第三章 基因工程制药课件

第三章基因工程制药第三章基因工程制药基因工程的基础知识

第一节基因的概念与特性

一、基因的概念:

DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。早期认为遗传物质是蛋白质，1944年Avery从肺炎链球菌转化实验证明是DNA。第三章基因工程制药A：S有夹膜致病菌，B：R突变非致病菌，C：加热杀死S菌，D：活R死S第三章基因工程制药二、基因的一般特性：①基因可自我复制②基因决定蛋白质结构③基因可突变。基因按功能分为：①结构基因②调控基因第三章基因工程制药三、DNA的结构与性能⒈DNA的结构：四种核苷酸（A、T、C、G）连接。DNA二级结构双螺旋结构。⒉DNA的性质与功能①吸收光谱260②电场中泳动③变性、复性、杂交第三章基因工程制药第二节DNA的复制与表达一、DNA的复制：半保留复制第三章基因工程制药

二、基因表达

⒈转录：在RNA聚合酶的催化下以DNA为模板合成mRNA的过程。

转录后加工：剪切：除去内含子加帽：5’加m7Gppp

加尾：3’加poly（A）第三章基因工程制药

二、翻译：以mRNA为模板，tRNA作为运载工具，将活化的氨基酸在核糖体上合成蛋白质的过程。

⒈

分为三个阶段：①起始②延长③终止第三章基因工程制药

基因表达第三章基因工程制药真核细胞的翻译过程第三章基因工程制药⒉翻译后的肽链加工肽链切断①羟基化②糖基化③磷酸化④乙酰化第三章基因工程制药

基因工程制药第三章基因工程制药第一节概述20世纪70年代基因工程诞生最先应用在医药科学领域。

1982年第一个基因工程产品--人胰岛素在美国问世。

优点:大量生产、应用临床、深入研究、扩大应用、改造不足、扩大了药物筛选来源。第三章基因工程制药基因工程药物基因工程药物和制剂很珍贵，用传统方法很难生产，由于材料来源困难或制造技术问题而无法大量生产，但用基因工程可以得以解决。主要是医用活性蛋白和多肽类：（1）免疫性蛋白，如各种抗原和单克隆抗体（2）细胞因子，如各种干扰素、白细胞介素、表皮生长因子、凝血因子等（3）激素，如胰岛素、生长激素、心钠素等（4）酶类，如尿激酶、链激酶、葡激酶、超氧化物歧化酶等第三章基因工程制药利用基因工程技术生产药品的优点（1）：①大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽(如胰岛素、干扰素、细胞因子等)，为临床使用提供有效的保障；②可以提供足够数量的生理活性物质，以便对其生理、生化和结构进行深入的研究，从而扩大这些物质的应用范围；③可以发现、挖掘更多的内源性生理活性物质；第三章基因工程制药利用基因工程技术生产药品的优点（2）：④内源生理活性物质在作为药物使用时存在的不足之处，可以通过基因工程和蛋白质工程进行改造和去除。如白细胞介素-2的第125位半胱氨酸是游离的，有可能引起—S—S—键的错配而导致活性下降，如将此半胱氨酸改为丝氨酸或丙氨酸，白细胞介素-2的活性以及热稳定性均有提高。⑤利用基因工程技术可获得新型化合物，扩大药物筛选来源。第三章基因工程制药国际上已进入临床试验的抗肿瘤重组导向毒素基因工程抗肿瘤药物目前进入临床试验的基因组重组抗血管生成药物转基因养殖动物的乳汁产生的人生物医药转基因植物生产的药物蛋白第三章基因工程制药部分基因工程药物简介：1、人胰岛素(InsuIin)胰岛素是多肽激素的一种，具有多种生理功能，在维持血糖恒定，增加糖原、脂肪、某些氨基酸和蛋白质的合成、调节与控制细胞内多种代谢途径等方面都有重要作用。胰岛素用于临床糖尿病的医治已有近70年的历史，长期以来，其来源仅仅是从动物的胰脏中提取，而动物胰岛素与人胰岛素在氨基酸组成上存有一定的差异，长期注射人体时会产生自身免疫反应，影响治疗效果。自80年代初开始，人们已开始用基因工程技术大量生产人胰岛素。第三章基因工程制药人胰岛素的基因工程生产一般采用两种方式：一是分别在大肠杆菌中合成A链和B链，再在体外用化学方法连接两条肽链组成胰岛素。美国EIiLilly公司采用该法生产的重组人胰岛素Humulin最早获准商品化；另一种方法是用分泌型载体表达胰岛素原，如丹麦NovoNordisk公司用重组酵母分泌产生胰岛素原，再用酶法转化为人胰岛素。第三章基因工程制药对胰岛素的改造NovoNordisk研究所的Brange等应用蛋白质工程技术在胰岛素分子中取代一个氨基酸残基，防止单体二聚化，由此合成的新型胰岛素在药物浓度下基本上保持单体，注射后吸收速度比正常胰岛素快2-3倍；另有报道将胰岛素B链第10位的His变为Asp获得高活力胰岛素B10Asp，其受体结合能力和离体生物活力分别为猪胰岛素的262％和235％。第三章基因工程制药

2．人生长激素(Humangrowthhormone，hGH)人生长激素是人的垂体腺前叶嗜酸细胞分泌的一种非糖基化多肽激素。它有多种生物功能，主要是刺激身体生长。最近发现hGH对一些细胞的增殖和分化以及DNA合成有直接效应。hGH的主要用途是治疗诛儒症，临床试验认为hGH对慢性肾功能衰竭和Turner综合症也有很好疗效。第三章基因工程制药美国的Genentech公司采用枯草芽泡杆菌系统表达hGH，产量达1.5g/L，于1985年10月批准上市，商品名称为Prptropin(hGH)。1994年3月又有新产品Nutyopin被批准上市。英国Cellteck公司用哺乳动物细胞生产的hGH，比从垂体中提纯的天然hGH多一个蛋氨酸，其治疗效果更为显著。我国用E.coli和哺乳动物细胞表达hGH，1995年开始进行临床试验．做完临床试验后有两家公司进行工业化生产。第三章基因工程制药

3、干扰素(Interferon，IFN)干扰素是一类在同种细胞上具有广谱抗病毒活性的蛋白质，其活性的发挥又受细胞基因组的调节和控制，涉及RNA和蛋白质的合成。干扰素是一种类似多肽激素的细胞功能调节物质，是一种细胞素。其定义包括如以下含义：(1)干扰素必须是一种蛋白质；第三章基因工程制药(2)在一般生理状态下，细胞的干扰素基因呈静止状态，只有在特定诱生剂作用下进行转录并转译出具有种属特异性的干扰素；(3)干扰素本身不能直接灭活病毒，而是细胞在干扰素作用后产生出多种抗病毒蛋白。从而阻断病毒的繁殖；(4)干扰素必须具有广谱抗病毒活性。第三章基因工程制药

根据抗原特异性和分子结构的不同，干扰素可分为α、β、γ三型。干扰素的基本特性包括种属特异性、作用“广谱性和选择性”、相对无害性和特殊稳定性等。干扰素的生物功能活性可归纳为：(1)抗细胞内侵害微生物活性，(2)抗细胞分裂活性，(3)调节免疫功能活性。干扰素在临床上主要用于治疗恶性肿瘤和病毒性疾病。我国卫生部已批准生产的干扰素品种有：IFNα1b、IFNα2a、IFNα2b和IFNr四种。第三章基因工程制药4．白细胞介素(Interleukin,IL)白细胞介素是由白细胞或其他体细胞产生的又在白细胞间起调节作用和介导作用的因子，是一类重要的免疫调节剂。目前已发现的白细胞介素已达15种之多，它们的生物学功能十分广泛．主要功能有：(1)激活并刺激T、B淋巴细胞的增殖和分化；第三章基因工程制药(2)刺激巨噬细胞和粒细胞的活性；(3)作为各种细胞的丝裂原；(4)其他功能(抗肿瘤作用、诱导发热、作为佐剂等)。白细胞介素在临床上主要用于治疗恶性肿瘤和病毒性疾病(如乙型肝炎、艾滋病等)。第三章基因工程制药随着分子生物学的进展，各种白细胞介素的基因也相继克隆成功，并制成基因工程白细胞介素纯品，其中有几种已投放市场。同内IL-2已批准生产，IL-3、IL-4和IL-6等其他白细胞介素也正在研制中。应用蛋白质工程技术在IL-2中125位Cys分别由Ser或Ala取代，制成生物活性、热稳定性和复性效果都比原IL-2强的新型IL-2(125Ser-IL-2和125Ala-IL-2)，现己获准临床应用。第三章基因工程制药5.集落刺激因子(Colony–stimuLatingfactor,CSF)集落刺激因子(CSF)是一类能参与造血调节过程的糖蛋白分子，故又称造血刺激因子或造血生长因子。CSF的功能可概括为：刺激造血细胞增殖、维系细胞存活、分化定型、刺激终末细胞的功能活性等。近年来的研究表明，CSF还参与对成熟细胞的功能调节，并在宿主抗感染免疫中起着重要作用。第三章基因工程制药现在已知的集落刺激因子(CSF)主要有4种：(1)粒细胞集落刺激因子(G-CSF)；(2)巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)；(3)粒细胞—巨噬细胞集落刺激因子GM-C3F)；(4)多能集落刺激因子(Multi-CSF，即IL-3)。上述4种CSF在注入人体后均有促使各类白细胞增殖和成熟、增加血小板和红细胞数量的作用，因此CSF在临床上多用作癌化疗的辅佐药物，如化疗后产生的中性白细胞减少症，也用于骨髓移植促进生血作用，还可用于治疗白血病、粒细胞缺乏症、再生障碍贫血等多种疾病。第三章基因工程制药6．肿瘤坏死因子(Tumornecrosisfactor，TNF)肿瘤坏死因子这一名称是因最初发现时观察到它的抗肿瘤活性而命名的。随着人们对TNF的深入研究，该名称已不再能反映其全部的生物活性。TNF除具有抗肿瘤活性外．对多种正常细胞还具有广泛的免疫生物学活性，如炎症活性，促凝血活性，促进细胞因子分泌，免疫调节作用，抗病毒、细菌和真菌作用，热原质作用以及参与骨质重吸收等。第三章基因工程制药目前TNF经鉴定有3种1)主要由激活巨噬细胞产生的TNF-α；(2)主要由激活淋巴细胞产生的INF-β，又名淋巴细胞毒素(LT)；(3)由NK细胞产生的细胞毒因子TNF-γ。(NK细胞是天然免疫系统的主要效应细胞，具有广泛的生物学功能，位于机体抵抗肿瘤和病毒感染的第一道防线。NK细胞作为天然免疫的主要效应细胞，在感染性疾病的防治、肿瘤的生物治疗以及骨髓移植中发挥了不可替代的作用。皮肤黏膜组织是机体的重要免疫器官之一，是阻挡病原微生物入侵的天然屏障，而NK细胞是这一屏障的主要效应细胞之一。

)第三章基因工程制药1984年基因重组TNF获得成功后，1985年即获美国FDA批准用于临床，在治疗某些感性肿瘤上收到较好的效果。此外，TNF在临床诊断上也有一定意义。但天然TNF有一定毒副反应。国内1989年首次报道组建高表达人TNF工程菌株。并通过鉴定，重在研究TNF的衍生物，以提高比活性和减少毒副作用。第三章基因工程制药目前，用蛋白质工程技术研制TNF突变体主要有：(1)将原型TNF分子中第80、90和92位的Ile、Lys和Asn分别被Ser、His和Val置换，经E.coli表达产生rhTNFαD3a产物，毒性比原型TNF低11倍左右；(2)将TNF—αN末端的第2位Arg换成Lys，在及E.coli中表达TNF—K2产物，对某些人肿瘤细胞株表现出比TNP—α高出几十倍到几百倍的抑制活性，且毒性稍低；第三章基因工程制药(3)在TNF分子的末端缺7个氨基酸，8、9、10和C端157位氨基酸分别被Arg—Lys—Arg和Phe取代，在E.coli中表达TNFmutantprotein产物，生物活性比天然的提高10倍，可降低用药量，减低其毒副作用，且产物以可溶形式存在，易于纯化。第三章基因工程制药7．心钠素(AtrialnatriurcticfactorANF或ANP)心钠素是心房利钠因子。由于其化学结构属于一种多肽，故又称心房肽(ANP)。心钠素具有较强的利钠、利尿、扩张血管和降低血压的作用。在调节体液容量和浓度、控制血压、维持体液平衡方面起着重要作用、可作为降血压药和利尿药，用于治疗充血性心脏衰竭、高血压、肾功能衰竭、水肿和气喘等疾病。第三章基因工程制药人的心钠素基因(化学合成)已先后在大肠杆菌、酵母菌和哺乳动物细胞中得到表达。1986年．VlasukIs等已将化学合成的人心钠素24肽(128-151)基因成功地在酵母细胞中获得表达。而且表达产物可分泌到培养液中。我国也已成功地将人α心钠素基因克隆到酵母分泌性表达载体中，并获得高效表达，

95％以上的产物被分泌到培养液中。第三章基因工程制药

8．重组乙肝疫苗重组乙肝疫苗是以基因工程技术研制的第2代乙型肝炎（HB）疫苗，已获得了突破性和实用性进展，是基因工程疫苗中最成功的例子。目前，乙肝病毒(HBV)基因在真核细胞中表达已出现了4条途径：(1)将HBV的S、S2或S1基因重组质