生物工程概论课程论文

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生物工程概论课程论文

叶绿体转化及其用于疫苗表达研究的最新进

展

姓 名学 院 化学化工学院

化学工程与工艺 专 业________________________

班 级 110150101

2012 年 _____ 12 月 _____ 05 日 ________

摘 要 随着植物转基因研究的不断深入，核基因组转化的转基因沉默现

象严重影响了基因工程的应用效果。植物叶绿体遗传转化以叶绿体基因

组为平台对植物进行遗传操作，外源基因定点整合及母性遗传特性能较

好地解决“顺式失活”和“位置效应”等类的基因沉默问题和转基因逃

逸等安全问题，成为植物基因工程发展的新方向，在工业、农业及医药

生物领域发挥了重要作用，也为生产廉价、安全的植物疫苗提供了新思

路。本文在简要介绍叶绿体转化的原理、转化方法与优势的基础上，重

点综述了近年来通过该技术表达的一些重要的病毒抗原和细菌抗原。最

后，对叶绿体转化技术在表达外源基因方面存在的问题进行分析。未来

随着叶绿体基因表达、调控机制研究的逐渐深入及相关技术体系的日臻

完善，叶绿体转化有望成为疫苗生产的生力军。

关键词 叶绿体转化,基因工程,疫苗生产

Chloroplast Transformation and the Latest Progress of its

Application in Vaccine Expression

Abstract With the deepening research into plant transgenosis, the

application effect of genetic engineering has been seriously influenced by the

transgenic silencing. By using chloroplast genome as a platform, chloroplast

genetic transformation manipulates genes in plant. The advantages of

exogenous gene site integration and maternal inheritance can effectively

overcome the security issues of “genesilencing”and “transgene escape”,such

as“cis-inactivation”and“position effect”. Therefore, chloroplast genetic

transformation could lead a new perspective to the plant genetic engineering.

It plays an important role in the industrial, agricultural and biomedical fields,

and also provides new strategies to manufacture cheap and safe plant vaccine.

In this paper, we briefly introduce the principles of chloroplast transformation,

its methods and superiority. In addition, we review and highlight recent

studies of chloroplast engineering related to some important vaccine antigens

expression, including viral antigens and bacterial antigens. Finally, some

problems about chloroplast transformation technology in expressing foreign

genes were discussed. In the future, with continuous reinforcement of the

research about chloroplast gene expression, and regulation mechanism, as

well as the improvement of the related technical system, the chloroplast

transformation is expected to become the vital force of the vaccine

production.

Keywords Chloroplast transformation, Genetic engineering, Vaccines

production

世界卫生组织2008年公布：在发展中国家，每年由传染性疾病引起

的死亡人数高达950万。疫苗作为目前最有效的防范治疗传染性疾病的武

器，在发展中国家远不能满足需求量。当前，疫苗主要是通过细菌、酵

母和昆虫类细胞的发酵生产(Daniell et al., 2009)，不仅生产成本高，

不易储存和运输，且具有潜在的安全性问题等，其生产附带物内毒素与

热原质的纯化过程也相当复杂(Anderson, 2010)，诸多因素限制了传统

疫苗的广泛应用。

随着分子生物学的发展，植物转基因技术如日中天。植物作为可再

生资源，能够通过基因改造来表达外源蛋白，并提供正确组装、折叠所

需要的分子伴侣等。利用植物生物反应器表达疫苗的研究日臻成熟并展

示出操作方便、成本经济及应用范围广等优势。然而传统的核基因组转

化中外源基因的表达效率偏低，及转基因的逃逸现象成为现阶段限制植

物疫苗发展的瓶颈环节，而叶绿体转化技术的兴起与发展，为将来生产

廉价、安全的植物疫苗提供了新思路。它突破了核基因组转化外源基因

表达低效、易随花粉逃逸两大障碍，具有高效表达、定点整合和母性遗

传等优点(Maliga, 2002; Wang et al., 2009; Bock and Warzechr,2010;

Cui et al., 2011; Maliga and Bock, 2011)。本文在对叶绿体转化技

术简要介绍的基础上，阐述了叶绿体转化在疫苗抗原的高效表达和物种

扩展方面的研究进展，重点对近年来通过该技术表达的一些重要的病毒

抗原和细菌抗原进行综述，对叶绿体转化技术在表达外源蛋白方面存在

的问题进行分析，并探讨植物疫苗研究的未来发展方向。

1 叶绿体遗传转化技术概述

1988年Boynton等(1988)用野生型叶绿体DNA转化衣藻突变体，使其

光合能力完全被恢复，首次证明叶绿体基因组可以被转化。历经20多年

的研究与发展，叶绿体基因工程在技术和应用上都取得了可喜的进步，

以下仅对叶绿体遗传转化的原理、转化方法及其优点进行简要介绍。

1.1 叶绿体遗传转化的原理

叶绿体转化是对植物叶绿体基因组进行的遗传转化，基本原理是通

过目的基因两端连接的叶绿体同源片段与叶绿体基因组发生同源重组双

交换，将目的基因整合进入叶绿体基因组，并经转录、翻译、折叠和修

饰等获得功能产物。成功的叶绿体遗传转化有3个技术关键：

第一，构建表达载体时使用叶绿体来源的调控序列实现外源基因在叶绿

体的高效表达。叶绿体中外源基因的表达水平受启动子及5'非翻译区

(5'-un-translated regions,5'-UTR)，包括核糖体结合位点等元件的调

控(Gruissem and Tonkyn, 1993)，用来保证目的基因能转录成高水平的

mRNA。叶绿体16S rDNA基因的强启动子Prrn (Kota et al., 1999)和光

系统Ⅱ作用中心的启动子PpsbA (Staub et al., 2000) 是最常使用的启

动子；其次，目的基因阅读框两侧的5'-UTR和3'非翻译区

(3'-untranslated regions,3'-UTR)的序列或结构因子可以与特异蛋白

质结合而影响RNA的成熟和稳定性，并成为影响转基因翻译的关键。通常

在构建叶绿体表达载体时选用叶绿体基因psbA的5'-UTR和3'-UTR(Verma

and Daniell, 2007)，保证转基因的高水平翻译。

第二，同源重组实现目的基因的定点整合。在构建叶绿体表达载体时，

为避免位置效应，且不破坏叶绿体基因的原有功能，通常选用叶绿体基

因组中相邻的两个基因作为同源重组片段(一般为1~2 kb)，两基因间隔

区作为外源基因整合位点。外源基因可以在叶绿体环状基因组的多个位

点上表达，到目前为止，叶绿体转化使用过的位点有16个，如rbcL/accD、

trnV/rps7 、 psbA/trnK 、 atpB/rbcL等(Cui et al., 2011;Maliga and

Bock, 2011)。

第三，叶绿体转基因个体基因组的同质化是其稳定遗传的前提。叶

绿体基因组的高拷贝是其优点，也是其缺点，高拷贝性决定了外源基因

几乎不可能同时转化所有叶绿体基因组，极易出现转化的与未转化的叶

绿体组成的异质体。为了保证转基因在后代中的稳定遗传，在转化过程

中必须淘汰未被转化的叶绿体基因拷贝，通常在构建叶绿体表达载体时

连入筛选标记基因，转化后在高浓度选择压力下进行多轮次抗性筛选，

从而实现叶绿体基因组的同质化(Kittiwongwattana et al., 2007)。

aadA 基因是目前叶绿体转化中应用最广泛、筛选效率最高的抗生素类筛

选标记基因(Svab and Maliga, 1993)，其编码的氨基糖苷-3- 腺苷酸转

移酶能使转化植株具有壮观霉素和链霉素抗性，在筛选过程中能够将绿

色的转化细胞和白化的非转化细胞区分开。此外，nptⅡ基因(Carrer et

al., 1993)、 neo 基因(Kuroda and Maliga, 2001)、细菌 bar 基因(Lutz

et al., 2001)等也相继用作叶绿体转化的筛选标记基因，但转化效率均

较aadA基因要低很多，目前仍以aadA使用最为广泛。

1.2 叶绿体遗传转化的方法

用于叶绿体遗传转化的方法主要有：农杆菌介叶导法、基因枪轰击

法、PEG融合法、花粉管导入法、显微注射法和电激法。其中使用最多、

最成熟、最高效的方法是基因枪法，即将外源DNA包被在微小的金粒或钨

粒表面，然后在高压作用下被高速射入受体细胞或组织。这一方法适合

于不同植物，转化频率高。应用基因枪法已成功进行十多种植物的叶绿

体转化(Wang et al., 2009)，如烟草(Nicotiana tabacum)、拟南芥

(Arabidopsis thaliana)、番茄(Solanum lycopersicum)、胡萝卜(Daucus

carota)、莴苣(Lactuca sativa)和油菜(Brassica campestris)等，其

中转化效率最高的是模式植物烟草，这一定程度上取决于受体植物是否

拥有高频率的离体再生体系。

1.3 叶绿体遗传转化的优势

植物叶绿体转化是将外源基因插入叶绿体基因组中进行表达，它具

有核转化不具备的独特优势(Maliga, 2002; Wang et al., 2009; Bock and

Warzechr,2010; Maliga and Bock, 2011; Cui et al., 2011)：(1)叶

绿体基因组的高拷贝性使外源基因的表达水平高；(2)外源基因的定点整

合能较好地解决“顺式失活”、“位置效应”等类的基因沉默问题；(3)叶

绿体基因组的原核特性使外源基因可以原核方式表达，这为多基因操作

提供了方便，可以多顺反子形式向叶绿体基因组中同时引入多个外源基

因；(4)大多数植物的叶绿体基因呈单亲母性遗传方式，使得外源基因不

会随花粉飘逸。叶绿体遗传转化的独特优势使其成为植物基因工程发展

的新方向和科研工作者研究的热点之一，并在应用研究领域也得到了迅

速发展。

2 叶绿体遗传转化技术用于疫苗表达的研究进展

综合国内外文献，可将叶绿体转化应用研究划分为两大方向：一是

利用叶绿体转化技术对农作物的重要农艺性状进行改良；二是通过叶绿

体转化表达量高的优势作生物反应器表达疫苗和药用蛋白等生物制剂。

本文主要就叶绿体遗传转化技术在疫苗表达研究方面的最新进展进行综

述。

外源基因在叶绿体中的表达效率高，以植物叶绿体作为生物反应器

生产疫苗和药用蛋白等生物制剂研究已逐渐成为叶绿体基因工程研究的

新亮点。烟草既不是粮食也不是饲料，且因其生物量大，离体再生及转

化效率高，成为最常用也是最成功的受体植物材料，目前已知的大多数

生物制剂和疫苗均采用烟草作为受体材料。

2.1 疫苗抗原的高效表达

叶绿体基因组的巨大拷贝数使得叶绿体转化相对于核转化具有更高

的转化频率。在构建叶绿体表达载体时，使用叶绿体来源的强启动子和

特定的5'、3'调控序列使得目的基因高水平的转录和翻译。以上两点保

证了目的基因在叶绿体中的高效表达，实现了蛋白质的高水平积累

(Chebolu and Daniell, 2009)。2003年，Tregoning等(2003)首次在烟

草叶绿体中成功表达破伤风病毒蛋白多肽TetC，开启了叶绿体转化高效

表达疫苗抗原的的大门，TetC累积量占总可溶性蛋白(total soluble

proteins, TSP)的25%。此后，研究者们进行了一系列的尝试并获得一定

成功。例如：变形虫病疫苗：7% TSP (Chebolu and Daniell, 2007)；

人乳头瘤病毒：20%~26% TSP(Millan et al., 2008)；口蹄疫病毒：51%

TSP (Lentz et al., 2010)；金黄色葡萄球菌疫苗：23% TSP (Dreesen et

al., 2010)；炭疽病毒抗原：5.3% TSP (Gorantala et al., 2011)等。

通常，1% TSP的蛋白累积量被作为商业化生产的门槛(Fischer et al.,

2004)。目前为止，在叶绿体转化中成功表达的疫苗抗原，已有许多达到

商业化水平。所以，叶绿体转化中外源蛋白高效表达的突破使得疫苗抗

原大规模生产成为可能(Chebolu and Daniell, 2009)。近来，Michous

等(2011)在叶绿体转化TetC的研究中突破传统的转基因疫苗仅在叶片才

高效表达的观念，开发了一种新的平台：将转基因细胞的悬浮培养过程

置于一种短时浸没生物反应器中，用以MS 0为介质的0.1 µmol/L噻苯隆

对转基因细胞进行短时间隔处理，培养后TetC可达8% TSP。

2.2 生产疫苗抗原的物种扩展

烟草作为植物界的“果蝇”，具有繁殖系数高、单株产量高、组培体

系成熟、遗传背景清楚及基因易操作等优点，已被证明为叶绿体转化的

最佳平台。但烟草不能食用，且含有生物碱和尼古丁等有害物质，故不

适合可食用疫苗的开发。唯一例外的烟草“81V9”品系，其中仍含有少

量的生物碱等(Menassa et al.,2001)。在对模式植物烟草的研究获得丰

富经验之后，研究者的目光转移到可食用植物上。当Kumar等(2004)成功

建立稳定、高效的胡萝卜叶绿体转化体系时，胡萝卜以其独特的优势被

认为是生产可食用疫苗的理想材料：两年生植物胡萝卜第一年不开花即

可收获块状根的特性使其作为叶绿体转化受体不会造成污染；而单细胞

起源的胡萝卜体细胞胚胎利用人造种子技术可冷藏保存数年时间。但实

际中，胡萝卜较慢的再生速度成为其应用最大的障碍。在对番茄的叶绿

体转化中，人类免疫缺陷病毒(HIV) p24抗原在成熟的番茄比未成熟番茄

中的表达量(2.5%TSP)降低了90%(Zhou et al., 2008) 。2007年，Wurbs

等(2007)在研究中也发现类似现象：叶绿体转基因番茄中类胡萝卜素在

叶子的表达量要远远高于成熟果实。由此推测：在果实的发育过程中，

质体基因表达呈下调趋势，而以果实作为可食部分的作物并不适合可食

疫苗的开发。莴苣是当前转基因材料中的明星，能食用，再生速度快，

叶绿体转化与烟草类似，经研究者的优化，已成功表达了许多药物蛋白

和疫苗抗原(Davoodi-semiromi et al., 2009)，更成为目前叶绿体表达

可食疫苗抗原研究的焦点。总之，现在叶绿体基因组遗传背景清楚的植

物相对较少，而已知的像水稻和小麦等农作物的叶绿体转化还处于开发

期，许多物种再生体系的研究也很滞后，这成为限制叶绿体转化技术推

广应用的主要瓶颈。

2.3 叶绿体遗传转化表达的疫苗抗原

通过叶绿体转化成功表达的化合物和蛋白质已经很多，包括一些生

物医药、疫苗抗原、酶、血浆蛋白和抗体等。区别于大肠杆菌表达体系，

植物的叶绿体具备一定的蛋白质翻译后修饰和二硫键形成的条件，能够

使蛋白质形成功能性的三、四级结构。近年来，利用叶绿体转化技术表

达疫苗抗原已成为生物技术领域研究的热点之一，且取得了一定的进展。

通过该技术成功表达的抗原主要有病毒疫苗和细菌疫苗两大类，表1显示

了2008年以来通过该技术表达的各种病毒疫苗和细菌疫苗。

2.3.1 病毒抗原

(1)猪瘟病毒(classical swine fever virus, CSFV)：CSFV又称猪

霍乱病毒，以高烧和复合出血为主要临床特征，是全世界普遍分布的疾

病之一。叶绿体转化表达CSFV疫苗的研究已取得一定进展：2007年，He

等(2007)将CSFV结构蛋白E2基因置于P64E2载体中获得衣藻转化子。

ELISA定量分析显示重组蛋白表达量可达1.5%~2% TSP。小鼠皮下注射疫

苗后可检测到免疫反应，但口服疫苗后并未检测到免疫反应。分析原因

是低剂量疫苗口服后发生了降解，不足于引起免疫反应。此后，Shao实

验室又成功将E2基因导入烟草叶绿体基因组获得转化子(Shao et al.,

2008)。也有研究者曾成功构建猪瘟病毒E2基因在百脉根叶绿体基因组中

的定点转化载体pAKE2，为百脉根叶绿体的转化及用叶绿体生产可食CSFV

疫苗奠定基础(杨宗岐等, 2007)。近来，Li等(2011)对传统CSFV疫苗的

免疫性进行改善，将VPIL6C质粒(包含猪白细胞介素-6基因和CpG基序)与

壳聚糖纳米粒进行离子交叉连接(CNP)后，间隔注射出生30 d的小猪，并

同时注射CSFV疫苗。发现猪体液免疫和细胞免疫效果极佳，而此法也有

望成为一种成本效益型的辅助手段来提高猪对疾病的抵抗力。

(2)人乳头瘤病毒(human papilloma virus, HPV)：全球每年约有20

万妇女死于宫颈癌，死亡率排名仅次于乳腺癌。HPV (人乳头瘤病毒)是

宫颈癌的重要致病因子，其中大约70%的恶性宫颈癌由HPV-16或HPV-18引

起(Smith et al., 2007)。目前市场上的HPV疫苗主要有预防性和治疗性

两种，在叶绿体中成功表达的多为预防性的亚单位疫苗。Millan等(2008)

在烟草叶绿体中成功表达HPV-16 L1抗原(HPV衣壳蛋白)，并在小鼠腹腔

内检测出高免疫性。衣壳粒促使疫苗抗原正确折叠并形成显示免疫原性

必需的准确构象。近来，Waheed等(2011)在上述基础上，将L1蛋白与衣

壳粒组装基因一并导入烟草叶绿体获得转化子，提出了热稳定的衣壳粒

有望成为预防宫颈癌的第二代疫苗。

(3)人类免疫缺陷病毒：自1981年HIV被发现起，HIV一直被视为人类

的天敌，且至今没有有效的治疗方法。因此，开发有效疫苗预防HIV实属

当务之急。目前，已经有不同的HIV疫苗抗原在叶绿体中成功表达，但都

没有检测到免疫性，原因可能是叶绿体缺乏HIV抗原蛋白翻译后修饰机

制，如糖基化等。McCabe等(2008)成功将两种不同HIV-1型病毒-p24载体：

pZSJH1p24 (rbcL和accD基因间插入p24cDNA)和pZF5 (trnfM和trnG 基因

间插入密码子优化的p24基因)导入马里兰烟草品系，并检测了p24的表达

量。结果显示：pZSJH1p24转化烟草叶片为正常绿色，p24蛋白只在幼叶

表达，可达2.5% TSP；pZF5转化烟草叶片为黄色表型，p24蛋白在老叶或

幼叶都表达，可达4.5%TSP。N- 末端排序和质谱分析显示：p24没有发生

糖基化或磷酸化修饰。近来，GonzalzeRabade等(2011)在烟草叶绿体中

获得p24-Nef (p24负调节因子)融合蛋白，并利用霍乱病毒B亚基为辅助，

在对小鼠进行皮下注射p24蛋白和口服p24-Nef蛋白的测试中取得突破，

检测到特异性血清IgG免疫反应，为防治HIV的研究提供进一步的帮助。

但是要做到有效预防HIV，研究者还需克服许多困难，例如：HIV基因的

高变异性、缺乏相关的动物模型等。

(4)丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)：目前，国HCV感染者

出现了临床表现，在国家传染病报中，对HCV传染病还没有一种有效的治

疗手段(魏来和杨瑞峰, 2008)。通过叶绿体转化表达HCV苗的研究已经很

多。张中林等(1999)将HCV基因非结构NS3区和核心抗原C区的cDNA片段中

加入连接肽，构成融合基因导入衣藻叶绿体，获得化子。而在对烟草叶

绿体转化上述融合基因的研中却没能实现同质化(山松等, 2000)。经密

码子优的丙型肝炎病毒核心序列被导入烟草叶绿体中，HCV 16 kD核心多

肽不仅高水平表达，且稳定地存于不同年龄的叶片中，对这种多肽抗原

在人体内诱导的抗体进行Western印迹分析成为了发展HCV治疗手段的第

一步(Madesis et al., 2010)。

2.3.2 细菌抗原

(1)霍乱病毒B亚基(cholera toxin B subunit, CTB)：首例在叶绿

体成功表达的细菌抗原为CTB抗原，表达量可达31.1% TSP，其能与肠膜

GM1神经节苷脂受体末端结合，显示正常的生物学功能，此实验唤起了研

究者对转基因疫苗可商业化前景的关注。此后，与CTB同源的热易变毒素

B亚基(heat-labile enterotoxin subunit B, LTB)与热稳定毒素

(heat-stable toxin, ST)的融合蛋白在烟草叶绿体中表达，对小鼠的口

服免疫检测显示：血清和粘膜中的LTB-ST抗体不只对霍乱病毒有免疫效

应，使小鼠肠液积累量减少，而且对由大肠杆菌引起的腹泻疾病有广谱

抵抗作用(Rosales-Mendoza et al., 2009)。近来，又有CTB-AMA1 (疟

疾抗原顶端膜蛋白1)和CTB-MSP1 (疟疾裂殖子表面蛋白1)两种CTB融合蛋

白在烟草和莴苣叶绿体成功表达，二者均可诱导产生霍乱病毒和疟疾双

重免疫，其中在口腔中对霍乱病毒显示完全免疫(Davoodi-semirmi et

al., 2010)。此外，也有研究者将犬细小病毒(canine parvovirus,CPV)，

口蹄疫病毒(foot and mouth disease virus, FMDV)基因分别与CTB构建

融合基因转化烟草、衣藻叶绿体获得转化子(吕海丹等, 2010)。

(2)破伤风，白喉和百日咳(diphtheria pertussis andtetanus,

DPT)：DPT是当今世最流行的三种疾病。2003年，DPT世界平均覆盖率达

78%，其中270万孩子不能获得DPT疫苗，而南亚地区和撒哈拉以南非洲地

区就达195万 。目前DPT疫苗的生产程序繁杂，成本高价，使用时存在对

一些抗毒素过敏等副作用。而叶绿体转化技术为生产廉价的DPT疫苗带来

契机，一种包含破伤风、白喉和百日咳三种抗原决定簇的DPT杂合蛋白在

烟草叶绿体高效表达，可达0.8%TSP。在喂食小鼠干燥的叶片时发现：小

鼠血清和粘膜组织中，具有功能性IgG和IgA抗体(Soria-Guerra et al.,

2009)。

(3)炭疽病(anthrax)作为一种由炭疽杆菌引起的人畜共患传染病，

危害性极强。例如，2011年8月，我国辽宁鞍山市海城、岫岩地区发生严

重炭疽病疫情。目前，该病主要通过注射疫苗来预防。而目前市场上的

炭疽疫苗具有一定的副作用，会引起受体局部疼痛和肿胀等甚至类似于

感冒样的症状。叶绿体转化技术的发展有助于抑制这种生物恐怖，一种

保护性抗原(PA)通过将pagA基因插入烟草叶绿体基因组而成功表达，并

被证明可使小鼠获得高水平的IgG，在免疫测试中，100%小鼠幸存。据评

估：一英亩的这种转基因烟草大概可生产3.6亿剂炭疽疫苗(Watson et

al., 2004; Koya et al., 2005)。最近，Gorantala等(2011)将[PA(dIV)]

基因导入烟草叶绿体也获得炭疽疫苗抗原，并首次进行了口服免疫测试。

在提到的所有疾病中，疫苗无论是口服还是皮下注射，免疫效果都难达

到100%，欲使叶绿体转化更好地应用于疫苗抗原的生产还需进一步的研

究。

3 叶绿体遗传转化技术表达外源蛋白存在的问题与挑战

相对于核转化，叶绿体转化技术虽独辟蹊径，提供了新型环保疫苗

的表达平台，但仍有许多不可忽视的问题制约着该技术在应用方面的扩

展。

3.1 多效性

已有报道证实叶绿体转化中外源基因的表达会产生多效性

(Tregoning et al., 2003; Hasunuma et al.,2008; Tissot et al.,

2008)，包括雄性不育、黄叶和发育不良等，但其显然不是蛋白过量积累

的结果。因为Ruhlman等(2010)实现了一种CTB-Pins融合蛋白的超表达，

表达水平达72% TLP，却没有任何负效果；而Oey等(2009)发现细胞溶解

酶的超表达严重影响了植物的生长。Pelletier和Budar (2007)提出了多

效性可能是一些因素干涉到机体胞质代谢相关基因的正常读码，或造成

ATP的低效生产而造成的。为了克服这种负效果，未来的研究需在与叶绿

体相关的代谢途径和发展叶绿体诱导表达系统来避免这种不利影响等方

面作出努力。

3.2 诱导表达系统

叶绿体诱导表达系统的发展为避免转基因表达的多效性带来希望。

Lossl实验室为避免烟草叶绿体中使用phb操纵子造成的雄性不育现象，

使用了乙醇诱导控制系统，主要通过向转基因植物喷洒5%乙醇诱导核基

因组表达T7 RNAP，进而调控phb操纵子的转录(Lossl et al., 2005)。

但这种诱导系统需要细胞核和叶绿体两部分转基因的表达，背离了叶绿

体转化基因不随花粉漂移的优点。IPTG (ß- 异丙基硫代半乳糖苷)诱导

系统的出现很好地解决了上述问题。它基于lacZ阻遏物对转基因质体表

达的调节，是一种完全的质体转基因表达，无基因扩散的安全忧虑(Mü

hlbauer and Koop, 2005)。也有研究者将不被叶绿体内源性转录因子识

别的真核启动子置于叶绿体表达载体中，通过提供一种能够与叶绿体编

码的质体RNA聚合酶相互作用的嵌合转录因子，特异性的启动转录实现诱

导控制(Buhot et al., 2006)。近来，Ver-hounig等(2010)尝试了一种

较易调控的诱导系统：以茶碱为外源配体，诱导合成一种核糖开关作为

质体表达必需的翻译调控因子，成功实现调控。叶绿体中外源基因高效

表达的优点本是生产成本效益型疫苗的基本支架，但使用诱导系统的转

基因蛋白表达量要远逊于正常的叶绿体基因组转化，且仅在不可食的烟

草中获得成功。

3.3 其它

目前，叶绿体转化在食用性农作物中的研究还仅限于物种特异的叶

绿体转化体系的建立，未能进行转价值基因的操作，因此，此技术运用

于新物种的研究仍是现在和今后一段时间亟待解决的关键问题。

生产疫苗的最终目标是用于预防治疗人类疾病，固在临床试验中，

疫苗要求严格高效、安全、可靠。迄今为止，叶绿体中表达的疫苗还远

没有达到临床水平。除了筛选标记删除技术仍处于最基础的技术尝试阶

段和稀少的叶绿体转化物种外，主要原因是目前药物企业在这一领域的

投入和支持不足，关注较少，加之叶绿体转化下游的疫苗抗原薄弱而昂

贵的纯化技术，使得叶绿体转化的疫苗短期内还很难达到临床水平。

据报道，有三分之一被许可生产的药物蛋白为糖蛋白(Soria-Guerra

et al., 2009)。叶绿体表达系统虽具有大肠杆菌和酵母等不可比拟的优

势，但其合成的蛋白质因不会经过糖基化场所内质网，而不能生成为功

能性糖蛋白，这一点也有待进一步的研究来解决。

4 小结

到目前为止，已有27种疫苗通过叶绿体表达系统实现表达，用于抵

抗17种人类疾病(多数为细菌性疾病)，且将近一半的疫苗已在动物模型

中被检测(Lossl and Waheed, 2011)。未来随着叶绿体基因表达、调控

机制研究的逐渐深入及相关技术体系的日臻完善，叶绿体转化有望成为

疫苗生产的生力军。相信在不久的将来，人类可以通过食用表达有特定

疫苗的叶绿体转基因植物组织，就能够抵抗各种疾病。

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