18医药基因工程

1、第十七章 医药基因工程1自年重组技术诞生以来，基因工程技术得到飞速发展，并在医疗领域中展露出独特的优越性。基因工程药物就是利用基因工程技术生产的药物。基因工程药物是将药物蛋白或多肽的编码基因通过特定的受体细胞中，通过受体生物或者细胞表达出药物蛋白或多肽，最后将其纯化并制成药剂的过程。基因工程药物生产的过程与其他基因工程产品的基本原理是相通的，基本过程都包括了载体构建，工程菌或细胞培养，目的产物的分离纯化与鉴定等。2从年最早的基因工程药物胰岛素上市到年底，已经有多种基因工程药物通过审查并上市，另外还有多种基因工程药物进入二期及三期临床实验，涉及治疗多种疾病。我国于年批准了第一个基因工程药物重组人

2、干扰素ab的生产，标志着我国基因工程药物生产实现了零的突破。我国药品市场上基因工程药品主要有基因工程乙肝疫苗，重组干扰素，重组人红细胞生成素等种自主开发的基因工程药物。3第一节基因工程药物的开发状况4一.基因工程药物的分类.按照结构组成不同分类：蛋白多肽类药物，基因工程疫苗和核酸类药物三类。.按照作用方式分类：基因水平作用药物，转录水平作用药物和蛋白质水平作用药物。5.按照药物作用机理分类：其一：蛋白或多肽药物，通过蛋白自身的生理生化特性而抵抗疾病其二：基因工程疫苗，基因工程抗体和疫苗，基于抗原抗体反应的原理而抵抗疾病其三：反义核酸，核酶和i，基于中断基因表达而抵抗疾病。6二.基因工程药物的发

3、展.反应器的变迁根据反应器的不同可将蛋白多肽类基因工程药物的发展分为三个阶段：a.早期大多数蛋白多肽类基因工程药物通过细菌和酵母等微生物来表达。b.后来发展了真核生物细胞表达系统，利用离体培养的昆虫细胞和脊椎动物（如哺乳动物和鸟类）细胞表达蛋白多肽类药物。c.近年来发展的动植物生物反应器为基因工程药物的开发带来美好的前途。7.从基因工程到蛋白质工程随着技术的进步，人们通过蛋白质工程可获得修改了氨基酸序列的蛋白质或多肽。通过定点突变、功能域的交换、分子进化等手段，已经开发了一些活性提高、适应性改善和专一性增强的蛋白药物。.从蛋白药物到核酸药物传统药物是通过增加某些人体内源性的有益蛋白多肽或者破坏

4、致病蛋白本身来治疗疾病；而核酸类基因工程药物则是提供产生蛋白的基因，通过破坏或者扩大基因的功能来克服疾病。基因工程药物的开发关键在于探知什么蛋白或多肽、或核酸可以成为药物，已经通过什么样的方式制备药物或通过什么样的方式使用药物。8三.基因工程药物的产业化状况第一个基因工程药物基因工程人胰岛素的问世期间经历了不到十年。至年第一个以基因工程制药为对象的美国enentech公司成立以来，有药物进入临床实验的生物技术公司已有约个。在年，超过种基因工程药物获准在美国和欧盟使用，中正在进行临床实验，市场份额超过亿美元。我国共有种基因工程药物和疫苗，其中种为具有自主知识产权的”一类“新药，进入临床研究的大约

5、有种，销售收入超过亿人民币。9表10第二节基因工程蛋白和多肽药物11一.基因工程胰岛素.胰岛素与糖尿病胰岛素（insulin）是一种激素，能够调节糖代谢，促进葡萄糖转变为糖原并储存于肌肉和肝内。当人体胰腺的细胞不能产生足量的胰岛素时，就会导致人体内的葡萄糖浓度增高，并伴随因胰岛素分泌或作用缺陷引起的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱，即糖尿病。而对于胰岛功能完全消失的型糖尿病患者，不注射胰岛素就无法维持生命。12.胰岛素的结构胰岛素是一种由两条多肽链（链和链）组成的蛋白质。链含有个氨基酸，链含有个氨基酸，链间通过二硫键结合。胰岛素在人体内合成的过程中首先合成前胰岛素原（preproinsulin），包括

6、信号肽序列、链、链和连接序列个部分。胰岛素是经过去掉信号肽序列后形成胰岛素原，去掉连接序列后剩下的链和链通过二硫键结合，形成了胰岛素。（图）1314.基因工程胰岛素的生产方式主要有两种生产方式：a.利用大肠杆菌为受体，分别表达胰岛素链和链，再分别提取和纯化产生的链和链，最后利用化学方法使两条链之间形成二硫键，从而得到胰岛素。b.以酵母为受体分泌表达人胰岛素。在胰岛素编码基因前段增加一个信号肽编码序列，这个信号肽引导合成的胰岛素从细胞内分泌到周围的培养基中，从而简化了胰岛素的纯化过程，最后通过酶学反应使之变成人胰岛素。15二.基因工程人红细胞生成素.人红细胞生成素的组成和生物活性成熟的人红细胞生

7、成素（）是一种由个氨基酸组成的糖蛋白，多肽结构中由个半胱氨酸形成条二硫键，相对分子质量为又称促红细胞生成素或红细胞生产刺激因子，是一类造血生长因子，刺激和调节哺乳动物红细胞的生成，维持外周血红细胞处于正常水平。肾是产生的主要器官，目前只有应用基因工程技术生产才能满足患者的需求。16.重组红细胞生成素的生产人类位于第号染色体长区，年克隆到其c。由于糖基化的问题，目前只利用脊椎动物表达系统来生产人红细胞生成素，其糖基化特性与人体中自然产生的糖基化特性最相近。方法：通过将编码人红细胞生成素的基因装入哺乳动物细胞表达载体，转染二氢叶酸还原酶缺陷的细胞（dhfr）株，并进一步筛选获得高产人红细胞生成素的

8、。经过一系列细胞培养和蛋白质纯化等工艺制备过程，产生有生物学活性的重组人。现在上市的红细胞生成素主流产品都是通过基因重组技术，利用中国仓鼠卵巢细胞（hinesehamsterovary，）生产的。17三.基因工程干扰素.干扰素的结构组成、生物活性和临床应用干扰素（interferon，）是一种具有广谱抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用的可溶性糖蛋白细胞因子，最早于年发现。干扰素是一类多功能细胞因子，按其结构和功能的差异可以分为三类，即干扰素 、干扰素和干扰素。干扰素 含有种不同的亚型，干扰素和干扰素都只有种亚型。干扰素的成熟产物由个氨基酸组成，其中含个半胱氨酸，形成对生物活性至关重要的个二硫键。干扰

9、素主要由白细胞、淋巴细胞、成纤维细胞和一些肿瘤细胞分泌；临床上主要用来治疗白血病，以及一些慢性病毒，如乙型肝炎、丙型肝炎和疱疹病毒感染。182.基因工程干扰素的生产早期制备是通过诱导或重组诱导天然或人工培养的人体细胞或血细胞产生天然干扰素。利用基因工程生产干扰素：a.先要获得干扰素的编码基因；b.利用诱生剂诱导细胞表达干扰素；c.然后提取干扰素的m，反转录成c；d.将干扰素编码基因通过合适的表达载体，导入大肠杆菌进行表达可产生大量干扰素；e.经过分离纯化便可制成药物制剂。19四、基因工程疫苗疫苗的定义：由灭活或减毒的病原体做成的可预防相应病原物引起疾病的药物，通过接种人或动物在其体内建立抗感染

10、免疫反应而产生保护作用。.基因工程疫苗的分类：a.亚单位疫苗。指用病原体的组分制成的疫苗，包括病毒的结构蛋白和细菌的脱毒毒素蛋白，其中病毒的结构蛋白是指病毒组成成分中能引起人体对病毒颗粒产生免疫反应且不致病的蛋白组分；细菌脱毒毒素蛋白是利用重组技术在基因水平上对细菌的毒素蛋白进行脱毒所获得的基因工程疫苗。b.无毒疫苗或减毒活疫苗。利用重组技术去掉致病菌的毒素基因后得到的即保留了其侵入细胞和刺激免疫系统的能力，却又不能引起疾病的减毒病原菌。c.疫苗载体。把目的基因转到已经在临床上使用的安全的活疫苗中，利用该活疫苗作为载体表达目的抗原基因，从而达到针对某种传染病的免疫保护作用。20.重组乙型肝炎疫

11、苗乙型肝炎的定义：由乙型肝炎病毒（）引起的、以肝为主要病变并可累及多器官损害的一种传染病。乙型肝炎病毒颗粒由囊膜和含有分子的核衣壳组成，又称ane颗粒。最初的乙型肝炎疫苗都是血液乙型肝炎疫苗，是从乙型肝炎患者血液中分离提取乙型肝炎表面抗原（sg）。疫苗的制备一般选定具有免疫原性的乙型肝炎表面抗原基因片段，将起插入表达载体，并引入到与表达载体相对应的宿主细胞，构成重组体。重组体像一个加工厂，可以表达、加工、生产出乙型肝炎表面抗原，即得到基因工程疫苗。21（）.重组酵母乙型肝炎疫苗用来表达抗原的酵母主要是酿酒酵母、汉逊酵母和毕赤酵母。表达质粒上用来在酵母中表达sg的主要部件有个：在酵母中表达sg

12、的启动子。不含有内含子的乙型肝炎病毒sg 的基因。在酵母细胞中终止sg转录的序列。利用酵母细胞表达sg存在缺点：酵母细胞不能分泌sg 颗粒；酵母细胞对sg 蛋白的糖激化与哺乳动物的不同，使得获得的酵母sg 可能具有与血液sg 不同的免疫原性；在酵母中装配nmsg 颗粒不稳定；酵母细胞产生的sg需要化学方法处理才能与血液的sg相同，在这过程中可能改变sg分子的结构，从而减小sg抗原性。22（）.重组中国仓鼠卵巢细胞（）乙型肝炎疫苗将乙型肝炎表面抗原基因片段重组到中国仓鼠卵巢细胞（）内，通过对细胞的培养增殖，分泌乙型表面抗原（sg ）于培养液中，经纯化，加佐剂氢氧化铝后制成疫苗。优点：乙型肝炎疫苗

13、产生的sg的糖基化与血液颗粒的糖基化一样；产生的sg颗粒是以自然方式装配的，而不需要其他的化学处理；装配的nmsg颗粒最后会被分泌到培养基中，不需要裂解细胞，简化了纯化步骤；成本不高，有利于那些负担不起现有的高价疫苗的患者。23五.基因工程抗体抗体的定义：是机体受抗原刺激后由淋巴细胞产生，并且能与该抗原发生特异性结合的具有免疫功能的球蛋白，是体液免疫应答中发挥免疫功能的最主要的免疫分子，主要分布与血清中，在组织液和外分泌液中也存在。常规抗体是针对多种不同抗原决定蔟产生的抗体，又称多克隆抗体；而针对某种抗原决定蔟的抗体称单克隆抗体，一般由杂交瘤细胞分泌。在临床上，抗体可用于抗肿瘤、抗感染、抗器官

14、移植排斥反应、抗血栓形成和解毒，以及构建独特型疫苗、治疗自身免疫性疾病和变态反应疾病，此外还可用于体外诊断和发挥体内药物导向作用。基因工程抗体在临床上可发挥更多更重要的作用。24第三节基因工程抗体25一.抗体的结构抗体分子是由条多肽链组成的四聚体，即由条相同的轻链（）和条相同的重链（）组成，重链之间以及轻链之间通过二硫键连接，呈字型结构（图）。重链由个氨基酸组成（如抗体g），轻链由个氨基酸组成，完整抗体的相对分子质量约为。抗原的识别位点位于轻链和重链的端区域，该区称称作抗体的可变区（区），识别位点就在区内的个互补决定区（），也称超变区，每个长约个氨基酸。区以外的部分称为框架区（），其氨基酸序列

15、相对保守，不与抗原分子直接结合，可维持抗体的空间构型。抗体分子含有多个功能区，除区外，每一条轻链含有个保守区（区），每一个重链含有个保守区（、）。2627二.天然抗体的局限性抗原有多种不同抗原决定蔟，可刺激产生多克隆抗体。这种抗原是不均一的，会影响检测抗原的特异性及敏感性，在临床上应用受到很大限制。单克隆抗体的定义：是由识别一种抗原决定蔟的细胞克隆所产生的均一抗体，可视为第二代抗体，具高度特异性、均一性，且亲和力强、效价高，在临床上发挥了重要作用。单克隆抗体在临床中的问题：单克隆抗体具有免疫原性；杂交瘤制备的单克隆抗体在人体内的半衰期只有h，不利于药效发挥作用；吸收差，抗体相对分子质量大，很难

16、通过血管进入细胞间隙，大大降低治疗效果；生产复杂，价格较高。28三.基因工程抗体的种类.单克隆抗体的人源化为了解决鼠源抗体的免疫原性问题，应改造抗体，构建人鼠嵌合抗体和人源化抗体。a.人鼠嵌合抗体通过基因重组，将鼠源单克隆抗体的v片段替换人源抗体的相应片段，制成人鼠嵌合抗体（图）。序列来自人源抗体，序列来自鼠源抗体；可保留抗体的特异性结合位点，也可减弱其免疫原性。b.人源化抗体是对嵌合抗体进一步改进的结果，即用鼠源单克隆抗体的所获得的杂合抗体，序列来自人源抗体，的序列来自鼠源抗体，最大限度地使鼠源抗体人源化（图）。抗体的抗原结合特性保留，在人体内产生免役原性的程度降到最低。2930.小分子抗体

17、为了解决穿透性问题，对抗体改造，保留抗原结合位点，成为小分子抗体，分为下面种：a.ab抗体抗体的ab片段由重链的区和m区与轻链以二硫键相连，能发挥抗体的抗原结合功能，大小为完整抗体的。b.单链抗体将抗体的和用连接肽连接，形成具有抗原结合能力的单链抗体多肽，即所谓的单链抗体（cv）。其大小仅为完整抗体的，免疫原性弱，药物动力学优于ab片段和完整抗体，能有效到达完整抗体无法达到的靶部位。31c.单域抗体抗体结合抗原的部位主要在区，只含有区的小分子抗体，如或，也能保持原单克隆抗体的特异性，这种小分子抗体称为单域抗体，其大小为完整抗体的，其只有一个功能区，制备简单，更容易穿过靶细胞。d.超变区多肽由单

18、个多肽构成的小分子抗体称为超变区多肽，其只有个氨基酸，具有与抗原结合的能力，穿透力极强。但亲和力低，稳定性不高，实际应用有很大局限性。e.双体抗体将两种不同抗体的区和区通过连接肽（个氨基酸）连接，形成“杂交”的单链抗体称作双体抗体（diabody），也称双特异性抗体。在宿主细胞中表达后，条链自动折叠，形成双特异性的抗体片段，其大小为g的或ab的，是相对分子质量最小的双功能抗体，在免疫诊断和治疗方面有广阔的应用前景。32.双功能抗体双功能抗体的定义：天然的抗体分子是双价单特异性的，将小分子抗体（如ab或v）与其他蛋白如毒素、酶、细胞因子及受体分子连接在一起，可形成一种新型分子，这样的杂和分子称双

19、功能抗体。双功能抗体即可以与靶位点结合，又可将特定的活性分子导向特定部位，发挥其生物学功能，如杀死肿瘤细胞、发挥催化功能等。将人细胞受体或黏附分子与抗体的恒定区（主要是c片段）的段连接，形成免疫黏连素，既可发挥抗体的效应功能，又能发挥细胞黏附功能。对于杀伤缺少相应表面抗原的肿瘤细胞有一定意义，可减少肿瘤的免疫逃逸。33.人源性抗体制备人源单克隆抗体的种方法：a.噬菌体抗体库噬菌体抗体库技术是噬菌体表面展示技术在基因工程抗体应用上的一个成功范例；通过噬菌体表面展示技术，可将目的蛋白或多肽的编码基因与编码噬菌体颗粒末端蛋白的基因构建成融合基因，将含有融合基因的重组噬菌体转染大肠杆菌，可以在噬菌体颗

20、粒表面展示目的蛋白。（图）3435b.人源性抗体转基因小鼠通过构建转基因小鼠，可使小鼠产生人源性单克隆抗体。用人的抗体基因转入小鼠并替代小鼠的相应基因，产生能分泌人抗体的转基因小鼠，第一个获得的人源性抗体是抗破伤风类毒素的单克隆抗体。在转基因小鼠基础上，建立了一种产生人抗体的小鼠模型enoouse。将小鼠的全套抗体基因敲除掉，同时将人的大部分轻链和重链基因插入到小鼠的染色体中，当用抗原刺激小鼠时就可产生人源性抗体。利用该模型已制备了多种类型的人单克隆抗体，如抗人表皮生长因子受体的人源性抗体。36.基因工程抗体的产生大肠杆菌表达系统酵母表达系统哺乳动物表达系统植物表达系统昆虫表达系统37第四节核

21、酸类药物38一.反义核酸药物反义核酸是一些人工合成的单链反义分子，可以通过碱基互补原则与被感染细胞内的某个靶标m或结合，抑制或封闭该基因的转录和表达，或切割m使其丧失功能。反义核酸作为药物可以治疗正常蛋白超量表达的疾病，如癌症，炎症，病毒或寄生虫感染。根据组成的特点可将其分为反义，反义，肽核酸和核酶。39.反义机理：利用反义可以与m结合形成互补双链，阻断核酸蛋白体同m的结合，从而抑制了m翻译成蛋白质的过程。反义在细胞核中与m结合后会干扰其加工和剪切，如加帽和加poly（）尾，还会干扰m转运至细胞质。反义核酸和m结合后还使得m更加易被核酸识别而降解，从而大大缩短m的半衰期。反义除了可以影响基因的

22、表达外，还可与引物前体互补结合，从而抑制复制。反义可以人工合成，更多的是将目的以反方向插入载体通过反义表达载体产生。通过这些载体可用于研发新型，高特异性和高效的反义治疗药物，在治疗艾滋病和麻疹以及恶性肿瘤方面起到了一定作用。40.反义反义的定义：也称反义寡核苷酸或反义脱氧核苷酸，是一种人工合成的，能与m互补的，用于抑制翻译的短小反义核酸分子。反义与m结合后还可以诱导ase的产生，降解复合物中的，从而大大缩短了m的半衰期。反义可以通过自动合成仪，但其很易被降解，为提高其稳定性，亲和力，降解靶核酸的能力以及其他性能，由此催生了第一代反义核酸药物硫代磷酸脱氧寡核苷酸（）。第一个反义核酸药物福米韦生就

23、是药物，由个硫代磷酸脱氧核苷酸组成，核苷酸序列为，具有强大的抗病毒作用。41.肽核酸肽核酸是以肽链骨架代替核糖磷酸骨架的类似物，是通过计算机模拟设计出来的新核酸类似物。以氨基乙基甘氨酸为骨架，种碱基为侧链，碱基通过亚甲碳基与骨架相连，保持与天然核酸中相邻碱基以及碱基与骨架间相近的键数目，相邻碱基间间隔个键，碱基与骨架间为个键。肽核酸保留了与互补或杂交的性能，亲和力得到进一步提高，同时，其化学和生物学稳定性更强，不易被核酸酶和蛋白酶降解；从化学角度看，更易进行大规模生产。42.核酶核酶是一类具有催化活性的分子，具有核苷酸水解活性,可特异性剪切分子，相当于酶。核酶可以调节基因的表达，在的自我裂解，

24、自我剪切，t的转录后加工等过程中起重要作用。可用于药物的开发，抑制特定基因的表达。核酶具有特定的催化域和底物结合域。底物结合域可通过碱基互补与靶序列结合，相当于反义；而催化域可在特定位点剪切目的。通过改变结合域的序列，核酶可切割特定序列的m。核酶用作药物的一个优点是不易引起动物或人的免疫反应。具有催化活性的脱氧核酶（zyme），是通过合成随机寡核苷酸库，从中筛选到一个具有核酶活性的寡核苷酸。该寡核苷酸含一个由个核苷酸组成的催化域，两侧是个核苷酸的臂，与目标互补配对。针对不同目的基因的脱氧核酶已经在体外和体内发生了酶学反应。43二.核酸疫苗.核酸疫苗的工作方式核酸疫苗又称基因疫苗或疫苗，是利用基

25、因重组技术将编码抗原的基因装入载体，然后直接导入动物体内，通过机体细胞的转录系统合成蛋白，产生的蛋白作为抗原诱导免疫系统产生免疫应答，即通过细胞和体液免疫反应产生抗体，从而达到预防和治疗疾病的目的。.疫苗载体核酸疫苗是通过疫苗载体将抗原编码基因导入机体而激发免疫的。导入方式有裸直接注射到肌肉内；用脂质体包裹后在注射；将用基因枪注入体内；通过去毒的内生细菌引导进入体内。疫苗载体是一种穿梭质粒载体，含有真核表达系统的启动子，以及用于真核细胞的选择标记；用于动物实验的载体还含有在哺乳动物细胞中复制的病毒复制区；为提高疫苗的免疫原性，载体中还加入具有强烈佐剂作用的序列。典型的核酸疫苗载体有pc.，以及

26、在此基础上去掉病毒复制单位并用于双宿主可用的卡那霉素抗性基因替换氨苄青霉素抗性基因和新霉素抗体基因的改建载体p。（图）44.核酸疫苗的特点优点：安全性好，没有感染的危险；免疫效果好，核酸疫苗能在自身细胞中产生于自然抗原接近的外源性蛋白，能诱导产生类似自然抗原的免疫应答；制备简单，只需对编码抗原的基因进行克隆；核酸疫苗的本质是核酸分子，因而不同于蛋白质和活疫苗，可以在室温条件下保存，不存在疫苗的冷藏和低温运输问题，从而保证疫苗的高效接种率；免疫应答持久，外源基因的不断表达可持续提供抗原。45三.干扰.干扰现象干扰（i）是指对应于某种m的正义和反义组成的双链（ds）分子使m发生特异性降解，导致其不能表达的转录后基因沉默（）现象。i发挥作用包括两个阶段：起始阶段：双链分子进入细胞后被称为icer的核酸酶切割为个核苷酸长的小分子干扰片段（si）。icer 核酸酶属于ase家族，能够特异识别双链，产生的小片段的端都有个突出碱基。然后双链si与核酸酶结合形成诱导沉默复合体（）。效应阶段： si打开双链从而激活，激活的通过碱基配对与对应的m结合，并在距离si端个碱基的位置切割m。同时， si可作为引物并以m为摸板合成新的ds；这样又进入上述循环，继续对目的m进行切割，从而使目的