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Hintergrund
der Erfindung
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Die Gentherapie ist ein leistungsfähiges Konzept,
welches gerade eben beginnt, Anwendungen zu erfahren, die angelegt
sind, um menschliche Krankheiten, wie genetische Störungen und
Krebs, zu behandeln. Die Einführung
von Genen in einen Organismus kann auf vielfältige Weise erzielt werden,
einschließlich
durch Vektoren auf Virus-Basis. Virale Gentherapie-Vektoren können so
konstruiert sein, dass sie Gene liefern und entweder permanent (stabile
Integration eines fremden Gens in ein Wirtschromosom) oder vorübergehend
(über eine
beschränkte
Zeitspanne) exprimieren.
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Derzeitige Genübertragungs-Vektoren auf Virus-Basis
sind typisch von Tier- bzw.
Menschenviren, wie Retroviren, Herpesviren, Adenoviren oder Adenoassoziierten
Viren, abgeleitet. Im Allgemeinen werden diese Viren gentechnisch
behandelt, um ein oder mehrere Gene des Virus zu entfernen. Diese Gene
können
entfernt werden, da sie an der Virus-Replikation beteiligt sind
und/oder um für
die Fähigkeit
zur Insertion und Verpackung von fremden Genen zu sorgen. Jeder
dieser bekannten Vektoren weist einige einzigartige Vorteile sowie
Nachteile auf. Ein Hauptnachteil besteht in der Unfähigkeit,
große DNA-Inserts,
die eine Größe von mehr
als 10 kb aufweisen, ohne weiteres zu verpacken und zuzuführen.
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Um das Problem der Kapazität der meisten Gentherapie-Vektoren
zu veranschaulichen, muss man nur Adeno-assoziiertes Virus (AAV),
einen der vielversprechendsten Gentherapie-Vektoren, betrachten.
Adeno-assoziiertes Virus (AAV) ist ein Parvovirus, das aus einem
einzelsträngigen 4,7-kb-DNS-Genom
besteht (Nienhus et al., 1983). Das Virusgenom besteht aus der Familie
von rep-Genen, die für
die Regulationsfunktion und DNS-Replikation verantwortlich sind,
und den cap-Genen, welche die Kapsid-Proteine kodieren. Die AAV
kodierende Region wird von invertierten terminalen Sequenzwiederholungen
(ITR) mit 145 Nucleotiden flankiert, welche die minimalen cis-wirkenden
Elemente sind, die für
die Replikation und Enkapsidierung des Genoms wesentlich sind. In
Abwesenheit eines Helfervirus, wie Adenovirus, verursacht AAV eine
latente Infektion, die durch die Integration von Virus-DNS in das
zelluläre
Genom charakterisiert ist. Die Hauptvorteile von rekombinanten AAV-(rAAV-)Vektoren umfassen
ein Fehlen von Pathogenität
beim Menschen (Berns und Bohenzky, 1987), die Fähigkeit von Wildtyp-AAV, sich
stabil in den langen Arm des Chromosoms 19 zu integrieren (Kotin
et al., 1992), die potentielle Fähigkeit,
sich nicht teilende Zellen zu infizieren (Kaplitt et al., 1994),
und einen breiten Bereich von Infektiosität. Jedoch beschränkt die
Verpackungskapazität
von AAV die Größe von inserierter heterologer
DNS auf etwa 4,6 kb.
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Entomopox-Viren und -Vektoren sind
beispielsweise in der US-A-5,721,352 und US-A-5,753,258 beschrieben.
Entomopox-Viren (EPVs) infizieren und töten nur Insekten produktiv
(Granados, 1981) und können
aus Amsacta moorei, der rothaarigen Raupe, isoliert werden (AmEPV).
Wie andere EPVs kann AmEPV Vertebraten-Zellen nicht produktiv infizieren.
In der Tat werden nach Zugabe von AmEPV zu Vertebraten-(Maus L-929-)
Zellen mit Multiplizitäten
bis zu 10 Partikeln/Zelle keine Änderungen
der Zellmorphologie nachgewiesen (wie durch Phasenkontrast-Mikroskopie
beurteilt) (Langridge, 1983).
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AmEPV infiziert Vertebraten-Zellen
auf nicht-zelltötende
Weise, und die Infektion ist abortiv. Wie alle Poxviren ist das
Virus zytoplasmatisch und tritt normalerweise nicht in den Zellkern
ein. Eine Folge dieser ungewöhnlichen
Biologie ist, dass jede Poxvirus-vermittelte Genexpression in der
infizierten Zelle im Zytoplasma stattfindet. AmEPV-Promotoren und
diejenigen der eurkaryotischen Zelle sind vollständig verschieden; zelluläre Promotoren
werden nicht von der AmEPV-Transcriptionsmaschine erkannt, noch
werden AmEPV-Viruspromotoren von der RNS-Polymerase II der Wirtszelle
erkannt.
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Die WO-A-98/50571 ist Stand der Technik gemäß Art. 54(3)
EPÜ. Sie
offenbart die Verwendung eines rekombinanten Entomopoxvirus für die Zufuhr eines
heterologen Gens in eine Zelle in vivo oder in vitro.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst
ein rekombinanter Entomopoxvirus-Vektor ein Polynukleotid-Insert,
das eine Sequenz umfasst, die ein Protein kodiert, das in der Lage
ist, für
eine therapeutische Wirkung bei einem Tier oder Menschen zu sorgen,
wenn es in dem Tier oder Menschen exprimiert wird, wobei das Insert
invertierte terminate Sequenzwiederholungen umfasst, welche die Sequenz
flankieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung umfasst ein rekombinanter Entomopoxvirus-Vektor ein Polynukleotid-Insert,
das eine Sequenz umfasst, die ein Protein kodiert, das für eine therapeutische Wirkung
in einem Tier oder Menschen sorgen kann, wenn es in dem Tier oder
Menschen exprimiert wird, wobei das Insert größer als 10 kb ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
Erfindung umfasst ein rekombinanter Entomopoxvirus-Vektor ein Polynukleotid-Insert,
das eine Sequenz umfasst, die ein Protein kodiert, das für eine therapeutische Wirkung
in einem Tier oder Menschen sorgen kann, wenn es in dem Tier oder
Menschen exprimiert wird, wobei das Insert eine Herpes-TK-Promotorsequenz zum
Antreiben der Expression der kodierenden Sequenz umfasst.
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Ein virales Vektorsystem der Erfindung
ist für die
Gentherapie nützlich.
Für Gentherapieverfahren, die
nachstehend beschrieben werden, wird ein Vektor, ein Viruspartikel
oder eine Zelle der Erfindung für die
Herstellung eines Medikaments für
die Zufuhr des Proteins an ein Tier oder einen Menschen verwendet.
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Die Erfindung beruht auf einem Insekten-Poxvirus,
das so konstruiert ist, dass es Gene für die Integration und stabile
permanente Expression in einer Vertebratenzelle zuführt. In
einer beispielhaften Ausführungsform
wurde ein rekombinanter AmEPV-Vektor konstruiert, der heterologe
Gene unter der Kontrolle von Promotoren enthält, welche die Expression der
heterologen Gene in Vertebratenzellen antreiben. Das gfp-Gen und
das Gen, das eine G418-Resistenz kodiert, wurden in einem beispielhaften
Konstrukt verwendet. Das rekombinante AmEPV wurde verwendet, um
Vertebratenzellen zu infizieren, und nach der Infektion wurden die
Zellen in Medium überführt, das
G418 enthielt. Zellen, die sowohl GFP als auch G418-Resistenz exprimierten,
wurden erhalten. So können
die Vektoren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um große DNS-Segmente für die gentechnische
Behandlung von Vertebratenzellen zuzuführen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch Zellen, die mit einem rekombinanten Vektor der vorliegenden
Erfindung infiziert oder transformiert worden sind. Die vorliegenden
Erfindung betrifft auch Verfahren zur Bereitstellung einer Gentherapie
für Zustände oder
Störungen
eines Tiers oder eines Menschen, das bzw. der einer Therapie bedarf
(wie Störungen mit
einem Gendefekt).
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine physikalische Karte eines beispielhaften rekombinanten Vektors
der vorliegenden Erfindung (pAmEPV TKUF5), in dem ein Teil des Plasmids
pTKUF5 innerhalb der das AmEPV TK-Gen flankierenden Regionen kloniert
worden ist. TR ist die AAV terminale Wiederholung, pA ist eine Polyadenylierungsstelle,
SD/SA ist die SV40 späte
Splice-Donor/Splice-Akzeptor-Sequenz.
GFP steht unter der Kontrolle eines CMB-Promotors, Neo steht unter
der Kontrolle eines Herpes-TK-Genpromotors.
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Detaillierte
Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
neue rekombinante Vektoren und Verfahren zur Zufuhr und Expression
von heterologen Polynukleotiden in Vertebratenzellen. Die rekombinanten
Vektoren der vorliegenden Erfindung sorgen für eine stabile Integration
und Expression von heterologer DNS in der Wirtszelle. Vorteilhaft
sind die Vektoren der Erfindung zur Aufnahme großer heterologer Polynukleotid-Inserte angepasst,
die zugeführt
werden und in einer infizierten oder transformierten Zelle stabil
exprimiert werden können.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um eine Gentherapie
für Zustände oder Störungen von
Wirbeltieren, wie Säugetieren
oder Menschen, die einer solchen Therapie bedürfen, bereitzustellen.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
betrifft einen rekombinanten EPV-Vektor,
der gegebenenfalls heterologe DNS einschließen kann, die in einer Zelle
exprimiert werden kann, die mit dem vorliegenden Vektor infiziert
oder transformiert ist. Vorzugsweise ist der EPV-Vektor von AmEPV
abgeleitet. Die rekombinanten EPV-Vektoren der vorliegenden Erfindung
können
gegebenenfalls invertierte terminate Sequenzwiederholungen (ITR)
eines Virus, wie beispielsweise Adeno-assoziierten Virus, einschließen, welche
die heterologe DNS-Insertionsstelle in dem Vektor flankieren. Demgemäß wird,
wenn heterologe DNS in den rekombinanten EPV-Vektor kloniert wird,
die heterologe DNS stromaufwärts
und stromabwärts
von den ITR-Sequenzen flankiert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform
umfassen die vorliegenden Vektoren heterologe DNS, die in den Vektor
inseriert ist. Die heterologe DNS, die in den rekombinanten Vektoren
der Erfindung enthalten ist, kann Polynukleotid-Sequenzen einschließen, die
ein biologisch funktionelles Protein kodieren. Vorzugsweise kodieren
die Polynukleotide Proteine, die für eine therapeutischen Ersatz
oder eine therapeutische Ergänzung
in Tieren oder Menschen sorgen können,
die an Störungen
leiden, die zur Folge haben, dass das Tier oder der Mensch abnormale oder
defiziente Mengen des Proteins exprimiert, welche für eine normale
biologische Funktion erforderlich sind. Proteine, welche von der
heterologen DNS kodiert werden, können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein,
Interleukine, Cytokine, Wachstumsfaktoren, Interferone, Enzyme und
Strukturproteine einschließen.
Protein, welches von der heterologen DNS kodiert wird, kann auch
Proteine einschließen, die
eine selektierbare Markierung für
die Expression bereitstellen, wie eine Antibiotikaresistenz in Eukaryoten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist heterologe DNS in den vorliegenden Vektoren operabel verknüpft mit
und unter der Kontrolle von Regulationssequenzen wie Promotoren.
Die rekombinanten Vektoren der Erfindung umfassen bevorzugt einen konstitutiven
oder regulierbaren Promotor, der ausreichende Expressionsniveaus
der heterologen DNS, die in dem Virusvektor enthalten ist, in einer
Vertebratenzelle anregen kann. Promotoren, die bei den vorliegenden
Vektoren nützlich
sind, schließen
beispielsweise Cytomegalovirus-(CMV-)Promotoren und den Herpes-TK-Gen-Promotor
ein. Die Vektoren können
auch andere Regulationselemente, wie Introns, einschließen, die
in die Polynukleotid-Sequenz des Vektors inseriert sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch Zellen, die rekombinante Vektoren der vorliegenden Erfindung
enthalten. Bei den Zellen kann es sich beispielsweise um Vertebratenzellen,
wie Säugerzellen, handeln.
Vorzugsweise sind die Zellen menschliche Zellen. Zell-Linien, die
mit den rekombinanten Vektoren der vorliegenden Erfindung infiziert
oder transformiert sind, liegen ebenfalls innerhalb des Bereichs der
Erfindung.
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Die rekombinanten Vektoren der vorliegenden
Erfindung können
durch in der Technik bekannte Verfahren in geeignete Zellen oder
Zell-Linien eingeführt
werden. Wenn die rekombinanten Vektoren in Viruspartikeln verpackt
sind, können
die Zellen oder Zell-Linien mit dem Virus infiziert werden, der
den rekombinanten Vektor enthält.
Verfahren, die zur Einführung
eines rekombinanten Vektors in Zellen oder Zell-Linien in Betracht
gezogen werden, schließen auch
Transfektion, Transduktion und Injektion ein. Beispielsweise könne Vektoren
unter Verwendung von Liposomen, welche die vorliegenden rekombinanten
Vektoren enthalten, in Zellen eingeführt werden. Rekombinante Viruspartikel
und Vektoren der vorliegenden Erfindung können durch In-vitro- oder In-vivo-Mittel
in Zellen eingeführt
werden.
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Die Infektion von Vertebratenzellen
ist nicht-permissiv, indem eine frühe, aber keine späte AmEPV-Genexpression
stattfindet (Li et al., 1997). Speziell wird, wenn ein Reportergen,
wie lacZ, von einem späten
Poxvirus-Promotor, entweder dem AmEPV-Spheroidin- oder dem Kuhpockenvirus ATI-(Inklusion
vom A-Typ) Promotor, angetrieben wird, keine Expression von Galactosidase
beobachtet. Wenn jedoch lacZ stattdessen von einem der beiden frühen EPV-Promotoren
(dem Melolontha melolontha EPV-Fusolingen-Promotor (Gauthier et
al., 1995) oder dem 42 kDa frühen
AmEPV-Protein (Li et al., 1997)) angetrieben wird, werden hohe Konzentrationen
an Galactosidase in den mit rekombinantem AmEPV infizierten Vertebratenzellen
beobachtet. Diese Ergebnisse stellen einen klaren Nachweis des AmEPV-Eintritts
in Vertebratenzellen dar, gefolgt von einer frühen, aber nicht späten Virus-Genexpression.
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Es wurde auch gefunden, dass Vertebratenzellen
eine Infektion durch AmEPV überleben.
Wenn CV-1-Zellen mit einer AmEPV-Rekombinanten infiziert werden,
die das grüne
fluoreszierende Protein-(GFP-)Gen enthält, das durch den 42 kDa AmEPV frühen Promotor
(auch als esp-Promotor bezeichnet) reguliert wird, werden anfänglich einzelne
fluoreszierende Zellen beobachtet, die dann fortfahren zu wachsen
und sich zu teilen, wobei sie schließlich kleine Cluster von fluoreszierenden
Zellen bilden. Deshalb tritt AmEPV in Vertebtratezellen ein, um
eine nicht-permissive, abortive Infektion zu erzeugen, frühe Virusgene
werden exprimiert und infizierte Zellen scheinen zu überleben
und fortzufahren, sich zu teilen. Diese Eigenschaften, plus einer
sehr großen
Kapazität
des Virus für
fremde Gene, macht AmEPV zu einem ausgezeichneten Vektor für die Zufuhr
von Genen zur Expression auf vorübergehende
Weise.
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Materialien
und Methoden
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Zellen und
Virus
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AmEPV (Hall und Moyer, 1991) wurde
in IPLB-LD-652-Zellen (Goodwin et al., 1990) repliziert, welche
bei 28°C
in einem 1 : 1 gemischten Medium (TE-Medium) aus TC-100-Medium (Gibco. Gaithersburg,
MD) und EX-CELL 401-Medium
(JRH Biosciences, Lenexa, KS), das mit 10% fetalem Rinderserum ergänzt war,
gehalten. Eine TK-negative Zell-Linie, die als C11.3 bezeichnet
wurde, wurde durch ein Verfahren der Adaption von TK(+) LD652-Zellen
an zunehmende Mengen 5-Brom-2'-desoxyuridin
(BudR), 10 μg/ml
alle 5 Wochen über
ein Jahr bis zu 100 μg/m
BudR, selektiert und in einem TE-Medium gehalten, das BudR (100 μg/ml) enthielt.
293 Zellen wurden in DMEM-Medium gezüchtet, das mit 5 % fetalem
Rinderserum ergänzt
war.
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Plasmidkonstruktion
und Herstellung einer AmEPV-Rekombinanten
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pTR-UF5 (siehe 1, bereitgestellt von Vector Core, Gene
Therapy Center, University of Florida) enthält GFP- und Neon-Gene unter
der Kontrolle des CMV-Promotors
bzw. Herpesvirus-TK-Promotors und flankiert von ITR-Sequenzen von
AAV. Das Pst I-Fragment, das GFP- und Neon-Markierungen enthält, wurde
in die Pst I-Stelle von pTKDU inseriert (Li et al., 1998), um pTKUF5
zu erzeugen. Die AmEPV-Rekombinante mit einem Insert in dem TK-Gen
wurde wie früher
beschrieben erhalten (Li et al., 1998).
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Das folgenden sind Beispiele, welche
Verfahren zur Durchführung
der Erfindung erläutern. Diese
Beispiele sollten nicht als beschränkend angesehen werden. Alle
Prozentsätze
sind auf das Gewicht bezogen, und alle Lösungsmittel-Mischungsverhältnisse sind bezüglich Volumen,
falls nichts anderes angegeben ist.
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Beispiel 1 - Genexpression
in Zellen, die mit rekombinantem AmEPV infiziert sind
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293 Zellen (1 × 106)
wurden in eine Platte mit 6 Vertiefungen gegeben und mit rekombinantem AmEPVpTKUF5-
oder AmEPVpTKespgfp- (Li et al., 1997) Viren mit einer Multiplizität von fünf (5) Viruspartikeln/Zelle
infiziert. Als Kontrollen wurden Zellen gesondert entweder mit dem
Plasmid pTR-UF5 oder pTKUF5 mit 5 μg/Vertiefung Plasmid-DNS transfiziert.
Zwei Tage später
wurden mit Virus infizierte oder mit Plasmid transfizierte Zellen
in 60 mm-Schalen überführt, nach
24 Stunden wurden Neomycin-resistente Kolonien durch Zugabe von
G418 mit einer Endkonzentration von 200 μg/ml selektiert. Das G418-haltige
Medium wurde alle 3–4
Tage ausgetauscht.
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Bei Zellen, die mit rekombinantem
AmEPV pTKespgfp infiziert waren, wurde keine Neomycin-resistente
Kolonie beobachtet, ein erwartetes Ergebnis, da dieses Virus kein
NeoR-Gen aufweist. Jedoch wurden bei Zellen, die mit rekombinantem
AmEPV pTKUF5 infiziert oder mit Plasmiden pTR-UF5 transfiziert waren,
Kolonien beobachtet. Alle Kolonien aus Zellen, die mit einem der
beiden Plasmide transfiziert waren, waren sowohl G418-resistent
als auch GFP-positiv. Jedoch waren Kolonien aus Zellen, die mit
rekombinantem pTKUF5 infiziert waren, anfänglich nur G418-resistent und
nicht GFP-positiv. G418-resistente Kolonien, die von der AmEPV-Rekombinanten
abstammten, wuchsen auch langsamer als diejenigen, die nach Plasmid-Transfektion
erzeugt wurden. Sehr wahrscheinlich ist die Erklärung für diese Ergebnisse, dass die
GFP- und NeoR-Gen-Kopienzahl in von AmEPV abstammenden Kolonien
geringer ist als bei denjenigen, die mit Plasmiden transfiziert
wurden. Diese Erklärung
ist wahrscheinlich richtig, da wir in der Lage waren zu zeigen, dass
die von AmEPV abstammenden Kolonien allmählich mehr und mehr gegen G418
resistent wurden und dass bald einige GFP-positive Cluster von Zellen
beobachtet wurden, die zahlreicher und heller wurden. Nach mehreren
Auswechslungen des Mediums waren schließlich alle Zellen in der Vertiefung GFP-positiv.
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Literaturstellen
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US-Patente
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- US-Patent Nr. 5,721,352
- US-Patent Nr. 5,753,258
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Andere Literaturstellen
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Berns, K. I. und R. A. Bohenzky (1987) "Adeno-associated
viruses: an update. Adv. Virus Res. 32: 243–306.
-
Gauthier, L., F. Coussrans, J. C.
Veyrunes, M. Bergoin (1995) "The
Melolontha melolontha entomopoxvirus (MmEPV) fusolin is related
to the fusolins of lepidoptera EPVs and to the 37 K baculovirus
glycoprotein", Virology
208: 427-436.
-
Granados, R. R. (1981) "Entomopoxvirus infections
in insects, In Pathogenesis of invertebrate Microbial Disease, S.
102–126,
Davidson, E. W. (Hsg.) New Jersey, Allanheld Totowa.
-
Kaplitt et al. (1994) "Long term gene expression
and phenotypic correction using adeno-associated virus vectors in
the mammalian brain",
Nat. Genet. 8: 148–154.
-
Kotin, R. M., R. M. Linden, K. I.
Berns (1992) "Characterization
of a preferred site on human chromosome 10 q for integration of
adeno-associated virus DNA by nonhomologous recombination" EMBOJ 11: 5071–5078.
-
Langridge, W. H. (1983) "Detection of Amsacta
moorei entomopoxvirus and vaccinia virus proteins in cell cultures
restrictive for poxvirus multiplication", J. Invertebr. Pathol. 42: 77–82.
-
Li, Y., R. L. Hall, R. W. Moyer (1997) "Transient, nonlethal
expression of genes in vertebrate cells by recombinant entomopoxviruses" J. Virol. 71: 9557– 9562.
-
Li, Y., R. L. Hall, S. L. Yuan, R.
W. Moyer (1998) "High
level expression of Amsacta moorei entomopoxvirus Spheroidin depends
on sequences within the gene" J.
Gen. Virol. 79: 613–622.
-
Nienhuis, A. W., C. E. Walsh, J.
M. Liu (1993) "Viruses
as therapeutic gene transfer vectors" In: N. S. Young (Hsg.) Viruses and
bone marrow, Marcel Decker, New York, S. 353–414.