蛋白质工程的崛起：课件一(29张PPT)

1、基因工程的不足：基因工程的不足： 在原则上只能生产基因，这些天然蛋白质是在原则上只能生产基因，这些天然蛋白质是生物在生物在长期进化长期进化过程中形成的，它们的过程中形成的，它们的结构和功能结构和功能符合特定物种的生存需要，却不一定完全符合符合特定物种的生存需要，却不一定完全符合 。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工程蛋白质工程就是为了生产出符合人就是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。自然界不存在的蛋白质。满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要3、例如：、例如：改造改造干扰素干扰素（半胱氨酸）（半

2、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（352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（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）天冬氨酸激酶（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天冬氨酸激酶酸激酶二氢吡啶二二氢吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶前体物前体物赖氨酸赖氨酸二、蛋白质工程的

3、概念二、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律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，通过基及其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蛋白质，以满足人类对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。生产和生活的需求。前提前提：原理原理：目的：目的：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三、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的基本原理基因基因DNA氨基酸序列氨基

4、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mRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计基因定点诱变技术的常用方法是基因定点诱变技术的常用方法是PCR法。法。突变点：突变点：人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技术（定点突变试剂盒）技术（定点突变试剂盒）目的：目的：获得定点突变的基因获得定点突变的基因2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合、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（成或改造目的基因（DNA）？）？可以通过人工合成的方法获取或基因的定可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。点诱变技

5、术来改变。 蛋白质工程的实质蛋白质工程的实质对编码蛋白质的基因进行改造（二）蛋白质改造工程举例（二）蛋白质改造工程举例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异抑制剂，水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由它有多种变异体，由65或或66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HV2的设计方案，的设计方案，将将47位的位的Asn（天

6、冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），（赖氨酸），使其与分子内第使其与分子内第4或第或第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高抗端肽段的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高了凝血效率，试管试验活性提高了4倍，在动物模型倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。2 2生长激素改造生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，

7、还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而

8、它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第的氨基酸侧链，如第1818和第和第2121位位HisHis（组氨酸）和第（组氨酸）和第1717位位GluGlu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。为临床用药还有大量的工作要做。3胰岛素改造胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚天然胰岛素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，从而延缓体，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

9、加了抗原性，这是胰岛素了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于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。疱疹病毒

10、（学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激）胸腺嘧啶激酶（酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基物磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏缺乏,从而阻断从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化能催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子

11、。蛋白质工程除了用于改造天然蛋介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。方法相提并论。1、 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构 练习：练习：2、 下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要B蛋白质工程是在分

12、子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程3 3以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A A、蛋白质工程以基因工程为基础B B、蛋白质工程就是酶工程的延伸C C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 4 4蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A B C D5 5蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（）A氨基酸种类增多 B氨基酸种类减

13、少C仍为天然存在蛋白质 D可合成天然不存在蛋白质1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有、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？什么关系？我国科学家承担了什么任务？旁栏思考题旁栏思考题人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然领域一项人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然领域一项重大的科学命题。重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年，年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国

14、科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的；另一项是以美国科学家牵头的“人类人类血将蛋白质组计划血将蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计是国际上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，这是中国科学家第一次领衔重大国际科划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质

15、，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。基础。随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的各类蛋白质组计划。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工各类蛋白质组计划。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。程的有力推动和理论支持。2、对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对、对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？来实现？答：毫无疑问

16、应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下造，主要原因如下（1）、任何一种天然蛋白质都是由基）、任何一种天然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，而且改造因编码的，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。如果对蛋白质直接改造。即使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，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2）、对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易）、对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。操作，难度要小得多。异想天开异想天开能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基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蛋因，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？白质食品呢？理论讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一理论讲可以，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些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往