Генетически модифицированный вирус — это вирус , который был изменен или создан с использованием методов биотехнологии и сохраняет способность к заражению . Генетическая модификация включает в себя направленную вставку , удаление , искусственный синтез или изменение нуклеотидных оснований в вирусных геномах. Генетически модифицированные вирусы в основном создаются путем вставки чужеродных генов в вирусные геномы в целях биомедицинского , сельскохозяйственного, биоконтроля или технологических целей. Термины генетически модифицированный вирус и генетически сконструированный вирус используются как синонимы.
Генетически модифицированные вирусы создаются путем генетической модификации, которая включает направленную вставку, делецию, искусственный синтез или изменение нуклеотидных последовательностей в вирусных геномах с использованием биотехнологических методов. В то время как большинство вирусов dsDNA имеют одиночные моночастные геномы, многие вирусы РНК имеют многочастные геномы, не обязательно, чтобы все части вирусного генома были генетически модифицированы, чтобы вирус считался генетически модифицированным вирусом. Инфекционные вирусы, способные к заражению, которые создаются путем искусственного синтеза генов всех или части их геномов (например, на основе предполагаемых исторических последовательностей), также могут рассматриваться как генетически модифицированные вирусы. Вирусы, которые изменяются исключительно под действием спонтанных мутаций, рекомбинации или реассортации событий (даже в экспериментальных условиях), как правило, не считаются генетически модифицированными вирусами.
Вирусы обычно модифицируются, чтобы их можно было использовать в качестве векторов для вставки новой генетической информации в организм хозяина или изменения его уже существующего генетического материала. Это может быть достигнуто по крайней мере тремя способами:
Ни один из этих трех процессов не является взаимоисключающим. Когда происходит только процесс 2. и он приводит к экспрессии генетически модифицированного гена, это часто будет называться подходом транзиентной экспрессии .
Способность инфицировать клетки или ткани хозяина является необходимым требованием для всех прикладных применений генетически модифицированных вирусов. Однако способность к вирусной передаче (перенос инфекций между индивидуумами-хозяевами) либо не требуется, либо считается нежелательной для большинства применений. Только в небольшом меньшинстве предлагаемых применений вирусная передача считается необходимой или желательной, примером являются трансмиссивные вакцины. [2] [3] Это связано с тем, что трансмиссивность значительно усложняет усилия по мониторингу, контролю или сдерживанию распространения вирусов. [4]
В 1972 году был опубликован самый ранний отчет о вставке чужеродной последовательности в вирусный геном, когда Пол Берг использовал фермент рестрикции EcoRI и ДНК-лигазы для создания первых в истории рекомбинантных молекул ДНК. [5] Это было достигнуто путем соединения ДНК вируса обезьяны SV40 с ДНК вируса лямбда. Однако не было установлено, что какой-либо из двух вирусов был способен к инфицированию или репликации.
В 1974 году Норин Мюррей и Кеннет Мюррей представили для публикации первый отчет о генетически модифицированном вирусе, который также мог размножаться и заражать . [6] Всего два месяца спустя, в августе 1974 года, Марджори Томас, Джон Кэмерон и Рональд У. Дэвис представили для публикации отчет о подобном достижении. [7]
В совокупности эти эксперименты положили начало развитию того, что в конечном итоге стало известно как биотехнология или методы рекомбинантной ДНК .
Генная терапия [8] использует генетически модифицированные вирусы для доставки генов, которые могут лечить заболевания в клетках человека. Эти вирусы могут доставлять генетический материал ДНК или РНК в целевые клетки. Генная терапия также используется для инактивации мутировавших генов, которые вызывают заболевание, с помощью вирусов. [9]
Вирусы, которые использовались для генной терапии, — это аденовирус , лентивирус , ретровирус и вирус простого герпеса . [10] Наиболее распространенным вирусом, используемым для доставки генов, являются аденовирусы, поскольку они могут переносить до 7,5 кб чужеродной ДНК и заражать относительно широкий спектр клеток-хозяев, хотя известно, что они вызывают иммунные ответы у хозяина и обеспечивают только краткосрочную экспрессию. Другими распространенными векторами являются аденоассоциированные вирусы , которые обладают меньшей токсичностью и более долгосрочной экспрессией, но могут переносить только около 4 кб ДНК. [11] Вирусы простого герпеса являются многообещающим вектором, имеют несущую способность более 30 кб и обеспечивают долгосрочную экспрессию, хотя они менее эффективны при доставке генов, чем другие векторы. [12] Лучшими векторами для долгосрочной интеграции гена в геном хозяина являются ретровирусы, но их склонность к случайной интеграции проблематична. Лентивирусы являются частью того же семейства, что и ретровирусы, с преимуществом инфицирования как делящихся, так и неделящихся клеток, тогда как ретровирусы нацелены только на делящиеся клетки. Другие вирусы, которые использовались в качестве векторов, включают альфавирусы , флавивирусы , вирусы кори , рабдовирусы , вирус болезни Ньюкасла , поксвирусы и пикорнавирусы . [11]
Хотя в основном он все еще находится на стадии испытаний, [13] он имел некоторые успехи. Он использовался для лечения наследственных генетических заболеваний, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит [14], возникающий из-за дефицита аденозиндезаминазы (ADA-SCID), [15] хотя развитие лейкемии у некоторых пациентов с ADA-SCID [11] вместе со смертью Джесси Гелсингера в другом испытании отбросили развитие этого подхода на многие годы. [16] В 2009 году был достигнут еще один прорыв, когда восьмилетний мальчик с врожденным амаврозом Лебера восстановил нормальное зрение [16], а в 2016 году GlaxoSmithKline получила одобрение на коммерциализацию генотерапевтического лечения ADA-SCID. [15] По состоянию на 2018 год проводится значительное количество клинических испытаний , включая лечение гемофилии , глиобластомы , хронической гранулематозной болезни , муковисцидоза и различных видов рака . [11] Несмотря на некоторые успехи, генная терапия по-прежнему считается рискованным методом, и все еще проводятся исследования для обеспечения ее безопасности и эффективности. [9]
Другое потенциальное применение генетически модифицированных вирусов — изменить их так, чтобы они могли напрямую лечить болезни. Это может быть сделано посредством экспрессии защитных белков или путем прямого воздействия на инфицированные клетки. В 2004 году исследователи сообщили, что генетически модифицированный вирус, который использует эгоистичное поведение раковых клеток, может предложить альтернативный способ уничтожения опухолей. [17] [18] С тех пор несколько исследователей разработали генетически модифицированные онколитические вирусы , которые обещают быть методами лечения различных типов рака . [19] [20] [21] [22] [23]
Большинство вакцин состоят из вирусов, которые были ослаблены , аттенуированы, отключены, дезактивированы или убиты каким-либо образом, так что их вирулентные свойства больше не эффективны. Генная инженерия теоретически может быть использована для создания вирусов с удаленными вирулентными генами. В 2001 году сообщалось, что генетически модифицированные вирусы, возможно, могут быть использованы для разработки вакцин [24] против таких заболеваний, как СПИД, герпес, лихорадка денге и вирусный гепатит, используя проверенный безопасный вакцинный вирус, такой как аденовирус , и модифицируя его геном так, чтобы иметь гены, которые кодируют иммуногенные белки, которые могут усиливать реакцию иммунной системы, чтобы затем иметь возможность бороться с вирусом. Генетически модифицированные вирусы не должны иметь сниженную инфекционность , вызывать естественный иммунный ответ, и нет никаких шансов, что они восстановят свою функцию вирулентности, что может произойти с некоторыми другими вакцинами. Как таковые, они, как правило, считаются более безопасными и эффективными, чем обычные вакцины, хотя остаются опасения по поводу нецелевого заражения, потенциальных побочных эффектов и горизонтального переноса генов на другие вирусы. [25] Другой подход заключается в использовании векторов для создания новых вакцин от болезней, от которых нет вакцин или которые неэффективны, например, СПИД , малярия и туберкулез . Вакцины на основе векторов уже одобрены, и разрабатываются многие другие. [26]
В 2012 году американские исследователи сообщили, что они ввели генетически модифицированный вирус в сердце свиней. Этот вирус внедрил в сердечную мышцу ген Tbx18 , который активировал сердцебиение. Исследователи предсказывают, что однажды этот метод можно будет использовать для восстановления сердцебиения у людей, которым в противном случае понадобились бы электронные кардиостимуляторы . [27] [28]
В Испании и Португалии к 2005 году популяция кроликов сократилась на 95% за 50 лет из-за таких болезней, как миксоматоз , геморрагическая болезнь кроликов и других причин. Это, в свою очередь, вызвало сокращение численности хищников, таких как иберийская рысь , вид, находящийся под угрозой исчезновения. [29] [30] В 2000 году испанские исследователи исследовали генетически модифицированный вирус, который мог бы защитить кроликов в дикой природе от миксоматоза и геморрагической болезни кроликов. [31] Однако существовали опасения, что такой вирус может проникнуть в дикие популяции в таких областях, как Австралия, и вызвать бум популяции. [29] [4] Кролики в Австралии считаются таким вредителем, что владельцы земель обязаны по закону контролировать их. [32]
Были созданы генетически модифицированные вирусы, которые делают целевых животных бесплодными посредством иммуноконтрацепции [33], а также другие, которые нацелены на стадию развития животного. [34] Существуют опасения по поводу сдерживания вируса [33] и перекрестного заражения видами. [35]
С 2009 года генетически модифицированные вирусы, экспрессирующие белки дефензина шпината , проходят полевые испытания во Флориде (США). [36] Вирусная инфекция апельсиновых деревьев направлена на борьбу с болезнью позеленения цитрусовых , которая сократила производство апельсинов во Флориде на 70% с 2005 года. [37] Заявка на получение разрешения находится на рассмотрении с 13 февраля 2017 года (USDA 17-044-101r) на расширение экспериментального использования до площади в 513 500 акров, что сделает это разрешение крупнейшим разрешением такого рода, когда-либо выданным Службой регулирования биотехнологий Министерства сельского хозяйства США.
В 2016 году DARPA , агентство Министерства обороны США , объявило тендер на контракты по разработке генетически модифицированных вирусов растений для подхода, включающего их распространение в окружающей среде с использованием насекомых. [38] [39] В плане работы говорилось:
«Растительные вирусы имеют большие перспективы в качестве носителей схем редактирования генов и являются естественным партнером для платформы доставки, передаваемой насекомыми». [38]
Целью программы является обеспечение продовольственной стабильности путем защиты сельскохозяйственных поставок продовольствия и товарных культур:
«Используя естественную способность насекомых-переносчиков доставлять вирусы с высокой специфичностью к растению-хозяину и объединяя эту способность с достижениями в области редактирования генов, можно добиться быстрого улучшения зрелых растений в полевых условиях на больших площадях и без необходимости в промышленной инфраструктуре». [38]
Несмотря на свое название, программа «Союзники насекомых» в значительной степени является вирусной программой, разрабатывающей вирусы, которые по сути будут выполнять генное редактирование сельскохозяйственных культур на уже засаженных полях. [40] [41] [42] [43] Генетически модифицированные вирусы, описанные в рабочем плане и других публичных документах, относятся к классу генетически модифицированных вирусов, впоследствии названных HEGAA (агенты горизонтального изменения генов окружающей среды). Программа «Союзники насекомых» запланирована на период с 2017 по 2021 год, контракты будут выполняться тремя консорциумами. Планов по выпуску генетически модифицированных вирусов в окружающую среду нет, а тестирование полной системы распространения насекомых происходит в теплицах ( упоминались объекты уровня биологической безопасности 3 ). [44]
Выражались опасения относительно того, как эта программа и любые данные, которые она генерирует, повлияют на контроль над биологическим оружием и сельскохозяйственное сосуществование, [45] [46] [47] хотя ее заявленные цели также получили поддержку. [48]
В 2009 году ученые Массачусетского технологического института создали генетически модифицированный вирус, который был использован для создания более экологически чистой литий-ионной батареи . [49] [50] [51] Батарея была создана путем генной инженерии различных вирусов, таких как бактериофаг E4 и бактериофаг M13 , для использования в качестве катода. Это было сделано путем редактирования генов вируса, которые кодируют белковую оболочку. Белковая оболочка отредактирована так, чтобы покрыть себя фосфатом железа , чтобы иметь возможность прилипать к высокопроводящим углеродным нанотрубкам . Вирусы, которые были модифицированы для получения многофункциональной белковой оболочки, могут использоваться в качестве наноструктурированного катода , вызывающего ионные взаимодействия с катионами. Это позволяет использовать вирус в качестве небольшой батареи. Анджела Блечер , ученый, возглавлявшая исследовательскую группу Массачусетского технологического института в этом проекте, говорит, что батарея достаточно мощная, чтобы ее можно было использовать в качестве перезаряжаемой батареи, питания гибридных электромобилей и ряда персональных электронных устройств. [52] Хотя вирусы E4 и M13 могут инфицировать и размножаться внутри своего бактериального хозяина, неясно, сохраняют ли они эту способность после того, как стали частью батареи.
Национальный институт здравоохранения объявил мораторий на финансирование исследований по отдельным исследованиям вирусов с приобретением функции в январе 2015 года. [53] [54] В январе 2017 года правительство США опубликовало окончательное руководство по политике обзора и надзора за исследованиями, которые, как ожидается, будут создавать, передавать или использовать улучшенные потенциальные пандемические патогены (PPP). [55] Вопросы о потенциальной утечке модифицированного вируса из лаборатории биологической безопасности и полезности технологий двойного назначения , исследований двойного назначения, вызывающих озабоченность (DURC), побудили NIH пересмотреть политику финансирования. [56] [57] [58]
Ученый утверждает, что она была инфицирована генетически модифицированным вирусом во время работы в Pfizer. В своем федеральном иске она утверждает, что ее периодически парализовывал вирус, разработанный Pfizer. «Макклейн из Дип-Ривер подозревает, что она была непреднамеренно подвергнута воздействию, через работу бывшего коллеги Pfizer в 2002 или 2003 году, сконструированной формы лентивируса , вируса, похожего на тот, который может привести к синдрому приобретенного иммунодефицита, или СПИДу». [59] Суд установил, что Макклейн не смогла доказать, что ее болезнь была вызвана воздействием лентивируса, [60] но также и то, что Pfizer нарушила законы о защите осведомителей . [61]
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )