减少降解，从而增加稳定性[11，12］．为了长期储存，转基因植物还能产生富含重组蛋白的器官[13］．通过稳定转化的植物系在田间繁殖，可以产生大量的生物量和蛋白质[14］．由于这些原因，植物分子农业对现代生物技术人员，特别是质体和叶绿体工程越来越有吸引力[11，15，16］．目前分子农业主要应用于水稻、小麦、玉米、香蕉、番茄、烟草、拟南芥和油菜。其中主要以烟草作为模型表达系统，因为烟草具有每亩生产大量绿叶材料的能力。但对于生物制药的种子生产，玉米、大豆和油菜籽等作物是首选，因为烟草种子非常小。

其中一项即将到来的技术是多基因直接DNA转移，它比替代基因转移具有主要优势，在这种技术中，复杂重组大分子表达所需的所有成分都被转移到植物基因组中[17］．将不同质粒中的4种转基因基因转入水稻，结果表明20%的转基因植株携带全部4种基因。由此产生的转基因植物表明，多个转基因以一种关联的方式遗传[18］．DNA直接转移的另一个例子是引入包含启动子、开放阅读框、终止子和无载体主干的表达盒，在这种情况下转基因的稳定性和表达水平更高[19］．另一种技术是在质体中制造药物产品，因为在同质转化体中有大量的转基因副本，从而以质体为疫苗生产平台生产大量的重组破伤风毒素片段(TetC)。烟草叶绿体中TetC的含量为总可溶性细胞蛋白的25%，表明利用质体生产疫苗是一种有前途的方法[20.-22］．后来发现质体中的目标药物分子很少表达或没有表达，因此得出结论，在TetC表达水平的情况下，它的密码子优化解决了问题。轮状病毒VP6蛋白在烟草幼叶叶绿体中表达量较高，但随着烟叶成熟，其表达量呈下降趋势[23］．

在选择生产系统之前，在选择用于生产重组蛋白的宿主植物种类、组织和目标亚细胞细胞器时，有许多因素必须牢记。其中最重要的一个因素是表达水平，另一个是从生物安全的角度来看，暴露对环境、食品和饲料链的影响。潜在的风险之一是花粉从转基因到相关异交种和其他非转基因作物的可转移性，这可能导致基因工程材料在环境和非目标生物中的持久性[24，25］．根据糖基化CTB的过表达导致大量组织坏死，除非保留在内质网(ER)内，否则难以积累[26］．他们还报道了gCTB作为口服免疫原的潜力，并指出n -糖基化在增加植物重组蛋白产量方面的潜在作用。中显示了在转基因植物中生产和正在进行商业化的各种生物药物的一些例子表1．

表1:在转基因植物中生产的各种生物药物的例子，正在进行商业化。

结论及未来展望

植物分子农业正被用来满足不断增长的重组蛋白的需求，以更低的成本和更高的数量，无法在微生物和动物细胞培养中生产。数量的增加和成本的降低有助于患者更容易获得药物。与其他重组起源系统一样，由转基因植物衍生的生物制药产品必须通过风险评估分析达到标准和安全性。我们可以通过使用温室等密闭生产设施、开发表型和荧光标记来降低污染的风险，这些标记可用于表达药物的品系的视觉选择[27］．以非食用植物为宿主时，需要高效的纯化系统来保证药品的安全性。例如，在烟草的情况下，它不与其他潜在的有毒蛋白质或抗原植物代谢物共同纯化。在生物制药中，糖基化的性质是一个主要的问题，有时与在动物中发现的不同。在哺乳动物中，低聚糖为广泛的延伸和修饰过程提供了底物，以引起n -糖基化的最终多样化，而在植物中，这些低聚糖的修饰更有限。许多产品已经从植物中开发出来，人类经常接触食物中的植物糖蛋白而没有不良反应。一些碳水化合物部分是植物特有的，如果定期施用，可能会对免疫系统提出抗原挑战，从而导致致敏。因此，为了摆脱致敏性，研究人员应该尝试开发这种缺乏糖基化途径酶的转基因突变植物。另一个问题是监管框架的发展，使人类疗法商业化，这将有助于公众迅速相信和接受这项技术。

参考文献

1. 植物分子农业:寄主系统和表达技术。生物科技趋势》(2003); 21:570 - 578。
2. 弗兰肯等人。来自转基因植物的重组蛋白。CurrOpinBiotec。(1997); 8:411 - 416。
3. Sahu PK等。分子农业:在农业生产有用的代谢物的生物技术方法。国际生物技术生物化学杂志(2014)4:23-30。
4. 转基因植物中抗体的产生。大自然。(1989), 342(6245): 76 - 78。
5. Kusnadi AR等人。两种转基因玉米重组蛋白的制备与纯化。BiotechnolProg．(1998); 14:149 - 155。
6. Hood EE等。转基因玉米亲和素的商业化生产:转化体的特性、生产、加工、提取和纯化。摩尔的品种(1997); 3:291 - 306。
7. 马格努森NS等。转基因烟草细胞悬浮培养中生物活性人白细胞介素-2和白细胞介素-4的分泌．蛋白质ExprPurif。(1998)13:45-52。
8. 钟光毅等。转基因玉米种子抑肽蛋白的商业化生产。摩尔的品种(1999); 5:345 - 356。
9. 沃姆斯利A和阿恩岑C.用于运送食用疫苗的植物。CurrOpin生物科技(2000)。; 11:126 - 129。
10. Schillberg S等人。植物抗体的分子农业。Naturwissenschften。(2003); 90:145 - 155。
11. 喇叭ME等人。植物分子农业:系统和产品。植物细胞代表(2004); 22:711 - 720。
12. Obembe OO等人。植物分子农业研究进展。Biotechnol副词(2011); 29:210 - 222。
13. 马松，王安。植物分子农业研究综述。（在）植物分子农业研究进展及展望。施普林格酒吧。(2012年);1 - 20
14. Kamenarova K等人。植物分子农业:一种农业生物技术方法。J细胞Mol生物学(2005); 4:77 - 86。
15. Breyer D等人。转基因植物分子农业的生物安全性。（在)植物分子农业研究进展及展望。SpringerPub。(2012),259 - 274
16. Sparrow P等。分子农业的风险评估与监管:欧美比较。Curr Pharm Des(2013); 19:5513 - 5530。
17. Nicholson L等人。在水稻中表达的重组多免疫球蛋白在胚乳细胞中显示装配依赖的亚细胞定位。植物BiotechnolJ(2005); 3:115 - 127。
18. 陈磊等。水稻多基因的表达与遗传。生物科技Nat》(1998)16: 1060 - 1064。
19. Christou P和Kohli A.转化方法和由此产生的转基因植物。(2005)美国专利号6846970。（http://www.patentgenius.com/patent/6846970.html）
20. http://www.patentgenius.com/patent/6846970.html
21. 转基因叶绿体在基础研究和植物生物技术中的应用。J Mol生物学(2001); 312:425 - 438
22. 转基因作物基因控制的分子策略。生物科技Nat》。(2002); 20:581 - 586。
23. Tregoning JS等。破伤风毒素片段C在烟草叶绿体中的表达。核酸测定。(2003); 31:1174 - 1179。
24. Birch Machin I等人。逆转录病毒VP6蛋白在烟草叶绿体中的积累受蛋白质稳定性的限制。植物生物技术(2004); 2:261 - 270。
25. Vancanneyt G等人。植物制药比较不同植物表达和生产系统的案例研究。方法Mol Biol(2009); 483:209 - 221。
26. 丹尼尔·赫等人。医用分子农业:在植物中生产抗体、生物药品和食用疫苗。植物科学(2001); 6:219 - 226。
27. Hamorsky KT等人。霍乱毒素B亚基的n -糖基化Nicotianabenthamiana:对宿主应激反应、产量和疫苗潜力的影响。Sci众议员(2015)5:8003。