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華南植物園綜述雙生病毒在合成生物學(xué)的應(yīng)用
雙生病毒(Geminivirus)是全球危害最嚴(yán)重的植物DNA病毒家族之一，卻憑借緊湊的基因組、高效自主的復(fù)制能力等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為植物分子生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的重要工具。近日，中國(guó)科學(xué)院華南植物園鄧書林團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊Biotechnology Advances(IF5年=15.7)發(fā)表了題目為“Geminivirus vectors: From gene silencing to synthetic biology”的綜述，系統(tǒng)梳理了雙生病毒載體從病毒誘導(dǎo)的基因沉默(Virus-Induced Gene Silencing, VIGS)到合成生物學(xué)的發(fā)展歷程與核心應(yīng)用，為作物改良、生物制藥等領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)參考。
雙生病毒基因組以及編碼的病毒蛋白包括兩大核心關(guān)鍵特征：莖環(huán)結(jié)構(gòu)(Stem-loop)和Rep蛋白。病毒復(fù)制必需的關(guān)鍵蛋白R(shí)ep蛋白可以識(shí)別病毒基因組中的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，起始并完成病毒DNA的滾環(huán)復(fù)制。通過(guò)組裝這兩個(gè)關(guān)鍵的核心組件，可以構(gòu)建出在宿主細(xì)胞中高效自主復(fù)制的雙生病毒復(fù)制子(Geminiviral Replicons, GVRs)。作為VIGS載體，雙組分雙生病毒，通過(guò)替換AV1基因，插入靶標(biāo)序列;而單組分雙生病毒，則需要借助衛(wèi)星DNA(α/β/δ衛(wèi)星DNA)構(gòu)建VIGS載體。在合成生物學(xué)領(lǐng)域，GVR依賴其高效自主復(fù)制能力，可以顯著地提高蛋白質(zhì)產(chǎn)物的產(chǎn)量以及GRISPR/Gas系統(tǒng)介導(dǎo)的基因編輯效率。此外，雙生病毒基因組及衛(wèi)星DNA中發(fā)現(xiàn)的多種基因表達(dá)調(diào)控元件也豐富了GVR的應(yīng)用。
展望未來(lái)，雙生病毒復(fù)制子的應(yīng)用前景還有許多領(lǐng)域待開(kāi)發(fā)。首先，GVR可以作為植物細(xì)胞中的“類質(zhì)?！惫ぞ撸M微生物質(zhì)粒的功能，用于植物體內(nèi)定向進(jìn)化等創(chuàng)新研究。其次，莖環(huán)結(jié)構(gòu)與Rep蛋白并不是雙生病毒所特有的，而是CRESS DNA病毒門(Cressdnaviricota)中都普遍存在的，其中也包括動(dòng)物及真菌病毒，因此GVR存在應(yīng)用于動(dòng)物及微生物細(xì)胞的潛力。另外，雙生病毒科含有500多個(gè)病毒種，可以侵染140多種植物，因此雙生病毒提供了巨大的資源去挖掘并優(yōu)化載體。最后，通過(guò)改造雙生病毒基因組，構(gòu)建“植物疫苗”，可以增強(qiáng)作物對(duì)病蟲害與非生物脅迫的耐受性。
雙生病毒載體的發(fā)展，完美詮釋了“化害為利” 的生物技術(shù)理念。從基礎(chǔ)研究中的基因功能驗(yàn)證，到應(yīng)用層面的作物改良與生物制藥，這類載體正成為連接基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的核心橋梁。
中國(guó)科學(xué)院華南植物園張藝副研究員為論文第一作者，鄧書林研究員為通訊作者。該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于雙生病毒與植物相互作用的分子機(jī)理研究，以及雙生病毒載體的開(kāi)發(fā)利用。本研究得到了廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目及北京生命科學(xué)研究院有限公司開(kāi)放基金的資助。
圖1. 雙生病毒基因組及衛(wèi)星DNA
圖2. 雙生病毒復(fù)制子及其應(yīng)用
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