蛋白质工程崛起

1、蛋白质工程崛起蛋白质工程崛起第1页/共37页缘1. 基因工程只能生产自然界基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。2. 天然蛋白质天然蛋白质的结构和功能符合的结构和功能符合特定物种特定物种生存的需要，生存的需要，却不一定完全符合却不一定完全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。第2页/共37页 例如，例如，干扰素干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难体外保存相当困难。如果将其分子上的。如果将其分子上的一个一个半胱氨酸变成丝氨酸半胱氨酸变成丝氨酸，则在，则在 -70 -70

2、可保存半年。可保存半年。 玉米中玉米中赖氨酸含量比较低赖氨酸含量比较低，原因是赖氨酸浓度达到一定时会，原因是赖氨酸浓度达到一定时会抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶天冬氨酸激酶和二氢天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶第第 352 352 位的苏氨酸变成位的苏氨酸变成异亮氨酸异亮氨酸，将二氢吡啶二，将二氢吡啶二羧酸合成酶中羧酸合成酶中 104 104 位的天冬氨酰变成位的天冬氨酰变成异亮氨酸异亮氨酸，可使玉米叶片，可使玉米叶片和种子中和种子中游离的赖氨

3、酸游离的赖氨酸含量分别提高含量分别提高 5 5 倍和倍和 2 2 倍。倍。第3页/共37页改造改造干扰素（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第4页/共

4、37页 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用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，这于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些些酶虽然在自然状态下有活性酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有，但在工业生产中没有活性或活性很低。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，有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条在这种条件下，大多数酶会很快件下，大多数酶会很快变性失活变性失活。 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要提高蛋白质的

5、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：的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：提高提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重酶的热稳定性，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。要氨基酸氧化引起的活性丧失等。第5页/共37页 P26 你知道人类蛋白质你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承有什么关系？我国科学家承担了什么任务？担了什么任务？ 人类蛋白质组计划人类蛋白质组计划是继是继人类基因组计划人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项之后，生命科学乃至自然科学领域中的一

6、项重大的科学命题。重大的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的学家牵头执行的“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”。第6页/共37页 “人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺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

7、国科学家第一次领衔的福初院士牵头，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，目前重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个实验室报名参加。多个实验室报名参加。它的科学它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为为重大肝病预防重大肝病预防、诊断诊断、治疗和新药研发的突破治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础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质工程的有力推动和理论支持。第7页/共37页二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工

8、程的基本原理 P26P26对天然蛋白质进行改对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？因的操作来实现？1、目标：、目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能的特定需求功能的特定需求，对蛋，对蛋白质的白质的结构结构进行进行分子设计分子设计。第8页/共37页 答：答：毫无疑问应该从对基因的操作毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然）任何一种天然蛋白质都是由基因编码蛋白质都是由基因编码的，的，改造了基因即对蛋白质进行了改

9、造，而且改造过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。如果对蛋白质直接改造，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，被改造过的即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法蛋白质分子还是无法遗传的。遗传的。 （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容容易操作易操作，难度要小得多。，难度要小得多。基因决定蛋白质基因决定蛋白质第9页/共37页逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链复制复制复制复制具有高级结构具有高级结构的蛋白质的蛋白质行使生物功能行使生物功能天然蛋白质的合成过程天然蛋白质的合成过程遵循遵

10、循中心法则中心法则，并需经过，并需经过高级空间结构高级空间结构的转变的转变第10页/共37页蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的结构蛋白质的结构 第11页/共37页蛋白质的结构蛋白质的结构 蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。 第12页/共37页溶菌酶分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构蛋白质的结构蛋白质的结构 第13页/共37页血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子血红蛋白分子就是由二个由就是由二个由141个氨基酸残个氨基酸残基组成的基组成的亚基亚基和二个由和二个由14

11、6个个氨基酸残基组氨基酸残基组成的成的亚基按特亚基按特定的接触和排定的接触和排列组成的一个列组成的一个球状蛋白质分球状蛋白质分子，每个亚基子，每个亚基中各有一个含中各有一个含亚铁离子的血亚铁离子的血红素辅基。红素辅基。 蛋白质的结构蛋白质的结构 第14页/共37页3.3.原理原理 中心法则的逆推中心法则的逆推4.过程过程设计蛋白质结构设计蛋白质结构预期蛋白质功能预期蛋白质功能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找到相应的脱氧核苷酸脱氧核苷酸序列（基因）序列（基因）2.2.实质：实质： 改造基因改造基因1.目标：目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能的特定需求功能的特定需求，

12、对蛋白质的，对蛋白质的结构结构进行进行分子设计分子设计。基因决定蛋白质基因决定蛋白质第15页/共37页P27-P27-某多肽的一段氨基酸序列是：某多肽的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸- -讨论：讨论：1 1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？写出相应、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？写出相应的碱基的碱基丙氨酸：丙氨酸：GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG GCG 色氨酸：色氨酸：UGG UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAAAAA、AAG AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUUUUU、UU

13、C UUC 2 2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的、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（基因（DNADNA）？）？第16页/共37页（1 1）mRNAmRNA序列为：序列为：GCGCU U（或（或C C或或A A或或G G）UGG AAUGG AAA A（或（或G G）AUG UUAUG UUU U（或（或C C） 脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列：CGCGA A（或（或G G或或T T或或C C） ACC TTACC TTT T（或（或C C）TAC AATAC AAA A（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

14、列后，就可以根据人类的需要类的需要改造它改造它，通过，通过人工合成的方法人工合成的方法或从或从基因基因库库中获取。中获取。第17页/共37页5、概念：、概念： 蛋白质工程是指以蛋白质工程是指以蛋白质分子蛋白质分子的的结构规律结构规律及其生物功能的关系及其生物功能的关系作为作为基础基础，通过，通过基因修饰基因修饰或或基因合成基因合成，对现有蛋白质进行，对现有蛋白质进行改造改造，或，或制造制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。需求。 蛋白质工程是在蛋白质工程是在基因工程的基础基因工程的基础上，延伸出来的上，延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。

15、第18页/共37页蛋白质工程的内容主要有两方面：蛋白质工程的内容主要有两方面：根据需要根据需要设计设计具有特定氨基酸序列和空间结构具有特定氨基酸序列和空间结构的的蛋白质蛋白质而氨基酸排序由基因决定，所以还需要而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造相改造相应基因中脱氧核苷酸序列应基因中脱氧核苷酸序列或或人工合成人工合成所需要的自所需要的自然界原本然界原本不存在的基因片段不存在的基因片段，用于蛋白质工程。，用于蛋白质工程。第19页/共37页 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

16、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一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自自然界已经存在的蛋白质然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如，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

17、功能作用的蛋白质，生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带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。 第20页/共37页三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景 1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着它是随着分子生物学分子生物学、晶体学晶体学以及以及计算机技术计算机技术的发展而诞生的，与的发展而诞生的，与基因组学基因组学、蛋白质组学蛋白质组学、生物信息学生物信息学的发展等因素有关。的发展等因素有关。 第21页/共37页速效胰岛素速效胰岛素 天然胰岛素制剂在天然胰岛素制剂在储存中易形成二

18、聚体和储存中易形成二聚体和六聚体六聚体，延缓了其降血糖作用延缓了其降血糖作用，也，也增加了增加了抗原性抗原性，这是胰岛素，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基氨基酸残基结构所致。利用结构所致。利用蛋白质工程蛋白质工程技术改变这些技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快使胰岛素快速起作用速起作用。该。该速效胰岛素速效胰岛素已通过临床实验。已通过临床实验。 第22页/共37页如今，如今，生物和材料科学家生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程正积极探索将蛋白质工程应用于应用于微电子方面微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有元件，具

19、有体积小、耗电少和效率高体积小、耗电少和效率高的特点，因此的特点，因此有极为广阔的发展前景。有极为广阔的发展前景。 蛋白质分子蛋白质分子比比硅晶片上电子元件硅晶片上电子元件要小得多，彼此要小得多，彼此相距甚近，生物计算机完成一项运算，所需的时相距甚近，生物计算机完成一项运算，所需的时间仅为间仅为1010微微秒，比人的思维速度快微微秒，比人的思维速度快100100万倍。万倍。DNADNA分子计算机具有惊人的存贮容量，分子计算机具有惊人的存贮容量，1 1立方米的立方米的DNADNA溶液，可存储溶液，可存储1 1万亿亿的二进制数据。万亿亿的二进制数据。DNADNA计算计算机消耗的能量非常小，只有电子

20、计算机的十亿分机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。之一。由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与生物活体相联。生物活体相联。预计预计10102020年后，年后，DNADNA计算机将进计算机将进入实用阶段。入实用阶段。第23页/共37页1.1.进展进展胰岛素胰岛素速效型药品速效型药品 2.2.前景前景制作制作电子元件电子元件：体积小，耗电少，效率高体积小，耗电少，效率高3.3.现状现状成功的例子不多，蛋白质的功能主要依赖于其正确而成功的例子不多，蛋白质的功能主要依赖于其

21、正确而又极其又极其复杂的高级结构复杂的高级结构，目前科学家对大多数蛋白质，目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了解还不够，要设计出更加符合人类需求的高级结构了解还不够，要设计出更加符合人类需求的蛋白质换需经过艰辛的探索。的蛋白质换需经过艰辛的探索。第24页/共37页P29-2.蛋白质工程操作程序的基本思路与蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？基因工程有什么不同？ 答：基因工程是答：基因工程是遵循中心法则遵循中心法则，从，从DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，基本上是基本上是生产出自然界已有的蛋白质生产出自然界已有的蛋白质。蛋。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋

22、白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的白质的功能功能蛋白质应有的蛋白质应有的高级结构高级结构蛋蛋白质应具备的白质应具备的折叠状态折叠状态应有的应有的氨基酸序氨基酸序列列应有的应有的碱基排列碱基排列，可以创造自然界不可以创造自然界不存在的蛋白质。存在的蛋白质。第25页/共37页P28-3你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？ 酶工程就是指将酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用酶所具有的生物催化作用，借助工程学，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方的手段，应用于生产、生活、医

23、疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生由酶制剂的生产和应用产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。工业、轻工业以及医药工业中。 通常所说的酶工程是用通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂工程菌生产酶制剂，而没有经过，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构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。因此，酶工程的重来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对点在于对已存酶已存酶的合理充分利用

24、，的合理充分利用， 而蛋白质工程的重点则在于对而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改已存在的蛋白质分子的改造。造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到当然，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。 第26页/共37页蛋白质工程与基因工程的比较蛋白质工程与基因工程的比较项目项目蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程区区别别过过程程预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计预期的设计预期的蛋白质结构蛋白质结构推测应有的氨基推测应有的氨基酸序列酸序列推测相对应的脱氧核推测相对应的脱氧核 苷酸序列苷酸序列合成合成D

25、NA表达出表达出 蛋白质蛋白质获取目的基因获取目的基因构建构建基因表达载体基因表达载体将目将目的基因导入受体细胞的基因导入受体细胞 目的基因的检测与目的基因的检测与 鉴定鉴定实实质质定向改造或生产人类所需蛋白质定向改造或生产人类所需蛋白质定向改造生物的遗传特定向改造生物的遗传特性性,以获得人类所需的生以获得人类所需的生物类型或生物产品物类型或生物产品结结果果生产自然界没有的蛋白质生产自然界没有的蛋白质一般是生产自然界已有一般是生产自然界已有的蛋白质的蛋白质联系联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制

26、造新的蛋白质基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过基因修饰或基因合成实现必须通过基因修饰或基因合成实现第27页/共37页1. 基因工程只能生产自然界基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。2. 天然蛋白质天然蛋白质的结构和功能符合的结构和功能符合特定物种特定物种生存的需要，生存的需要，却不一定完全符合却不一定完全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。小结小结第28页/共37页一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要例如：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

27、素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外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小结小结第29页/共37页原理原理 中心法则的逆推中心法则的逆推过程过程设计蛋白质结构设计蛋白质结构预期蛋白质功能预期蛋白质功能推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到

28、相应的找到相应的脱氧核苷酸脱氧核苷酸序列（基因）序列（基因）实质：实质： 改造基因改造基因目标：目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能的特定需求功能的特定需求，对蛋白质的，对蛋白质的结构结构进行进行分子设计分子设计。基因决定蛋白质基因决定蛋白质第30页/共37页概念：概念： 、第31页/共37页1.1.进展进展胰岛素胰岛素速效型药品速效型药品 2.2.前景前景制作制作电子元件电子元件：体积小，耗电少，效率高体积小，耗电少，效率高3.3.现状现状第32页/共37页缘1. 基因工程只能生产自然界基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。2. 天然蛋白质天然蛋白质的结构和功能符合的结构和功能符合特定物种特定物种生存的需要，生存的需要，却不一定完全符合却不一定完全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。第3