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)制能力等獨特優(yōu)勢，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，中國科學(xué)院華南植物園鄧書林團(tuán)隊在國際權(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Rep蛋白可以識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。通過組裝這兩個關(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，雙生病毒復(fù)制子的應(yīng)用前景還有許多領(lǐng)域待開發(fā)。首先，GVR可以作為植物細(xì)胞中的“類質(zhì)?！惫ぞ?，模擬微生物質(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，其中也包括動物及真菌病毒，因此GVR存在應(yīng)用于動物及微生物細(xì)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(gòu)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(shù)理念。從基礎(chǔ)研究中的基因功能驗證，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(xué)基金面上項目、廣東省科技計劃項目及北京生命科學(xué)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(fù)制子及其應(yīng)用