蛋白质工程的崛起课件.ppt

蛋白质工程的崛起 1 2020 3 21 蛋白质工程的崛起 2 2020 3 21 旁栏思考题 你知道人类蛋白质组计划吗 它与蛋白质工程有什么关系 我国科学家承担了什么任务 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后 生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题 2001年 国际人类蛋白质组组织宣告成立 之后 该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动 一项是由中国科学家牵头执行的 人类肝脏蛋白质组计划 另一项是以美国科学家牵头执行的 人类血浆蛋白质组计划 由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕 3 2020 3 21 人类肝脏蛋白质组计划 是国际上第一个人类组织 器官的蛋白质组计划 由我国贺福初院士牵头 这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划 总部设在北京 目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加 它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质 为重大肝病预防 诊断 治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持 4 2020 3 21 基因工程的实质是什么 将一种生物的基因转移到另一种生物体内 后者可以产生它本来不能产生的蛋白质 进而表现出新的性状 5 2020 3 21 干扰素 利用大肠杆菌及酵母菌生产干扰素 6 2020 3 21 一 蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质 并借助转基因而改变动植物性状 得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗 然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现 这些蛋白质只是适应生物自身的需要 而对它们进行产业化开发往往不合意 需要加以改造 1983年Ulmer首先提出蛋白质工程 它是指按照特定的需要 对蛋白质进行分子设计和改造的工程 自此以后 蛋白质工程迅速发展 已成为生物工程的重要组成部分 7 2020 3 21 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 8 2020 3 21 例如 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106U mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多 但多数是以无活性的二聚体形式存在 为什么会这样 如何改变这种状况 研究发现 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 第17位 31位和141位 推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键 研究人员将第17位的半胱氨酸 通过基因定点突变改变成丝氨酸 结果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提高到108U mg 并且比天然 干扰素的贮存稳定性高很多 9 2020 3 21 后基因组时代 将是 蛋白质组学时代 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究 包括研究蛋白质结构 功能与应用及蛋白质相互关系和作用 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学 晶体学 动力学等结构与功能认识的基础上 对蛋白质人工改造与合成 最终获得商业化的产品 10 2020 3 21 1 4蛋白质工程的崛起 一 蛋白质工程崛起的缘由 1 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质 2 天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要 蛋白质工程的目的 生产符合人们生活需要的并非自然界已存在的蛋白质 例如 11 2020 3 21 二 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的目标P26 蛋白质工程流程图 P27 原理 基因改造 蛋白质三维结构 氨基酸序列多肽链 基因DNA mRNA 中心法则 P27讨论题 12 2020 3 21 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同 答 基因工程是遵循中心法则 从DNA mRNA 蛋白质 折叠产生功能 基本上是生产出自然界已有的蛋白质 蛋白质工程是按照以下思路进行的 确定蛋白质的功能 蛋白质应有的高级结构 蛋白质应具备的折叠状态 应有的氨基酸序列 应有的碱基排列 可以创造自然界不存在的蛋白质 13 2020 3 21 4 蛋白质工程的主要步骤通常包括 1 从生物体中分离纯化目的蛋白 2 测定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段 尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构 4 设计各种处理条件 了解蛋白质的结构变化 包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响 5 设计编码该蛋白的基因改造方案 如点突变 6 分离 纯化新蛋白 功能检测后投入实际使用 14 2020 3 21 一 蛋白质的分子设计与改造蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础 通过蛋白质的一级结构 晶体结构和溶液构象的研究 积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料 并编制成系统的数据库 得以从中找出蛋白质分子间的进化关系 一级结构和高级结构的关系 结构与功能的关系方面的规律 15 2020 3 21 蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点 大量蛋白质被分离纯化 测定了它们的结构 性质和生物学作用 分子生物学有关基因组的研究 也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能 采用定位诱变的方法 可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入 删除 置换和改组 其结果为分子改造提供新的设计方案 现有的蛋白质是生物长期进化的结果 蛋白质工程则是对生物进化的模拟 按照蛋白质形成的规律 改造蛋白质或构建新的蛋白质 蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计 然后依赖基因工程获得突变型蛋白质 以检验其是否达到了预期的效果 如果改造的结果不理想 还需要从新设计再进行改造 往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标 16 2020 3 21 二 蛋白质改造工程举例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂 它有多种变异体 由65或66个氨基酸残基组成 水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病 为提高水蛭素活性 在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案 将47位的Asn 天冬酰胺 变成Lys 赖氨酸 使其与分子内第4或第5位Thr 苏氨酸 间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向 从而提高凝血效率 试管试验活性提高4倍 在动物模型上检验抗血栓形成的效果 提高20倍 17 2020 3 21 2 生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育 然而它不仅可以结合生长激素受体 还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体 引发其他生理过程 在治疗过程中为减少副作用 需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合 尽可能减少与其他激素受体的结合 经研究发现 二者受体结合区有一部分重叠 但并不完全相同 有可能通过改造加以区别 由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用 而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与 于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链 如第18和第21位His 组氨酸 和第17位Glu 谷氨酸 实验结果与预先设想一致 但要开发作为临床用药还有大量的工作要做 18 2020 3 21 3 胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体 延缓胰岛素从注射部位进入血液 从而延缓了其降血糖作用 也增加了抗原性 这是胰岛素B23 B28氨基酸残基结构所致 利用蛋白质工程技术改变这些残基 则可降低其聚合作用 使胰岛素快速起作用 该速效胰岛素已通过临床实验 19 2020 3 21 4 治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面 药物作用于癌细胞 特异性地抑制或杀死癌细胞 药物保护正常细胞免受化学药物的侵害 可以提高化学治疗的剂量 疱疹病毒 HSV 胸腺嘧啶激酶 TK 可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3 OH缺乏 从而阻断DNA的合成 杀死癌细胞 HSV TK催化能力可以通过基因突变来提高 从大量的随机突变中进行筛选出一种酶 在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换 催化能力20倍以上 蛋白质工程的发展很快 研究工作很多 以上仅介绍了几个例子 蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外 其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具 它在解决生物理论方面所起的作用 可以和任何重大的生物研究方法相提并论 20 2020 3 21 何谓蛋白质工程 5 在现代生物技术中 蛋白质工程出现得最晚 是在20世纪80年代初期出现的 1983年 蛋白质工程 这个名词出现后 随即被广泛接受和采用 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础 通过基因修饰或基因合成 对现有蛋白质进行改造 或制造一种新的蛋白质 以满足人类的生产和生活的需求 21 2020 3 21 三 蛋白质工程的进展和前景 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就 它把核酸与蛋白质结合 蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究 蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代 为蛋白质和酶在工业 农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景 蛋白质工程开创了按照人类意愿改造 创造符合人类需要的蛋白质的新时期 22 2020 3 21 练习 1 以下关于蛋白质工程的说法正确的是 A 蛋白质工程以基因工程为基础B 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造C 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质D 蛋白质工程的实质是改造蛋白质 A 23 2020 3 21 2 蛋白质工程的基本流程正确的是 设计蛋白质分子结构 DNA合成 预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A B C D D 24 2020 3 21 讨论 答 1 每种氨基酸都有对应的三联密码子 只要查一下遗传密码子表 就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来 但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码 因此其碱基排列组合起来就比较复杂 至少可以排列出16种 可以根据学过的排列组合知识自己排列一