蛋白質(zhì)工程的崛起(5)課件

1、蛋白質(zhì)工程的崛起(5)蛋白質(zhì)工程的崛起(5)活動1：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的身上表達，常用的方法有哪些？蛋白質(zhì)工程的崛起(5)基因工程成果豐碩基因工程成果豐碩 植物方面植物方面 提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性 改良植物的品質(zhì)改良植物的品質(zhì) 動物方面動物方面 提高動物生長速度提高動物生長速度 改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)改善畜產(chǎn)品的品質(zhì) 用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物 用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體 研制藥物研制藥物 基因治療基因治療蛋白質(zhì)工程的崛起(5)科學家面臨新的問題 在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可在已研究過的幾千種酶

2、中，只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下用于工業(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)中沒有活性或活性有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。很低。蛋白質(zhì)工程的崛起(5) 干擾素是由效應干擾素是由效應T細胞產(chǎn)生的糖蛋白，可阻細胞產(chǎn)生的糖蛋白，可阻斷細胞分裂間期，抑制斷細胞分裂間期，抑制DNA復制，從而可用復制，從而可用于治療疾病。但干擾素在體外很難保存。于治療疾病。但干擾素在體外很難保存。蛋白質(zhì)工程的崛起(5) 玉米中賴氨酸的含量比較低玉米中賴氨酸的含量比較低蛋白質(zhì)工程的崛起(5) 在已研究過的幾千

3、種酶中，只有極少數(shù)可以應用在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產(chǎn)于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(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，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)中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶存在，反應溫度較高，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

4、來說，提高蛋白產(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。氨基酸氧化引起的活性喪失等。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)科目一考試網(wǎng) 科目一模擬考試2016金手指駕校網(wǎng) 金手指駕駛員考試2016蛋白質(zhì)工程的崛起(5) 干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的擾素的cDNAcDNA在大腸桿菌中進行表達，產(chǎn)生的干在大腸桿菌中進行表達，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為擾素的抗病

5、毒活性為106 U/mg106 U/mg，只相當于天然，只相當于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的-干干擾素量很多，但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存擾素量很多，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)在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)，-干擾素蛋白質(zhì)中有干擾素蛋白質(zhì)中有3 3個半胱氨酸（第個半胱氨酸（第1717位位、3131位和位和141141位），推測可能是有一個或幾個半位），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。研究人員將第胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第1717位的半胱氨酸，通

6、過基因定點突變改變成絲氨酸位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產(chǎn)的，結果使大腸桿菌中生產(chǎn)的-干擾素的抗病性活干擾素的抗病性活性提高到性提高到108 U/mg108 U/mg，并且比天然，并且比天然-干擾素的貯干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。存穩(wěn)定性高很多。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)例如：例如：改造改造干擾素（半胱氨酸）干擾素（半胱氨酸）體外很難保存體外很難保存干擾素（絲氨酸）干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰

7、胺）位的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍蛋白質(zhì)工程的崛起(5)蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結構規(guī)律蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。生產(chǎn)和生活的需求。前提前提：了解蛋白質(zhì)的

8、結構和功能了解蛋白質(zhì)的結構和功能原理原理：改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修飾或基因合成）目的：目的： 定向改造或制造蛋白質(zhì)定向改造或制造蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的崛起(5)蛋白質(zhì)工程的崛起(5)蛋白質(zhì)工程流程圖蛋白質(zhì)工程流程圖從預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)從預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設計預期的蛋白質(zhì)結構設計預期的蛋白質(zhì)結構推測應有的氨基酸序列推測應有的氨基酸序列找到相應的脫氧核苷酸序列找到相應的脫氧核苷酸序列蛋白質(zhì)工程的崛起(5)討論：討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？ 請把相應的堿基序列寫出來。請把相應的堿基序列寫出來。 活動活動2 某多肽鏈

9、的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-賴氨酸賴氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 賴氨酸：賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC 蛋白質(zhì)工程的崛起(5)每種氨基酸都有對應的三聯(lián)密碼子每種氨基酸都有對應的三聯(lián)密碼子,只要查一下遺傳只要查一下遺傳密碼子表密碼子表,就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子

10、編碼多個三聯(lián)密碼子編碼,因此其堿基排列組合起來就比因此其堿基排列組合起來就比較復雜較復雜,至少可以排列出至少可以排列出16種。同學們可以根據(jù)學過種。同學們可以根據(jù)學過的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據(jù)三聯(lián)的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出密碼子推出mRNA序列為序列為GCU（或（或C或或A或或G）UGGAAA（或（或G）AUGUUU（或（或C），再根據(jù)堿基），再根據(jù)堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或（或G或或T或或C）ACCTTT（或（或C）TACAAA（或（或G）。）。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)2、確定目的基因的堿基序列后，怎

11、樣才能合、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（成或改造目的基因（DNA）？）？可以通過人工合成的方法獲取或基因的定點誘變技可以通過人工合成的方法獲取或基因的定點誘變技術來改變。術來改變。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學家有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學家M史密斯（史密斯（19322000）發(fā)明定點突變法之前，突變株的）發(fā)明定點突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學等方法誘使基因體突變。這類產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化

12、學等方法誘使基因體突變。這類方法屬于隨機突變，突變株必須在生物性狀上有所改變，才方法屬于隨機突變，突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變位置。也就是說，這種突變是此突變處，否則無法確定突變位置。也就是說，這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的，該法可盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的，該法可經(jīng)由設計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進行隨意或經(jīng)由設計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進行隨意或設計好的突變，也就是說，這種突變是預先設定好的，所以

13、設計好的突變，也就是說，這種突變是預先設定好的，所以也有人將該法稱為也有人將該法稱為“反遺傳法反遺傳法”。有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的。突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的。現(xiàn)在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或現(xiàn)在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)（1 1）從生物體中分離純化目的蛋白；）從生物體中分離純化目的蛋白；（2 2）測定其氨基酸序列；）測定其氨基酸序列；（3 3）借助核磁共振和

14、）借助核磁共振和X X射線晶體衍射等手段，盡可能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構地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結構; ;（4 4）設計各種處理條件，了解蛋白質(zhì)的結構變化，包）設計各種處理條件，了解蛋白質(zhì)的結構變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5 5）設計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點突變；）設計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點突變；（6 6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)蛋白質(zhì)工程的崛起(5)（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例（二）蛋白質(zhì)改造

15、工程舉例1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異抑制劑，它有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，由多種變異體，由65或或66個氨基酸殘基組成。水蛭素在個氨基酸殘基組成。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，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體蛭素主要變異體HV2的設計方案，將的設計方案，將47位的位的Asn（天冬（天冬酰胺）變成酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第或第5位位Thr（

16、蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。蛋白質(zhì)工程的崛起(5)3胰島素改造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，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入血液，從而延緩了其降血延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質(zhì)工程技術改變這些殘基，酸殘基結構所致。利用蛋白質(zhì)工程技術改變