转基因植物系统表达哺乳动物的抗体为研究植物代谢和发育提供了新的机会,农业产品实际上可以不受限制地提供所需要的任何抗体。
异体系统表达哺乳动物抗体无疑对于我们分离和操纵免疫球蛋A的能力有巨大贡献。最新合成抗体的异源宿主系统是植物。产生转基因植物技术完全显示可精确地将外源蛋白像载入亚细胞区域那样载入选定的器官中。
植物细胞产生抗体为植物生物学基础领域的研究提供了一些新的可能性,也可为医疗、诊断或作为亲和剂大规模生产抗体。农产品无比的生产力和机动性表明用植物产生抗体将明显比抗体的其它来源容易。进而,植物抗体可成为有用试剂,在操纵农产品品质,改善病源感染的症状,分离和处理环境污染或工业副产品上同样有用。
植物转导
最近已报导在烟草中成功地表达了抗体。一种具有催化作用的抗体,已于选择的试验烟草细胞中,在不损伤其功能的情况下装配和处理免疫球蛋白链。编码重链和轻链的cDNA首先被转入农杆菌种已被证明在转化多种类型植物细胞非常有用的细菌,农杆菌质粒能可靠地将DNA转移到植物细胞中,随后与植物基因组整合,转化的植物细胞可再生为成熟植株。用于植物产生抗体的策略是转染叶圆片。再生能表达重链和轻链的植物(见图)。
通过有性杂交以产生具有表达功能完整的抗体的植物后代。尽管表达的水平变化很大。但是在一些植物体中有功能抗体占总蛋白质的百分之一以上。有理由相信,这种表达水平可通过高水平转录的促进因子加以提高。抗体易于用一种亲和纯化步骤从叶匀浆中分离。烟草生产抗体的催化特性使之具有精确的动力学参数。比如Km,Ki和Kcat;以这些功能指标而言,来自杂种细胞的同一种抗体是完全相同的。进一步的特征性描述(例如:合成场所,分泌物,糖基化作用)将另作报道。
重要标准是植物产生抗体在哺乳动物的免疫原性。如植物不包含唾液酸转移酶活性,重链末端糖基和动物不同,很可能包括木糖,墨角藻糖,N-乙酰葡萄糖胺,糖基组成的变化范围对生物分布及血清清除之影响尚未确定。
农业生产规模
显然,如果抗体用于医疗目的的话,大规模生产技术是必要的,高生产能力和农业生产的机动性为获得抗体提供了多种便利,遗传稳定的抗体生产植株的种子可在低费用下被分离出和无限期地贮藏。而且种子贮藏同在一个收获季节可转化为任意的含抗体植物的收获物。
尽管烟草作为主要研究工具开始研究在植物中产生抗体。但有更多的有价值植物可用于生产抗体。一些农作物用作生产抗体的宿主。可通过无性繁殖的多年生饲料作物,或通过种子繁殖的植物在一个季节收获多次,选种的原则是看抗体在纯化过程受害程度及特性。可供选择的有三叶苜蓿、大豆、番茄和马铃薯。
当大规模生产抗体仍未推广时,纯化成百甚至成千克抗体的恰当技术仍不完善。农业生产的抗体在成本上可能低于以杂交瘤细胞或腹水培养生产的抗体。比如大豆中表达的抗体占豆粉总蛋白质的百分之一的话,那么假定生产一千克抗体,成本就会低于100美元,这个推测是以豆制品目前的价格为基础的。没有考虑其它大量潜在的费用。另外,高效能生产抗体的专门器官是种子还是果实尚不清楚。
生长调节
植物的生长和发育受控于有限的几种小分子量的激素,比如IAA,乙烯,6-苄基嘌呤和一些更复杂的有机分子。这些激素的生物合成和作用机理却知之甚少。如在植物细胞中表达能够识别这些激素的单克隆抗体,那么对自由态激素控制的发育和代谢就有可能作出估价,更为理想的是能够控制抗体的表达和控制在器官或亚细胞的表达。这样,在不同发育中激素的行为便可弄清楚。
病原的抗性
抗体接合激素,只是内源抗体有助于研究的一个领域。另外的例证是病原对植物的感染尽管许多真菌、细菌和病源病毒在病原——宿主相互作用的遗传方面已确定。但生化水平的彻底研究很少。在一些例子中,虽然病原相关蛋白质或其它有机分子在致病中是必要的。
细胞内表达的结合染病基本抗原的抗体可降低病原眛功能以减弱传染病症,此种策略有双重的益处。
首先,不需要分离合成抗体的基因(抗敏感RNA表达);其次,定位于亚细胞区隔的抗体库可成为特定的靶子,同其它未感染的抗体库分开。这种方法成功有赖于对抗体在植物体中的行为的详细了解。抗体已成功地在酵母和哺乳动物细胞中表达,而试图在植物细胞质中装配免疫球蛋白链尚不成功。
现今的努力方向集中在选择可绕过必须装配两条免疫球蛋白链的方法。(例如,单链抗原结合物的构建)。此外,试图对叶绿体和液泡结合抗原力定位已有进展,一旦我们有一幅装配稳定的与有目的性的具有免疫球蛋白功能的清晰图像。抗体结合物定位的恰当策略就可以设想出。
生物滤过
植物细胞和其它有机体的一个关键差别在于植物细胞壁的特性和结构。细胞壁的机械强度和接触特性与整个植物的化学紧张性有极大相关。细胞壁上小孔的直径使得自由渗透的分子的大小受到限制,孔径在35 ? - 50 ?之间,相应的通过球蛋白的分子量应低于20,000道尔顿。显然,抗体太大不能通过,最终抗体在植物细胞中表达等于产生一具有结合力和维持力的半渗透膜,任何分子量低于20,000的抗原(例如,环境污染物,工业副产品,杀虫剂和除虫剂)均能够被一能表达在一定位置上具有功能的抗体收集和保留。
目前,研究探索生物滤过应用的目标在于当抗体存在于细胞壁边缘上时特性及功能特征。未来的努力将集中在提高植物抗体的功能,使分子催化过程保留在细胞内。
[Nature,1990年3月29日]