酶工程第八节抗体酶课件

关于酶工程第八节抗体酶第1页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

问题的提出：

抗体是目前已知的最大多样性体系，机体的免疫系统可以产生108-1010个不同的抗体分子，抗体分子的多样性及其高度精确识别性使其能结合几乎任何天然的或合成的分子。

能否利用抗体的这一特性将抗体开发成象酶那样的催化剂呢？1986年<Science>同时发表了两篇来自由Lemer和Schultz分别领导的两个研究组发现具有酶催化性质的抗体研究报告。第2页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

第八节抗体酶

Abzyme一概述二机制三制备四应用

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1946年,诺贝尔奖二次得主美国化学家LinusPauling提出酶催化反应的过渡态理论：酶催化化学反应的机制在于：酶能与高能、短寿命的过渡态（激发态）相结合，在这个处于反应底物和产物之间的过渡态构型中，某些键断裂而另一些键形成，从而大大降低了化学反应的活化能。

一、抗体酶的发现与研究思路

酶的催化机理是降低活化能第4页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三第5页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

能与过渡态结合的抗体也具有酶的性质

根据Pauling理论，WilliamJencks于1969年预言：若能找到对应某反应过渡态的抗体，将其加入该反应体系中，就可观测到这个抗体对该反应的催化效应。也即：抗体若能与某化学反应的过渡态结合，则这样的抗体必也能像酶一样，使其活化能降低，从而帮助大量反应物分子跨越能障，达到加速反应的目的。这就意味着，抗体一旦能与过渡态相结合，它就具有酶的性质，即在温和条件下高效专属地催化学反应。

LinusCarlPauling第6页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

寻找过渡态类似物作为半抗原产生的抗体可能具有酶活性

由于ES‡过渡态中间物的半衰期很短，实践中很难获得反应的过渡态，若设计和制备稳定的过渡态类似物（能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，它能与相应的酶紧密结合而成为该酶的竞争性抑制剂），以此替代反应的过渡态作为半抗原，诱导与其互补构像的抗体，这样产生的抗体就能识别反应过程的真正过渡态，该抗体即有酶催化反应的基本特征，可能成为一种具有酶活性的抗体。第7页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

如愿以偿

在1986年，加利福尼亚实验室的Lerner和Schultz同时报道了成功制备具有催化能力的单克隆抗体---催化抗体，证实了抗体和酶一样，能专一催化化学反应的事实。此后，抗体酶才从理论变为了现实。

目前，抗体酶的研究方向是如何提高酶的效率以及免疫学中的应用。

PeterSchultz第8页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三Aquestion:

抗体酶是酶还是抗体？第9页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

二、抗体酶的结构与机制

什么是酶(enzyme)？酶——活细胞产生，起生物化学反应催化剂作用的蛋白质。

什么是抗体（antibody，Ab）？抗体——是B细胞识别抗原后增殖分化为浆细胞所产生的一种蛋白质，主要存在于血清等体液中,能与相应抗原特异性地结合，具有免疫功能。

其本质是一类免疫球蛋白。

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抗体结构

抗体分子是由两条轻链(lightchain,L链)和两条重链(heavychain,H链)通过链间二硫键连接而成的四肽键结构。第11页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三经蛋白酶水解后分为抗原结合片段(antigenbindingfragment,Fab)

和可结晶片段(crystallizabefragement,Fc)；位于H和L链的N-端的可变区是抗原的结合位点,由约110个氨基酸构成(variableregion,V)。其中H链含4个超变区段，L链含3个超变区段，加上两条链的组合，就可产生108以上种抗体分子。第12页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

抗体酶模型第13页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

抗体酶——Abzyme

是酶的高效催化能力和抗体的高度选择性巧妙结的产物，本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋（Ig），在其可变区赋予了酶的属性。因此，催化抗体又称抗体酶。通过一系列化学和生物技术方法制备出具有催化活性的抗体，除了具有相应的免疫学性质，还类似于酶，具有各种催化特性。所以，其实抗体酶是一种特殊的抗体，它有着催化特性，可谓是酶和抗体性质的兼得。所以又被称为催化抗体。（Catalyticantibody）第14页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

抗体酶的作用机制

酶和抗体的本质差别在于：酶是能和反应过渡态

(激发态分子)选择结合的催化物质。而抗体是和基态分子选择结合的催化物质,它们识别底物的机理是相同的。如果以激发态的分子为半抗原激发免疫系统产生抗体,那么这种抗体就可能像酶一样催化经过此过渡态的化学反应。由于在实践中很难获得反应的过渡态，激发态的过渡态分子不可能作为抗原来产生抗体，所以对某一特定的酶催化的化学反应,可以合成一种稳定态分子,它在带电性能,几何形状与反应过渡态分子结构类似。这种稳定态分子即为过渡态类似物。

设计和制备稳定的过渡态类似物，以此代替反应的过渡态作为半抗原诱导产生抗体，这样产生的抗体就能识别反应过程的真正过渡态，该抗体具有酶催化反应的基本特征，可能成为一种具有酶活性的抗体。这就是我们所称的抗体酶。第15页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

抗体酶与天然酶相比其优势何在？（1）抗体酶可以达到专一催化某一底物转化的反应。（2）抗体酶能催化那些理论上认为非常不利的反应。（3）抗体酶能催化那些天然酶不能催化的反应。

(4)不仅提供了人工生物催化剂，而且提供了研究生物催化过程的新途径。

抗体的种类非常多，免疫系统可以拥有上亿种抗原特异性不同的抗体分子。应用抗体的种类繁多以及抗体酶的可诱导、可改造的特点，有望能制备出具有治疗和辅助治疗某些疾病和催化某类具有特殊意义反应的抗体酶。

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Aquestion:

如何让抗体具有酶活性？第17页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三抗体酶制备的基本原理

按照现代酶学理论，酶首先要和底物结合，使底物向过渡态转化，然后再在催化基团的作用下促进底物进行反应。免疫反应和酶反应十分相似，抗体也能专一地、高亲和力地与抗原物质结合，然后再促使抗原发生各种变化。如果能适当地改变抗体中与抗原结合部位的微环境，并在适当部位引入相应的催化基团，那就有可能使抗体转变为具有催化性能的抗体酶。三、抗体酶的制备第18页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三制备方法诱导法基因工程法拷贝法导入法修饰法第19页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

诱导法

采用过渡态的底物类似物诱导

(transitionstateanalogue)

作为酶的抑制剂的过渡态类似物是稳定的，因此利用抗体能与抗原特异结合的原理，可用过渡态的类似物作为半抗原来诱发抗体，这样产生的抗体便能特异的识别反应过程中真正的过渡态分子！

首先设计和制备过渡态的底物类似物，以它作为半

抗原（hapten），再和载体蛋白质一起免疫动物，然后

分出脾细胞，进而和骨髓瘤细胞融合，选出对半抗原有

高亲和力的克隆，使之在培养介质中生长扩增，最后选

择、纯化产生的具有催化活性的单克隆抗体。此法的关

键是要设计和获得适当的过渡态底物类似物作为半抗原。第20页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三“制备”抗原：设计过渡态类似物合成半抗原半抗原－载体杂交瘤细胞制备：免疫小鼠与骨髓瘤细胞结合限制性稀释筛选与半抗原具有高亲和力的克隆制备单克隆抗体：将细胞培养于腹水液或培养介质中生产单抗纯化单抗筛选抗体酶：筛选具有催化性能的单抗第21页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

简言之——

诱导法是选择适当的化学模型物与载体蛋白连接后给动物免疫，通过杂交瘤技术筛选和分离单克隆抗体（所得抗体催化效果的好坏很大程度上取决于化学模型物的设计）。第22页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

基因工程法

对于已经获得的单抗，分析其氨基酸序列和相应基因的碱基序列，将抗原结合部位的基因换上编码有催化作用的氨基酸的基因，这就是基因工程法制备抗体酶的主要内容。基因工程的技术使得建立抗体基本的组合文库，并根据需要构建适当序列的基因片断已成为可能。利用抗体库技术，在将来也许有可能绕开免疫，产生完全由基因工程构建的全新抗体酶。第23页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

拷贝法

用已知酶作为抗原免疫动物，通过单克隆技术，制得抗该种酶的抗体。再以此种抗体免疫动物，再次采用单克隆技术，经筛选与纯化，就可获得具有原来酶活性的抗体酶(因为抗原与该抗产生的抗体具有互补性，经过上述两次拷贝，就把酶的活性部位的信息翻录到抗体酶上，使该抗体酶能高选择性地催化原酶所催化的反应)。这种方法对自然界来源稀少的紧缺酶，不失为一种有价值的有潜力的方法。

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导入法在现有的抗体基础上，借助化学修饰或蛋白质工程的办法将催化基团引入到已有底物结合能力的抗体的抗原结合部位上。可以采用选择性化学修饰的方法将人工合成的或天然存在的催化基团引入到抗原结合部位；也可采用寡核苷酸定点诱变技术将特定的氨基酸残基引入抗原结合部位，使其获得催化功能。第25页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三化学修饰法

抗体酶和酶一样也可以用化学修饰的方法加以改造。对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法，在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基团。第26页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

游离巯基就是适合的基团之一,它具有高亲核性,易于氧化,及能通过二硫化物进行交换反应或亲电反应而选择性修饰的特点。Schultz等在IgAMOP315抗体结合部位选择性的引入了亲核性的巯基。其方法如下:用含有易裂解键(如二硫键或硫键)的亲和力标记试剂,在NaCNBH3存在下,对抗体进行亲和力标记,将标记的抗体通过亲和力色谱而纯化,然后标记物被裂解形成活泼的二硫化物。大量的催化基团能够通过二硫化物的交换反应而引入。通过此方法,在IgAMOP315抗体的结合部位引入了巯基(-SH),其催化香豆酯水解的速度比照样相提高了6×104倍。第27页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

四、抗体酶的应用前景

在抗体酶被发现的13年以后，他们才开始进入商业领域。目前已有一些公司，比如：美国的Med-Immune和Prolifaron公司以及以色列的AdvancedBiotechLtd.致力于抗体酶的商业应用，并且取得了一些业绩。

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（一）、人工设计一些抗体酶来实现对某些手性药物的立体专一性合成和非酶催化系统的反应的催化。包括催化酯水解、糖苷键水解、Diels-Alder反应和Oxy-Cope重排反应等。在催化萘普生乙酯水解的抗体酶研究中，发现所获得的多克隆和单克隆抗体都能立体专一性地水解R构型的萘普生乙酯，从而开辟了一条抗体酶用于手性合成的道路，此技术已获授权发明专利。

第29页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

（二）、有很多世界知名的实验室提出了许多不同的方案，期望将抗体酶技术应用于医药制造方面。其中之一就是利用抗体酶的水解产物来激活一些药物前体,通过瞄准肿瘤细胞活性，药物前体就能直接作用于肿瘤细胞，并且转化成细胞毒素的化合物。第30页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

（三）、一个在医学方面的应用是利用抗体酶来特异性的水解可卡因。目前美国的哥伦比亚大学正致力于这方面的研究，希望可以找到解决过量吸食毒品的方案。用可卡因磷酸单酯过渡态类似物为抗原制备的抗体酶能催化可卡因中苯甲酰基团的水解，其水解产物芽子碱甲酯和苯甲酸不具有可卡因的刺激作用，这为治疗可卡因依赖性的患者提供了可能。第31页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

以色列的AdvancedBiotechLtd.正在试图利用抗体酶技术生产一种药物来对付革兰氏阴性脓血症。

所有这些对抗体酶的研究都是为了得到一种具有特定序列的蛋白酶，从而为抗癌疗法以及新型疫苗的获得开辟一条新的道路。第32页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三1、在诊断肝炎方面的应用

利用抗体酶技术可以方便的诊断出丙型,丁型,戊型肝炎.比如对于戊型肝炎,目前已经研制出一种IgM抗体酶免检测试剂盒。此试剂盒采用间接ELISA法，检测戊型肝炎病毒IgG抗体，包被抗原为合成肽(ORF2和ORF3)，酶标抗体为辣根酶标记的抗－μ单抗，试剂全部工作液化，可直接使用，包被板采用可掰板，可单人份检测，反应过程为50分钟.

第33页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三2、在诊断胃肠道恶性肿瘤的应用

根据中华检验医学杂志(CHINESEJOURNALOFLABORATORYMEDICINE)的介绍，对于结直肠癌的辅助诊断和监测，常用的血清肿瘤生物学标志为癌胚抗原（CEA）、癌相关糖抗原（CA）19-9、CA72-4及CA242等。根据抗肿瘤单克隆抗体证实，血清肿瘤标志均为非特异的肿瘤相关抗原［1］，其检测肿瘤的敏感性及特异性均有限。尝试将以上与结直肠癌有关的血清肿瘤标志进行手术前后测定及单项、双项、3项、4项联合测定并进行比较，目的在于对各肿瘤标志在结直肠癌中的应用价值进行评价，并选择较佳的血清肿瘤标志组合，以提高检测结直肠癌的敏感性。第34页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

用基因工程人源化的抗体酶代替从细菌中得到对人体有毒副作用的天然酶，把该抗体酶与癌细胞表面抗原特异抗体结合，利用特异抗体，把抗体酶带到癌细胞的周围，分解药物前体，专一杀死癌细胞，大大减少了化疗的毒副作用。

第35页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三3、在诊断艾滋病方面的应用

艾滋病（AIDS）是感染艾滋病病毒（HIV）后免疫功能逐渐丧失的结果。研究证明，除血液标本外，HIV感染者的尿液、唾液、泪液、精液中均可检测到抗HIV抗体。艾滋病的诊断一直以来以血清学检查阳性为基础。最近，一种新的艾滋病诊断试剂———尿液HIV－1抗体酶联免疫诊断试剂已经进入市场。

第36页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

尿液HIV－1抗体酶联免疫诊断试剂与血清学诊断试剂比较，有其独特的优势：它不仅和血液HIV抗体酶联免疫诊断检测方法一样，具有较好的可信度，而且尿液中一般不存在HIV病毒，无针头采集尿液标本，不会引起皮肤损伤，消除了收集血液标本过程中引起的病毒传播的可能；其次尿液收集简便易行，便于大规模筛查。由于采样过程不需要针刺，建立在无损伤收集标本的基础上，消除了与职业暴露相关的危险因素，可以保护医护人员和被检测者避免查体时因针刺意外感染肝炎或艾滋病病毒的危险。因此，该检测试剂可用于除血源筛查以外人群的艾滋病HIV－1抗体筛查。第37页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三4、在诊断妊娠反应方面的应用

单克隆抗体酶标绒毛膜促性腺激素检测法这是目前最先进的妊娠试验，灵敏度极高,阳性率几乎百分之百。用本法可在受精后10天左右即在停经之前就能确定诊断，而且操作简单，人人都能学会，也可以在家庭使用。第38页，讲稿共43页，2023年5月2日，星期三

小结

取得了很大进展

抗体酶研究已取得很大进展，建立了