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歡迎進(jìn)入生物課堂 蛋白質(zhì)工程的崛起 珠海市實驗中學(xué)周樹奇 一 蛋白質(zhì)工程崛起的緣由 通過基因工程能夠大規(guī)模生產(chǎn)生物體內(nèi)微量存在的活性物質(zhì) 并借助轉(zhuǎn)基因而改變動植物性狀 得以在人類醫(yī)療保健中進(jìn)行基因診斷和基因治療 然而在廣泛利用自然界各種蛋白質(zhì)的過程中就發(fā)現(xiàn) 這些蛋白質(zhì)只是適應(yīng)生物自身的需要 而對它們進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)往往不合意 需要加以改造 1983年Ulmer首先提出蛋白質(zhì)工程 它是指按照特定的需要 對蛋白質(zhì)進(jìn)行分子設(shè)計和改造的工程 自此以后 蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展 已成為生物工程的重要組成部分 在已研究過的幾千種酶中 只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性 但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低 這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸 堿或有機溶劑存在 反應(yīng)溫度較高 在這種條件下 大多數(shù)酶會很快變性失活 提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題 一般來說 提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括 延長酶的半衰期 提高酶的熱穩(wěn)定性 延長藥用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等 例如 干擾素是一種抗病毒 抗腫瘤的藥物 將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá) 產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106U mg 只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一 雖然在大腸桿菌中合成的 干擾素量很多 但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在 為什么會這樣 如何改變這種狀況 研究發(fā)現(xiàn) 干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸 第17位 31位和141位 推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵 研究人員將第17位的半胱氨酸 通過基因定點突變改變成絲氨酸 結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的 干擾素的抗病性活性提高到108U mg 并且比天然 干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多 后基因組時代 將是 蛋白質(zhì)組學(xué)時代 即從對基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究 包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用 蛋白質(zhì)工程就是在對蛋白質(zhì)的化學(xué) 晶體學(xué) 動力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的基礎(chǔ)上 對蛋白質(zhì)人工改造與合成 最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品 二 蛋白質(zhì)工程的基本原理 蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括 1 從生物體中分離純化目的蛋白 2 測定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段 盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu) 4 設(shè)計各種處理條件 了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化 包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響 5 設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案 如點突變 6 分離 純化新蛋白 功能檢測后投入實際使用 一 蛋白質(zhì)的分子設(shè)計與改造蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) 通過蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究 積累了成千上萬蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料 并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 得以從中找出蛋白質(zhì)分子間的進(jìn)化關(guān)系 一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的關(guān)系 結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系方面的規(guī)律 蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究重點 大量蛋白質(zhì)被分離純化 測定了它們的結(jié)構(gòu) 性質(zhì)和生物學(xué)作用 分子生物學(xué)有關(guān)基因組的研究 也可以用以推測出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 采用定位誘變的方法 可以對編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行核苷酸密碼子的插入 刪除 置換和改組 其結(jié)果為分子改造提供新的設(shè)計方案 現(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長期進(jìn)化的結(jié)果 蛋白質(zhì)工程則是對生物進(jìn)化的模擬 按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律 改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設(shè)計 然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì) 以檢驗其是否達(dá)到了預(yù)期的效果 如果改造的結(jié)果不理想 還需要從新設(shè)計再進(jìn)行改造 往往經(jīng)歷多次實踐摸索才能達(dá)到改進(jìn)蛋白質(zhì)性能的預(yù)定目標(biāo) 二 蛋白質(zhì)改造工程舉例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑 它有多種變異體 由65或66個氨基酸殘基組成 水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病 為提高水蛭素活性 在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計方案 將47位的Asn 天冬酰胺 變成Lys 賴氨酸 使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr 蘇氨酸 間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向 從而提高凝血效率 試管試驗活性提高4倍 在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果 提高20倍 2 生長激素改造生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機體的生長發(fā)育 然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體 還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體 引發(fā)其他生理過程 在治療過程中為減少副作用 需使人的重組生長激素只與生長激素受體結(jié)合 盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) 二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊 但并不完全相同 有可能通過改造加以區(qū)別 由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用 而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與 于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈 如第18和第21位His 組氨酸 和第17位Glu 谷氨酸 實驗結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致 但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做 3 胰島素改造天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體 延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液 從而延緩了其降血糖作用 也增加了抗原性 這是胰島素B23 B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致 利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基 則可降低其聚合作用 使胰島素快速起作用 該速效胰島素已通過臨床實驗 4 治癌酶的改造癌癥的基因治療分二個方面 藥物作用于癌細(xì)胞 特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞 藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害 可以提高化學(xué)治療的劑量 皰疹病毒 HSV 胸腺嘧啶激酶 TK 可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基3 OH缺乏 從而阻斷DNA的合成 殺死癌細(xì)胞 HSV TK催化能力可以通過基因突變來提高 從大量的隨機突變中進(jìn)行篩選出一種酶 在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換 催化能力20倍以上 蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快 研究工作很多 以上僅介紹了幾個例子 蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計制造新的蛋白質(zhì)外 其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強有力的工具 它在解決生物理論方面所起的作用 可以和任何重大的生物研究方法相提并論 何謂蛋白質(zhì)工程 在現(xiàn)代生物技術(shù)中 蛋白質(zhì)工程出現(xiàn)得最晚 是在20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的 1983年 蛋白質(zhì)工程 這個名詞出現(xiàn)后 隨即被廣泛接受和采用 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ) 通過基因修飾或基因合成 對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造 或制造一種新的蛋白質(zhì) 以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求 三 蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景 蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就 它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究 蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時代 為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè) 農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開拓了誘人的前景 蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造 創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全