简述蛋白质工程的概念、研究内容及应用

简述蛋白质工程的概念、研究内容及应用
简述蛋白质工程的概念、研究内容及应用

简述蛋白质工程的概念、研究内容及应用
概念
蛋白质工程,是指在基因工程的基础上,结合蛋白质结晶学,计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段,对蛋白质进行修饰,改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术.
研究内容
蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上,融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域.其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系.在此基础之上,实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能,设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质,这也是蛋白质工程最根本的目标之一.
应用
提高蛋白质的稳定性
葡萄糖异构酶（GI）在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,朱国萍等人在确定第138位甘氨酸(Gly138)为目标氨基酸后,用双引物法对GI基因进行体外定点诱变,以脯氨酸（Pro138）替代Gly138,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果突变型GI比野生型的热半衰期长一倍；最适反应温度提高10～12℃；酶比活相同.据分析,Pro替代Gly138后,可能由于引入了一个吡咯环,该侧链刚好能够填充于Gly138附近的空洞,使蛋白质空间结构更具刚性,从而提高了酶的热稳定性.
融合蛋白质
脑啡肽(Enk)N端5肽线形结构是与δ型受体结合的基本功能区域,干扰素（IFN）是一种广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子.黎孟枫等人化学合成了EnkN端5肽编码区,通过一连接3肽编码区与人α1型IFN基因连接,在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白.以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞为模型,采用3H－胸腺嘧啶核苷掺入法证明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的IFN,通过Naloxone竞争阻断实验证明,抑制活性的增高确由Enk导向区介导.
蛋白质活性的改变
通常饭后30～60min,人血液中胰岛素的含量达到高峰,120～180min内恢复到基础水平.而目前临床上使用的胰岛素制剂注射后120min后才出现高峰且持续180～240min,与人生理状况不符.实验表明,胰岛素在高浓度（大于10－5mol/L）时以二聚体形式存在,低浓度时（小于10－9mol/L）时主要以单体形式存在.设计速效胰岛素原则就是避免胰岛素形成聚合体.类胰岛素生长因子－I(IGF－I)的结构和性质与胰岛素具有高度的同源性和三维结构的相似性,但IGF－I不形成二聚体.IGF－I的B结构域（与胰岛素B链相对应）中B28－B29氨基酸序列与胰岛素B链的B28－B29相比,发生颠倒.因此,将胰岛素B链改为B28Lys－B29Pro,获得单体速效胰岛素.该速效胰岛素已通过临床实验.
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.疱症病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶(TK)可以催化胸腺嘧啶和其他结构类似物如GANCICLOVIR和ACYCLOVIR无环鸟苷磷酸化.GANCICLOVIR和ACYCLOVIR缺少3‘端羟基,就可以终止DNA的合成,从而杀死癌细胞.HSV－TK催化GANCICLOVIR和ACYCLOVIR的能力可以通过基因突变来提高.从大量的随机突变中筛选出一种,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换,催化能力分别提高43和20倍.O6－烷基－鸟嘌呤是DNA经烷基化剂（包括化疗用亚硝基药物）处理以后形成的主要诱变剂和细胞毒素,所以这些亚硝基药物的使用剂量受到限制.O6－烷基－鸟嘌呤－DNA烷基转移酶O6－Alkylguanine－DNAalkyltransferase(AGT)能够将鸟嘌呤O6上的烷基去除掉,起到保护作用.通过反向病毒转染,人类AGT在鼠骨髓细胞中表达并起到保护作用.通过突变处理,得到一些正突变AGT基因且活性都比野生型的高,经检查发现一个突变基因中的第139位脯氨酸被丙氨酸替代.
嵌合抗体和人缘化抗体
免疫球蛋白呈Y型,由二条重链和二条轻链通过二硫键相互连接而构成.每条链可分为可变区（N端）和恒定区（C端）,抗原的吸附位点在可变区,细胞毒素或其他功能因子的吸附位点在恒定区.每个可变区中有三个部分在氨基酸序列上是高度变化,在三维结构上是处在β折叠端头的松散结构（CDR）,是抗原的结合位点,其余部分为CDR的支持结构.不同种属的CDR结构是保守的,这样就可以通过蛋白质工程对抗体进行改造.
鼠单克隆抗体被人免疫系统排斥,它潜在的治疗作用得不到利用.嵌合抗体就是用人抗体的恒定区替代鼠单克隆抗体的恒定区,这样它的免疫原性就显著下降.如用于治疗直肠结肠腺癌（COLORECTALADENOCARCINOMA）的单克隆抗体Mab17－1A.尽管嵌合抗体还存在着免疫原的问题,但仍有几种嵌合抗体通过了临床实验.所谓人缘化抗体就是将抗原吸附区域嫁接到人抗体上,这样抗体上的外源肽链降低到最小,免疫原性也就最小.但是,仅将CDR转接到人抗体上,其抗原吸附能力很小,必须带上几个框架氨基酸残基,才能保持原有的吸附力.这样就存在免疫原性与抗原吸附力之间的矛盾.通过逐个氨基酸替代或计算机模拟分析,可在保持原有吸附力的基础之上,尽可能地降低免疫原性.第一个临床上应用的用于治疗淋巴肉芽肿病和风湿性关节炎的人缘化抗体CAMPATH－1H,尽管疗效显著,但仍有半数以上的患者有免疫反应.而其他人缘化抗体如治疗脊髓性白血病的ANTI－CD33等,其免疫反应可以忽略不计.