一文读懂AAV基因治疗

Gator Bio 细胞基因疗法 2023-12-01

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什么是基因治疗

在了解基因治疗之前，首先让我们来复习下什么是基因？什么是基因突变？

人体由数万亿个细胞组成。细胞是所有生物的基本组成部分，每个细胞的指挥中心叫做细胞核，它包含染色体。

染色体是由身体的遗传物质DNA构成的。而基因就是控制性状的基本遗传单位，除某些病毒的基因由RNA构成以外，多数生物的基因由DNA构成。简单点说，基因是有遗传效应的DNA或RNA片段。

既然基因是携带遗传信息的DNA，那就可以通过编码指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，进而在细胞中实现绝大部分功能。这一作用机理遵循中心法则：DNA转录为mRNA再翻译为蛋白质。

所谓基因突变，不难理解就是基因的DNA序列发生了变化，如基因替换、插入或缺失等。一旦发生这样的突变就可能导致某些必需的蛋白质不能产生或者不能正常工作，从而引发一些疾病。

不少癌变及遗传性疾病等就是因为体内某种基因缺陷或突变引起的，如：

我们所说的基因治疗（gene therapy）是指将外源正常基因通过基因转移技术导入靶细胞或通过基因编辑技术对靶细胞内基因组进行改造，以纠正或代偿基因缺陷和异常引起的疾病，最终达到治疗目的的一种生物治疗方法。

对应治疗方法主要3种：

1）用正常基因替换致病基因；

2）引入新的基因或修饰改造原有基因；

3）使不能正常工作的基因失活。

有了外源正常基因，如何将其引入细胞呢？直接导入肯定不切实际，因为游离的DNA进入细胞后一般会直接被分解。就算可以进行转录，翻译成蛋白，游离的DNA也无法跟着细胞分裂进行复制，就会导致子代细胞中不再含有目的基因。换句话说，你费力将基因导入受体细胞,结果只有一个细胞被改变了，整个群体细胞不会有任何变化。

这时候就需要一种叫做“载体”的工具来帮助稳定转运，将基因传递到细胞中。下面我们就一起来了解下都有哪些载体可以用于基因治疗。

基因治疗载体

基因治疗载体有两个重要功能——一个是保护壳内的脆弱“货物”，第二个是其表面配体与特定细胞相互作用。其种类很多，可分为病毒载体和非病毒载体。

非病毒载体由于其：

1）转染效率不理想；

2）外源基因转导到宿主细胞后表达时间短；

3）非特异性靶向较高等原因，在人体靶向基因治疗中使用较少。

所以基因治疗常用病毒载体作为递送系统，最常见的病毒载体包括腺病毒（AdV）、腺相关病毒（AAV）、逆转录病毒（RV）和慢病毒（LV）。

其中慢病毒和逆转录病毒由于其可以将外源基因随机插入并整合到宿主细胞基因组中，存在因为随机插入造成基因突变的风险，考虑到安全性问题，适用性并不那么广泛。

腺病毒（AdV）是无包膜的线性双链DNA病毒，腺病毒载体宿主细胞范围广泛，可有效感染分裂细胞和非分裂细胞，不与宿主细胞基因组整合，因而不存在插入突变风险，载体容量较大。但其也存在一些不足之处：①缺乏特异靶向性，在一些缺乏其相应受体的细胞中感染效率低；②目的基因的表达时间短，可能需要重复治疗；③有较强的免疫原性，容易产生强烈的免疫反应带来一定风险。

腺相关病毒（AAV）是目前发现的一类结构最简单的单链DNA病毒。其相较于腺病毒免疫源性低，另外由于其安全性好、宿主细胞范围广，在体内表达外源基因时间长等特点，被视为最有前途的基因治疗载体，在世界范围内的基因治疗研究中应用最为广泛。

下面我们就一起来详细了解AAV是如何一步步成为基因治疗中的明星载体。

腺相关病毒载体

什么是AAV ？

腺相关病毒（Adeno-associated virus，AAV）属于细小病毒科，Dependoparvovirus属，病毒表面由衣壳蛋白VP1，VP2，VP3总共60拷贝，按1：1：10比例组成的二十面体结构，无包膜，直径约26nm。衣壳蛋白的不同突变型产生了不同的AAV亚型，按血清试验结果可以分为不同血清型，目前已有超过10种AAV血清型（AAV1～AAV10）。

其基因组为线性单链DNA，大小约4.7kb。基因组的两端是两个T形反向末端重复序列(ITR)，主要用作病毒复制起点和包装信号。中间编码区有2个开放阅读框，其中Rep基因编码病毒复制所需的四种蛋白质：Rep78、Rep68、Rep52和Rep40（以其分子量命名）。Cap基因通过来自不同起始密码子的可变剪接和翻译编码三个衣壳亚基。

什么是rAAV ？

以上所说的是野生型 AAV，其是一种复制缺陷型微小病毒，需要腺病毒或疱疹病毒帮助其在体内复制扩增。而基因治疗中所用的是不需要辅助病毒的重组腺相关病毒（Recombinant AAV， rAAV），其是在设计AAV载体基因组时，将编码区基因序列替换为目的基因和相关功能片段，仅保留两端反向末端重复序列，在质粒中表达包装病毒，然后直接使用 rAAV 感染细胞。病毒编码序列的完全去除一方面可以最大化重组 AAV 携带转基因的容量，另一方面可减小在体内递送时的免疫原性和细胞毒性。这也就是我们所说的AAV载体。

rAAV生产-三质粒共转染法

rAAV在生产时多采用三质粒共转染法。具体制备流程为，首先构建并纯化获得三个质粒：

1）顺式载体质粒编码AAV反向末端重复序列和目的基因；

2）反式质粒编码AAV的rep和cap基因；

3）辅助质粒通常编码腺病毒的辅助基因。然后将三个质粒共转染合适的细胞株，就能在细胞裂解液中得到携带目的基因的rAAV。这种制备方法需要制备大量高质量的载体质粒，rAAV的产量在很大程度上取决于转染的效率。

选择合适的rAAV血清型

综合以上，用一句话简单的概括：rAAV与AAV的区别在于内部基因不同，外壳相同。由于AAV根据不同的衣壳蛋白有不同的血清型，所以rAAV作为基因治疗的递送载体也有不同血清型。目前文献中使用最多的 rAAV 血清型包括 2、5、8、9。这几种血清型基本涵盖了大部分组织和脏器的特异性感染。

不同血清型AAV载体对比

rAAV转导途径

得到rAAV之后，它又是怎么进入细胞并发挥作用的？rAAV转导细胞主要有识别细胞表面受体、内吞、逃离内体、入核、脱衣壳、双链转化、转录和翻译几个过程。如下图所示，具体每一步为：

1） rAAV被靶细胞表面糖基化修饰的受体识别；

2）通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞，包裹于早期内体中；

3）rAAV在细胞骨架蛋白网络的帮助下由细胞胞浆向细胞核运输；

4）在内体的酸性环境下，rAAV的衣壳蛋白构象发生变化，暴露出VP1和VP2的N末端，rAAV病毒粒子从晚期内体中释放出来；

5）逃离内体后的rAAV或者由蛋白酶体进行蛋白降解，或者进入细胞核；

6）rAAV病毒粒子一旦进入细胞核，就会脱壳并释放其单链基因组，并复制形成双链DNA (dsDNA)模板；

7）在双链DNA模板上进行转基因的转录和翻译为治疗性蛋白质。

相信介绍到这，对于开头的问题大家都有了答案。最后让我们再一起来总结一下rAAV作为基因治疗载体的优势有哪些。

rAAV载体优势

安全性高：目前还没有发现 AAV 对人体致病；每 10 个人中就有 8 个人在一生中会感染 AAV，而 rAAV 更是去除了 96% 的 AAV 基因组，进一步确保了安全性。
免疫原性低：当用AAV 局部大剂量感染肌肉、脑、眼等组织时，很少有感染上的细胞之后被免疫系统所清除。这种特性对于动物实验上显然极有帮助。
宿主范围广：几乎所有处于分裂期和静止期的细胞都可以使用 AAV 来感染。
表达时间长：rAAV 可在宿主细胞中形成附加体（episome）存在于细胞核中，在细胞分裂不旺盛的组织中可持续表达 5 个月以上。
扩散性强：rAAV 具有远高于腺病毒和慢病毒的扩散性，可以穿透血脑屏障，是最理想的神经元和胶质细胞感染工具。
特异性强：rAAV 有数十种常用的血清型，不同的血清型对不同的脏器有较高的识别及感染能力。