大肠杆菌能生产糖蛋白吗

大肠杆菌能生产糖蛋白吗？人教版《高中生物选修3现代生物科技专题》在“基因工程的应用”一节中，介绍基因工程药物干扰素时，有如下一段文字“1980~1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1kg细菌培养物中可以得到20~40mg干扰素。”[1]很多老师对这段文字存在一些困惑：酵母菌是真核生物，细胞内有内质网和高尔基体等细胞器，因此能生产糖蛋白，而干扰素是糖蛋白，故酵母菌细胞能够生产干扰素；但是大肠杆菌是原核生物，细胞内没有这些细胞器，那又怎么能生产如干扰素呢？我们根据以往的知识分析得知，大肠杆菌无法生产糖蛋白，但是干扰素是不是一定就是糖蛋白呢？根据生物学书中的定义，干扰素是哺乳动物细胞在诱导物的诱导下产生的一种特异糖蛋白，由此可知，由哺乳动物细胞分泌的天然干扰素是糖蛋白，但是这并不意味着由基因工程技术生产的重组人干扰素就一定是糖蛋白。我们知道，将逻辑推理运用于解决生物学问题时，如果不考虑生物学问题的特殊性，有可能会导致过于绝对化的。比如，人教版《高中生物必修2遗传与进化》中有一个探究活动“脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性”[2]，这个探究活动探讨了由4种碱基排列而成的脱氧核苷酸序列是否足以表达生物体必需的各种遗传信息。理论上，由4种碱基排列而成的脱氧核苷酸序列有4n种可能，远远多于生物体实际存在的脱氧核苷酸序列的数目，但这里的推理结论的成立依赖于一个假设：所有碱基对的随机排列都能构成基因。事实上，大部分碱基对的随机排列不能构成基因，即不能成为生物体的遗传信息，但是因为理论上计算出来的脱氧核苷酸序列数目要远大于实际数目，所以这并不影响推导的过程和结论。同样，在大肠杆菌生产干扰素这个案例里，如果要使大肠杆菌生产干扰素即大肠杆菌能生产糖蛋白这个命题成立，也存在一个假设，即基因工程方法生产的干扰素和天然的干扰素一样，都是糖蛋白。但是，据科学家的研究资料显示[3-5]，用大肠杆菌生产出来的干扰素是没有糖链的，但同样能够抑制病毒在细胞内的增殖，加强巨噬细胞的吞噬作用和对癌细胞的杀伤作用。由此可知，该假设对于大肠杆菌表达系统并不成立，大肠杆菌可以生产干扰素，但没有证据表明大肠杆菌能生产糖蛋白。既然基因工程方法生产出来的干扰素没有糖链也能发挥作用，那哺乳动物细胞为何要“多此一举”给干扰素加上糖链呢？糖链之于糖蛋白的意义是什么？一方面，真核细胞的糖基化体系给蛋白加上糖链后，能够帮助蛋白折叠成正确的构像，同时糖蛋白分子表面的极性糖链有助于蛋白质的溶解，防止蛋白聚集沉淀，从而能使糖蛋白分泌到细胞外。而在大肠杆菌表达系统中，由于缺乏糖基化体系，表达的非糖基化蛋白常常会在细菌体中聚集成不溶性的包涵体（inclusionbody）。所谓包涵体，是指由于表达部位的低电势以及外源蛋白分子的特殊结构如Cys含量较高、低电荷、无糖基化等，使得外源蛋白与其周围的杂蛋白、核酸等形成的不溶性聚合体。包涵体中的蛋白是没有生物活性的，需要通过后续的溶解、纯化、复性等操作帮助变性的包涵体蛋白折叠成有生物活性的蛋白。科学家用基因工程的方法在大肠杆菌细胞内获得的干扰素就是以包涵体的形式存在的，因此，最初获得的干扰素是没有活性的，通过之后的纯化、复性等一系列的操作，科学家才得到了有生物活性的重组人干扰素。另一方面，糖链对蛋白的稳定性和半寿期（halflife，一种物质其质量的一半被代谢或排出所需的时间）有一定的影响，一些糖蛋白在去除糖链后虽然仍具有一定的生物活性，但是易被蛋白酶降解。因此，真核细胞表达的干扰素需要糖链来稳定结构、帮助溶解，并通过转运系统分泌到细胞外，进入血液循环系统，以发挥其抗病毒抗肿瘤的生物功效。大肠杆菌是不是就一定不能生产糖蛋白呢？在上个世纪，也许不可能，但是现在，随着科学技术的发展和科学研究的进一步深入，科学家们发现在一种名为Campylobacterjejuni的细菌里存在生产糖蛋白的基因簇，即pgl基因簇，此基因编码的蛋白能够起糖基转移酶的作用，科学家用基因工程方法将这套基因克隆至大肠杆菌共表达，使得大肠杆菌也能够生产相应的糖蛋白[6］。虽然大肠杆菌生产糖蛋白与真核细胞生产糖蛋白在合成机理、糖链结构等方面有很多差异，而且用大肠杆菌生产糖蛋白还处于实验室探索研究的阶段，但相信随着这方面研究工作的不断开展，有希望在不久的将来研发出一套成本低、产量高、质量好的大肠杆菌重组糖蛋白表达系统。参考文献：1.《普通高中课程标准实验教科书生物选修3现代生物科技专题》,2004，p22-232.《普通高中课程标准实验教科书生物必修2遗传与进化》,2004，p573.GoeddelDetal,HumanLeukocyteInterferonProducedbyE.coliisBiologicallyActive,Nature,1980,287:411-4164.NagataSetal,SynthesisinE.coliofaPolypeptidewithHumanLeukocyteInterferonActivity,Nature,1980,284:316-3205.GoeddelDV,ShepardHM,YelvertonE,etal.SynthesisofhumanfibroblastinterferonbyEcoli,NucleicAcidsRes1980,8(18):4057-40746.WackerM,LintonD,HitchenPG,