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華南植物園綜述雙生病毒在合成生物學的應用
雙生病毒(Geminivirus)是全球危害最嚴重的植物DNA病毒家族之一，卻憑借緊湊的基因組、高效自主的復制能力等獨特優(yōu)勢，成為植物分子生物學與生物技術領域的重要工具。近日，中國科學院華南植物園鄧書林團隊在國際權威期刊Biotechnology Advances(IF5年=15.7)發(fā)表了題目為“Geminivirus vectors: From gene silencing to synthetic biology”的綜述，系統梳理了雙生病毒載體從病毒誘導的基因沉默(Virus-Induced Gene Silencing, VIGS)到合成生物學的發(fā)展歷程與核心應用，為作物改良、生物制藥等領域提供關鍵技術參考。
雙生病毒基因組以及編碼的病毒蛋白包括兩大核心關鍵特征：莖環(huán)結構(Stem-loop)和Rep蛋白。病毒復制必需的關鍵蛋白Rep蛋白可以識別病毒基因組中的莖環(huán)結構，起始并完成病毒DNA的滾環(huán)復制。通過組裝這兩個關鍵的核心組件，可以構建出在宿主細胞中高效自主復制的雙生病毒復制子(Geminiviral Replicons, GVRs)。作為VIGS載體，雙組分雙生病毒，通過替換AV1基因，插入靶標序列;而單組分雙生病毒，則需要借助衛(wèi)星DNA(α/β/δ衛(wèi)星DNA)構建VIGS載體。在合成生物學領域，GVR依賴其高效自主復制能力，可以顯著地提高蛋白質產物的產量以及GRISPR/Gas系統介導的基因編輯效率。此外，雙生病毒基因組及衛(wèi)星DNA中發(fā)現的多種基因表達調控元件也豐富了GVR的應用。
展望未來，雙生病毒復制子的應用前景還有許多領域待開發(fā)。首先，GVR可以作為植物細胞中的“類質?！惫ぞ?，模擬微生物質粒的功能，用于植物體內定向進化等創(chuàng)新研究。其次，莖環(huán)結構與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，其中也包括動物及真菌病毒，因此GVR存在應用于動物及微生物細胞的潛力。另外，雙生病毒科含有500多個病毒種，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，通過改造雙生病毒基因組，構建“植物疫苗”，可以增強作物對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” 的生物技術理念。從基礎研究中的基因功能驗證，到應用層面的作物改良與生物制藥，這類載體正成為連接基礎研究與產業(yè)應用的核心橋梁。
中國科學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。該團隊長期致力于雙生病毒與植物相互作用的分子機理研究，以及雙生病毒載體的開發(fā)利用。本研究得到了廣州市科技計劃項目、國家自然科學基金面上項目、廣東省科技計劃項目及北京生命科學研究院有限公司開放基金的資助。
圖1. 雙生病毒基因組及衛(wèi)星DNA
圖2. 雙生病毒復制子及其應用
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