蛋白质创新工程的崛起QMF公开课

1、基因工程的实质基因工程的实质： 将一种生物的将一种生物的 转移到转移到 另一种生物体内，后者产生它本不另一种生物体内，后者产生它本不 能产的能产的 ，进而表现，进而表现 出出 。 基因基因 蛋白质蛋白质 新的性状新的性状 回顾回顾： 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 基因工程的成果基因工程的成果 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自 然界已存在的蛋白质。然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的结构和功能这些蛋白质的结构和功能 符合特定物种生存的需要，却不一符合特定物种生存的需要，却不

2、一 定完全符合人类生产和生活的需要。定完全符合人类生产和生活的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性： 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 阅读阅读P26P26第二自然段思考：第二自然段思考： 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸 的产量上面临什么样的问题？如何解决这的产量上面临什么样的问题？如何解决这 些问题？些问题？ 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 例如：例如： 改造改造 干扰素（半胱氨酸干扰素（半胱氨酸） 体外很难保存体外很难保存 干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸） 体外

3、可以保存半年体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （352352位的苏氨酸）位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺） 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）（异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）（异亮氨酸） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍 改造改造 改造改造 问题问题1：解决：解决： 蛋白质功能蛋白质功能 不能满足需求不能满足需求 改变蛋白质改变蛋白质 的结构的结构 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 -半胱氨酸半胱氨酸- 体外很难保存

4、体外很难保存 ？如何改造？如何改造 -丝氨酸丝氨酸- 体外可以保存半年体外可以保存半年 问题问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ 干扰素干扰素 干扰素（改）干扰素（改） (你认为直接对蛋白质分子进行操作，还是你认为直接对蛋白质分子进行操作，还是 通过对基因的操作来实现？能否说出你的理通过对基因的操作来实现？能否说出你的理 由？由？) 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现 对天然蛋白质改造，主要原因如下：对天然蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码）任何一种天然

5、蛋白质都是由基因编码 的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而 且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋 白质直接改造，即使改造成功，被改造过的白质直接改造，即使改造成功，被改造过的 蛋白质分子还是无法遗传的。蛋白质分子还是无法遗传的。 （基因改造（基因改造可遗传；可遗传； 蛋白质改造蛋白质改造不可遗传）不可遗传） （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造）对基因进行改造比对蛋白质直接改造 要容易操作，难度要小得多。要容易操作，难度要小得多。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 -半胱氨酸半胱氨酸- 体外很难保存体外很难保存

6、？如何改造？如何改造 -丝氨酸丝氨酸- 体外可以保存半年体外可以保存半年 问题问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改、你能推测出干扰素基因改造前和改 造后的该部分序列吗？造后的该部分序列吗？ （半胱氨酸：（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：；丝氨酸：UCU） 干扰素干扰素 干扰素（改）干扰素（改） 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是： -丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-赖氨酸赖氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸- 丙氨酸：丙氨酸：GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG GCG 色氨酸：色氨酸：UGG UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAAAAA

7、、AAG AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUUUUU、UUC UUC 讨论：讨论： 1 1、请写出决定这一段肽链的、请写出决定这一段肽链的mRNAmRNA片段和基因片段的核片段和基因片段的核 苷酸序列。苷酸序列。 2 2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改 造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？ 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 （1 1）mRNAmRNA序列为：序列为： GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） 脱

8、氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列： CGACGA（或（或G G或或T T或或C C）ACCTTTACCTTT（或（或C C）TACAAATACAAA（或（或G G） （2 2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人 类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因 库中获取。库中获取。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 1、蛋白质工程的途径、蛋白质工程的途径 预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列 (合

9、成基因合成基因) 基因基因 DNADNA 氨基酸序列氨基酸序列 多肽链多肽链 蛋白质蛋白质 三维结构三维结构 预期功能预期功能 生物功能生物功能 mRNAmRNA 转录转录翻译翻译 折叠折叠 DNADNA合成合成分子设计分子设计 -中心法则的逆推中心法则的逆推 二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理(P27) 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 3 3、实质、实质： 2 2、目标（、目标（P26P26）：）： 根据人们对根据人们对的特定需求，的特定需求， 对蛋白质的对蛋白质的进行分子设计。进行分子设计。 基因改造基因改造 蛋白质功能蛋白质功能 结构结构 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课

10、 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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，以满足人类对生产和生活的需求。蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。 4 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念 P27P27 了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能 改造基因（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成） 定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 5、基因工程与蛋白质工程

11、的区别、基因工程与蛋白质工程的区别 基因工程基因工程 蛋白质工程蛋白质工程 实质实质 结果结果 联系联系 通过通过改造基因改造基因，以，以 定向改造天然蛋白定向改造天然蛋白 质，甚至创造自然质，甚至创造自然 界不存在的蛋白质界不存在的蛋白质 将将目的基因目的基因从供体从供体 转移到受体细胞，并转移到受体细胞，并 在受体细胞中表达在受体细胞中表达 只能生产自然界只能生产自然界 已存在已存在的蛋白质的蛋白质 蛋白质工程是在基因工程基础上，延蛋白质工程是在基因工程基础上，延 伸出的伸出的第二代第二代基因工程基因工程 能生产自然界能生产自然界 不存在不存在的蛋白质的蛋白质 重组重组 创新创新 蛋白质创

12、新工程的崛起QMF公开课 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应 的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要 的蛋白质食品呢？的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自 然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而 自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高

13、级结构 非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如 何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有 生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带 来什么危害也是人们所担心的。来什么危害也是人们所担心的。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景 1 1、进展、进展P28P28： （1 1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和天然胰岛素

14、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，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这 是胰岛素是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用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。已通过临床实验。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 （2）水蛭素改造）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，水蛭素是水蛭唾液腺分泌的

15、凝血酶特异抑制剂， 它有多种变异体，由它有多种变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水个氨基酸残基组成。水 蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。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础上提出改造水蛭素主要变异体HV2HV2的设计方案，的设计方案， 将将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨酸），使（赖氨酸），使 其与分子内第其与分子内第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键（苏氨酸）间形成氢键

16、来帮助水蛭素来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而提高凝血端肽段的正确取向，从而提高凝血 效率，试管试验活性提高效率，试管试验活性提高4 4倍，在动物模型上检验倍，在动物模型上检验 抗血栓形成的效果，提高抗血栓形成的效果，提高2020倍。倍。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 2 2、前景诱人：、前景诱人： 探索将蛋白质工程应用于微电子方面。探索将蛋白质工程应用于微电子方面。 3 3、难度很大：、难度很大： 主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级 结构的了解还很不够。结构的了解还很不够。 用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、用蛋白质工程制造的电子元件具有体

17、积小、 耗电少和效率高的特点。耗电少和效率高的特点。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 1 1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程、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？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之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大 的科学命题。的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质组组年，国际人类蛋白质组组 织宣告成立。织宣告成立。20032003年，该组织正式提出启动年，该组织正式提出启动 了两项重大国际合作行动

18、：一项是了两项重大国际合作行动：一项是由中国科由中国科 学家牵头学家牵头执行的执行的“人类肝脏蛋白质组计划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另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血人类血 浆蛋白质组计划浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质，由此拉开了人类蛋白质 组计划的帷幕。组计划的帷幕。 四、知识拓展 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 “人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上是国际上 第一个人类组织器官的蛋白质组计划，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

19、，总第一次领衔的重大国际科研协作计划，总 部设在北京，目前有部设在北京，目前有16个国家和地区的个国家和地区的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、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诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的 科学基础。科学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋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。白质工程的有力推动和理论支持。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 2 2、你知道酶工程吗、你知道酶工程吗? ?绝大多数酶都是蛋白质，绝大

20、多数酶都是蛋白质， 酶工程和蛋白质工程有什么区别？酶工程和蛋白质工程有什么区别？ 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工 程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护 等方面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉）等方面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉） 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经 过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结 构来确定相应基因的碱基序列等步骤。构来确定相应基因的碱基序列

21、等步骤。 因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用， 而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改 造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到 酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。 蛋白质创新工程的崛起QMF公开课 小结小结 1、蛋白质工程崛起的缘由、蛋白质工程崛起的缘由 2、蛋白质工程的原理：、蛋白质工程的原理： 中心法则的逆推中心法则的逆推 预期的蛋白质功能出发预期的蛋白质功能出发 推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列 设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构 找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列 3、蛋白质工程的进展和前景、蛋白质工程的进展和前景 蛋白质创新工程的崛起QMF