现代生物制药技术

1、生 物 制 药 技 术,第二章 基因工程制药 第三章 细胞工程制药 第四章 酶工程制药 第五章 动植物细胞培养技术制药 第六章 生物药物的提取纯化技术,第一章 绪论,第一章 绪论,第一节 生物制药的概念和内容 生物制药是指利用生物体或生物过程生产药物的技术。 分类： 发酵工程制药 基因工程制药 细胞工程制药 酶工程制药,第二节 生物药物的性质与分类,生物药物的性质 优点：毒性低、副作用小、疗效可靠。特异性 特别要提到的是利用重组DNA 技术生产 的药品，即新生物技术药品，或简称生物新药。 劣点： 1 成分复杂 2 不稳定、易变性、易失活 3 易为微生物污染、破坏 4 生产条件的变化对产品质量影

2、响较大,二 生物新药的质量保证,要点：产品的鉴别、纯度、活性、安全性、稳定性和抑制性。 鉴定方法 电泳方法、免疫学分析方法、受体结合实验、各种高效液相色谱分析法、肽图分析法、Edman N-末端序列分析法、圆二色谱法、核磁共振法 安全性评价 无病毒、无菌、无热源、无致敏源 致突变、致癌和致畸,三 生物药物的分类,1 氨基酸类 2 有机酸、醇酮类 3 维生素 4 酶及辅酶类 （1）酶类药物 ：助消化酶类；消炎酶类； 心血管疾病治疗酶； 抗肿瘤酶； 其他酶类：超氧化物歧化酶 （SOD） PEG-腺苷脱氨酶 RNA酶 （2）辅酶类药物：ATP NAD CoA FAD 5 脂类 （1）磷脂类,（2）多

3、价不饱和脂肪酸（PUFA）和前列腺素 （3）胆酸类 （4）固醇类 （5）卟啉类 6 多肽和蛋白质类 人体内的生物活性因子，如激素、免疫球蛋白和细 胞生长因子。 红细胞生成素（EPO） 白细胞介素-2（IL-2） 粒细胞集落刺激因子（G-CSF） 粒/巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF） 肿瘤坏死因子（TNF） 表皮生长因子（EGF）（用于伤口愈合）,7 核酸类及其衍生物 （1）核酸类 （2）多聚核苷酸 （3）核苷、核苷酸及其衍生物 8 多糖 升白：增加白细胞 （1）抗生素 （2）酶抑制剂 （3）免疫调节物质 （4）其他生物活性物质,第三节 新型生物药物研制的理论和方法,新的化学实体（New c

4、hemical entity，简称NCE） 根据NCE来源将生物药物大致分为两类： 一类是利用重组DNA技术 二类是利用微生物、动植物或酶生产的非上述药品，通过筛远可获得这类新药的NCE的先导物。 新药研究和开发的主要过程： 1 确定研究计划 2 准备化合物 3 药理筛选 4 化学试验 5 临床前I期 6 临床前II期 7 I期临床 8 II期临床 9 III期临床 10注册申请上市 11售后监测,提供6000-8000个化合物 9-13年 耗资约2.3亿美元 先导化合物的寻找,1 筛选模型的确定 筛选模型的核心是药物作用靶 大规模筛选（High-throughput screening，简称

5、HTS） （1）用动物细胞和组织建立的筛选模型 LC50 （2）酶抑制剂的筛选 （3）受体拮抗剂的筛选 基因复制、转录因子为对象的治疗 （1）转录因子的多样性 （2）转录因子具有特异性 （3）基因特异性转录因子与人类疾病有关,开始考虑以凋亡为靶治疗,2 先导化合物来源 一是从化学库或天然产物中筛选 二是与受体结合的结构设计（合理新药设计） 合理药物设计（Rational drug design）则是基于受体三维立体结构的认识，通过计算机辅助分子设计全程合成新分子。 现今从生物中筛选新药重点放在微生物 人们也开始关注植物、动物 人类和动物方面，则关注自身免疫系统 新药的研究与开发是一个将化学结构

6、研究与生物活性研究连接起来的创造性过程。,第四节 生物药物的发展历史和概况,生物制药的发展历史 李时珍本草纲目 医生琴纳（Jenner ）发明了用牛痘疫苗治疗天花 1860年，巴斯德发现细菌，开创了第一次药学革命 1928年英国弗莱明发明青霉素至1941年在美国开发成功。 从生物体内分离纯化酶制剂的技术日趋成熟，酶类药物得 到广泛应用。 70年代Zenk 应用植物细胞培养生产植物药物 50年代提出的DNA 双螺旋理论及70年代发展的重组DNA,技术、单克隆抗体技术使生物制药进入一崭新的时代 1982年，第一个基因工程药物人胰岛素上市 另一重大认识就是认识到生物多样性对生物制药的决定性 在基因工

7、程和细胞工程技术方面的研究水平与国外水平相比差距已不大，国内已建立了40多个临床药理试验基地。,二 生物制药的发展概况 1 基因工程 所依托的基础理论为Watson-Crick的DNA 模板学说、Monod和Jacob的操纵子学说。,（1）基因工程药物品种的开发 （2）应用基因工程技术建立新药的筛选模型 （3）应用基因工程技术改良菌种 （4）基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用 （5）利用转基因动、植物生产蛋白质类药物 （6）基因工程抗体在医药工业中的应用 抗体工程 细胞工程 奠定了细胞培养和细胞融合技术的理论基础 （1）单克隆抗体技术 生物导弹,（2）通过植物细胞培养生产次生代谢产物 （3

8、）动物细胞培养 三 微生物工程 微生物工程也称发酵工程 所采用的新技术主要应用于3个方面： 工艺改进、新药研制和菌种改造。 微生物药物： 即在微生物生命活动过程中产生的具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物及其衍生物。 有酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂、抗氧化剂。,四 酶工程,酶工程是酶学与化工技术二者结合的产物 第五节 生物制药的发展趋势 一 生物制药中的新技术 1 大规模筛选的采用与创新 大规模筛选是大规模测试化合物的方法，采用机器人自动寻找特殊生物靶，如某个细胞表面受体或一个代谢有关酶的抑制剂（拮抗剂）或激动剂（兴奋剂）的技术。 2 高效分离纯化系统的采用 （1）固相化金属亲和层析

9、 （2）超扩散层析,（3）灌注层析 BioCADworkstation （4）其他快速分离纯化系统 AKTA explorer快速化工工艺开拓系统 Streamline扩张柱床吸附技术 快速蛋白液相色谱（FPLC ） The biological system 高分辨生物分子纯化而设计的层析系统 二 Human genome project，简称 HGP 约10万个gene 30亿对碱基,三 基因治疗,基因治疗从基因角度可以理解为将外来的基因导入细胞，用正常的基因置换病源基因或补充缺失的基因，从而达到治疗的效果。 基因治疗的疾病有三类： 致死性遗传性疾病 用过去的治疗法很难根治的癌症 爱滋病等

10、后天性疾病 RNA 病毒可望用RNA 酶消灭 图1-4为用核酸酶（RNA 酶）,解决的问题：提供更多可供利用的基因 设计定向整合的载体：反转录病毒和腺病毒 人类将逐渐具备在原子水平解决问题和在基因水平上治疗疾病的能力。 四 糖链工程 糖科学（Glycoscience）和糖链工程 即糖生物学 蛋白或糖脂类 对生态信息的传递起着重要的作用 糖类药物,五 细胞因子类药物,细胞因子是淋巴细胞来源的淋巴因子或巨噬细胞、单核细胞来源的单核因子、免疫系统中具有各种生物活性的一类因子的总称。 对细胞因子的受体结构以及细胞因子糖链部分的结构和功能也做了大量研究。,第二章 基因工程制药,第一节 基因工程制药概述

11、基因工程（Gene engineering），又称重组DNA 技术。 它能使带有支配各种各样遗传信息基因的DNA 片段越过不同生物间特异的细胞壁而组入到完全不同的生物体内，定向的控制、修饰和改变生物体的遗传和变异。 人胰岛素（Insulin） 具有多种生物功能，维持血糖恒定，增加糖原、脂肪、某些氨基酸和蛋白质的合成。 生产方式：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。 另一种是用分泌型载体表达胰岛素原。,2 人生长激素 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。 刺激身体生长 hGH 对一些细胞的增殖和分化以及DNA 合成有直接效应

12、。 干扰素（Interferon，IFN ） 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。 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。,分为a b t三型 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。 抗细胞内侵害微生物活性；抗细胞分裂活性；调节免疫功能活性。 用于治疗恶性肿瘤和病毒性疾病 4 白细胞介素 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。 激活并刺激T、B淋巴细胞的增殖和分化 刺激巨噬细胞和粒细胞

13、的活性,各种细胞的丝裂原 治疗恶性肿瘤和病毒性疾病 5 集落刺激因子 是一类能参与造血调节过程的糖蛋白分子，又称造血刺激因子或造血生长因子。 分类：粒细胞集落刺激因子 巨噬细胞集落刺激因子 粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 多能集落刺激因子 功能：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 临床多用作癌化疗的辅助药物,6 促红细胞生成素 肾脏分泌的重要激素 与多种贫血尤其与终末期肾脏疾病贫血密切相关 能促进红细胞系列的增殖、分化及成熟 治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血和治疗肿瘤化疗后贫血 7 肿瘤坏死因子 除具有抗肿瘤外，还有抗炎活性，促凝血活性，促进细胞因子分泌，免疫调节作用

14、，抗病毒、细菌和真菌作用，热原质以及参与骨质重吸收 淋巴细胞毒素 8 组织型纤溶酶原激活剂 tPA是一种丝氨酸蛋白酶，能激活纤溶酶原生成纤熔酶，纤溶,酶水解血凝块中的纤维蛋白网，导致血栓溶解。 主要用于治疗血栓性疾病 9 心钠素 较强的利钠、利尿、扩张血管和降低血压 治疗充血性心脏衰竭、高血压、肾功能衰竭、水肿、气喘 10 重组乙肝疫苗 美、法和德国都已研制出人工合成的前S多肽疫苗，具有很强的免疫原性 由化学合成的H BsAg多肽与破伤风类毒素偶联形成复合蛋白分子制成的疫苗,第二节 基因工程制药中常用的 工具酶和克隆载体,一 常用工具酶 1 限制酶 它们对碱基作用的专一性上及对磷酸二酯键的断裂

15、方式上具有一些独特的性质 种类：I型酶 II型酶：简单的单功能酶，作用时无需辅助因子或只需Mg2+ ，能识别双链DNA 上特异的核苷酸序列，底物作用的专一性强，而且其识别序列与切断序列相一致。 限制酶的命名 以寄主微生物属名的第一个字母（大写）和种名的前两个字母（小写）写成斜体字的3 个字母,缩写，菌株名以非斜体符号加在这三个字母的后面。若同 一菌株中有几种不同的限制酶时，则以罗马数字加以区分。 例如 HindIII 限制酶的特性 （1）不同限制酶能专一地识别不同的特异核苷酸序列 （2）各种限制酶的识别序列都具有回文结构 双重旋转对称排列 回文结构 即正读与反读都相同 （3）各种限制酶的切割类

16、型是各式各样的，切后形成各种 粘性末端或平整末端,错位切断DNA -Cohesive ends Flush ends 识别序列不同的限制酶，切割后有可能产生相同的粘性末端。 同切口限制酶或同裂酶 在连接酶的作用下，可以得到嵌合DNA ，称为异源二聚体。 来源不同的限制酶，其识别序列可以相同，但其切点位置可不 同或相同。 （4）某些限制酶在非标准反应条件下，可能导致酶的识别序列特异性发生改变 在非标准条件下，每种限制酶都有上述严格的识别序列 导致限制酶的识别序列特异性发生改变，在DNA 内产生附加切割。称为限制酶的第2活性，又称为星活性。,2 DNA 聚合酶,大肠杆菌DNA 聚合酶I （1）5-

17、3DNA 聚合酶活力 （2）5-3外切核酸酶活力 降解RNA ：DNA 杂交体的RNA 部分 （3）3-5外切核酸酶活力 主要功能是校对所合成的链是否能与模板精确无误地配对在一起。 切口平移反应：当双链DNA 的一条链产生缺口时，DNA 聚合酶I将脱氧核苷酸添加到3羟基末端上，与此同时，其5-3外切酶从切口的5磷酸末端切除原有核苷酸,使切口沿着DNA 平移,称为切口平移反应,又称为缺口翻译。 以放射性脱氧核苷酸置换原来的脱氧核苷酸标记DNA ，从而制作DNA 探针。,大片段即Klenow 片段是用枯草芽孢杆菌蛋白酶裂解完整的DNA 聚合酶I而产生或者通过克隆技术而得到的单一多肽链。 全酶中去除

18、了5-3外切核酸酶活力，而聚合酶活力及3-5外切核酸酶活力均不受影响。 补平限制酶切割DNA 后产生的3凹端 用32PdNTP 补平3凹端，对DNA 片段进行末端标记 在cDNA 克隆中，用于合成cDNA 第二链 应用Sanger双脱氧链末端终止法进行DNA 测序 T4 噬菌体DNA 聚合酶 与Klenow 片段相似的是都具有5-3聚合酶活力及3-5外切核酸酶活力，而且3-5外切酶活力对单链DNA 的作用比对双链DNA 更强。,经修饰的T7 噬菌体DNA 聚合酶 更强的3-5外切核酸酶活力 DNA 平均长度比其他聚合酶大得多 拷贝长段模板 测序酶，测序酶（2.0版）完全丧失了核酸外切酶活力 T

19、aq DNA 聚合酶及AmpliTaqTM DNA 聚合酶 水生栖热菌 具有5-3聚合酶活力和依赖于聚合作用的5-3外切核酸酶活力。 最佳作用温度为75-80。C，为避免引物自模板上解离往往需在低于最适温度条件下起始聚合反应。 聚合酶链式反应,反转录酶 鼠或禽反转录病毒 H活力 主要用于将 mRNA 转录成双链cDNA ，也可用于制备杂交用探针和标记带5突出端的DNA 片段。 DNA 连接酶 能将两段DNA 拼接起来的酶叫DNA 连接酶。 T4噬菌体DNA 聚合酶 连接带有匹配粘性末端的双链DNA 连接平整末端的双链DNA,大肠杆菌DNA 连接酶 需NAD 辅助因子 基因工程中常用的其他酶 末

20、端脱氧核苷酸转移酶（简称末端转移酶或TDT酶） 作用底物是带3羟基端的单链DNA 或带3羟基突出端的双链DNA 。 主要用于给载体或cDNA 加上互补的同聚尾以及用32P 标记的一种d NTP 来标记DNA 片段的3端。 T4噬菌体多核苷酸激酶 它能催化ATP 的-磷酸基转移至去磷酸化的DNA 或RNA 的5末端 该酶可用于标记DNA 5末端,核酸酶 BLA31核酸酶 主要活力是3外切核酸酶活力，DNA 内切酶活力 反应绝对依赖于钙离子 （1）通过可控方式去除双链DNA 的末端核苷酸从而缩短DNA 分子 （2）用于确定DNA 小片段的限制酶切图 S1核酸酶 单链特异性的内切酶 可降解单链DNA

21、 或RNA （1）去除DNA 片段中突出的单链尾部 （2）打开从 mRNA 合成双链cDNA 时产生的发夹环,碱性磷酸酯酶 细菌碱性磷酸酯酶（BAP ）和牛小肠碱性磷酸酯酶（CIP ）两种 催化去除单链或双链DNA 和RNA 分子中的5-磷酸基（脱磷酸作用） 去除切割载体DNA 两端的5-磷酸基，防止自身环化 二 常用的克隆载体 具有在细胞内进行自我复制的DNA 子就是外源DNA 片段（基因）的运载体，又可称为分子载体或无性繁殖载体。 有了复制子作为外源DNA 的载体 质粒 质粒（Plasmid ）是一些存在于微生物细胞内染色体外的闭合环状 双链的小型DNA 分子。,质粒载体的改造和构建 特性

22、 （1）要有复制子 （2）要有能促进外源DNA 高水平表达的调控区，如含有强启动子 （3）要有多种限制酶的单一切点 （4）具有两种以上易被检测的选择性遗传标记，作为对重组与非重组转化体的选择标记（最好有一个具有插入性失活功能）。 （5）质粒载体DNA 的分子量要尽可能小，以利于载体容纳较长区段外源DNA 片段。 （6）应属于松弛型复制 （7）质粒载体应为非传递性，有较小的宿主范围，不为传递性载体所诱导。,阶段 （1）将选择标记引入含有pMB I或ColE1复制子的质粒中 pBR322 仅4.36kb （2）调整质粒载体的结构，提高质粒载体的效率 新型载体都引入一个人工合成的由多种常用限制酶单一

23、识别序列组成的多克隆位点或多聚接头。 （3）引入多种用途的辅助序列，构建具有某些特化功能的质粒载体 构建可用组织化学方法鉴定重组克隆的质粒载体 如pUC 载体带有一个Lac操纵子的DNA 片段，该区段编码b-半乳糖苷酶氨基端的一个片段，该片段能与宿主细胞所编码的缺陷型b-半乳糖苷酶实现基因内互补。外源DNA插入载体的多克隆位点后，可使酶的氨基端片段失活而破坏这种互补作用，导致带有重组质粒的细菌在含有诱导物IPTG和生色底物X-gal培养基上产生白色菌落，从而可用肉眼鉴定重组克隆。,构建带有单链噬菌体复制起点的质粒载体 可大量获得载体DNA 双链中的一条链 构建带有噬菌体启动子的质粒载体 体外得

24、以转录RNA 而翻译 构建可对重组克隆进行正选择的质粒载体 某些宿主菌致死的基因产物 构建含有强启动子的质粒载体 常用的几种质粒载体 （1）pBR322 及其衍生载体 非必需区域，分子量相对较大，能被Colk 带动转移 有关转移的mob 区段刚好在非必需区域内,pAT153载体 之间缺失2个片段 包含结合转移的有关序列 pBR327载体 （2）pUC系列载体 pUC18、 pUC19质粒载体 pUC质粒缺乏与控制拷贝数有关的rop 基因，故这些质粒复制的拷贝数要比带有pMB1或ColE1复制起点的质粒高得多。 PUC118 、pUC119质粒载体 带有M13 丝状噬菌体DNA 合成的起始、终止

25、及DNA 包装进入噬菌体颗粒所必需的序列。,这些质粒的宿主细胞被适当的丝状噬菌体感染时，可合成质粒 DNA 中一条链，并能将此单链DNA 包装进入子代噬菌体。 pUC 的衍生质粒载体 噬菌体编码的依赖于DNA 的RNA 聚合酶转录单位的启动子 噬菌体 噬菌体载体的构建 噬菌体基因组为双链线状DNA 感染时，DNA 的两末端配对并由连接酶的作用闭合成环状 （1）A至J区段：分布在基因组左臂，约占1/3基因组。 噬菌体头部（A-F ）、尾部（Z-J ） （2）J至N之间非必需区段：约占1/3基因组 控制重组及溶源性的基因，可被消除和取代,（3）N 至R 区段：分布在基因组右臂，与噬菌斑的形成有关。

26、 包括调控及免疫性基因、DNA 复制基因、转录和裂解基因等。 消除多余限制性内切酶位点 消除基因组必需区内的酶切位点，保留非必需区内1-2个位点 方法：点突变、基因组的置换和缺失 去除DNA 中一些非必需区段 有75 %-105 % 38-52 kb DNA 才能被包装成噬菌体颗粒 插入型载体 DNA 基因组中缺失部分非必需基因，只含有一个可供外源DNA 插入的限制性内切酶位点的DNA 载体。,替换型载体 在DNA 的可替换片段两端具有两个限制性内切酶位点，酶切后替换片段与带有所有必需基因的左右双臂分开，有外源DNA 代之。 携带外源DNA 的重组体的正选择标记。 提高载体在生物学防护上的安全

27、性，引入了WES三个基因的琥珀突变，这些特性使从实验室环境中逃逸出重组噬菌体的可能性大大降低。 Charon16A 载体的基因A 和B 上诱变产生了琥珀突变。 结果在含有色原底物Xgal和Lac-指示菌的平板培养基上形成无色的噬菌斑。 常用载体 （1）Charon系列载体 Charon40 载体是专门设计用来容纳大片段,（2）EMBL系列载体 EMBL3 、EMBL4 对称的两个多酶位点聚合接头序列 EMBL3A 带有两个琥珀突变，可筛选出SUPF（琥珀抑制基因）相联的DNA 序列。 构建基因文库 （3）gt系列载体 为插入型系列载体，包括gt10、pgt11、gt18-23等 gt10：专门

28、为在其免疫区（imm434 ？）内单一的EcoR I位点上克隆小的cDNA 片段（约6kb）而设计的。 阻遏子基因CI，CI基因失活形成了重组的CI-噬菌体，噬菌斑为清亮斑，可与非重组的CI-噬菌体所产生的阴暗噬菌斑相区别。,gt11：是一个常用的，可用于免疫学筛选的载体。 如果插入的DNA 片段方向正确且转译读框与LacZ基因一致，则重组噬菌体能在宿主菌内指导b-半乳糖苷酶。 含有对温度敏感的阻遏子（43。失活），可作为抗溶源性生长的选择性。 M13 噬菌体 M13 噬菌体的基本特性 基因组为环状单链DNA 分子 雄性专一性，即只吸附于带有F质粒的雄性大肠杆菌（F+）的性纤毛 上而引起感染。

29、 转换成双链复制型（RF ） 在基因3产物的作用下，以单链DNA 为模板，先从一个RNA 引物开始， 通过宿主DNA 聚合酶III延伸，合成双链DNA（RFDNA ）。 然后在基因2,产物作用下RFDNA 进行复制，每个细胞可产生50-100 RFDNA 拷贝。由基因5产生的M13 单链结合蛋白与通过滚环复制合成的DNA 单链结合并进行包装形成子代噬菌体。 通过细胞壁挤出，并不杀死细胞 细胞生长速率降低，并不断释放子代噬菌体继续感染周围细胞 在平板上不形成空斑，形成缓慢生长的慢性感染细胞圈 M13丝状噬菌体载体的构建 将含有大肠杆菌乳糖操纵子调节区段和编码b-半乳糖苷酶基因的头145个密码插入

30、这个区的酶切位点，得M13 mp1，可被转译为多肽。 多肽虽然没有酶活力，但当M13 mp1感染特殊的宿主菌JM103时，会导致多互补而产生有活性的b-半乳糖苷酶，在含有诱导物的培养基上形成蓝色噬菌斑。 这两个载体对于具有两个不同酶切位点末端的外源DNA片段，可通过强制克隆而定向连接。,常用的M13 噬菌体载体 M13 mp18、M13 mp19 LacZ区内的多克隆位点中都含有13个不同的酶切位点 两个载体不会轻易自身再环化 外源DNA 在M13 mp18、M13 mp19中以两个互为相反的方向插入 pBR322质粒载体的复制起点（Ori）和氨苄青霉素抗性基因（Ampr） 粘粒 粘粒是一种有

31、噬菌体粘性末端的杂种质粒，由DNAcos区与质粒DNA 重 组构建而成。 是为克隆和增殖基因组DNA 的大片段而设计的和组建真核生物基因文库 最大DNA 可达52kb，粘粒大小为4-7kb，适宜35-45kb cosDNA 序列（将DNA 包装到噬菌体颗粒中所必需的序列），携有一个复,制起点（通常是ColE1复制起点）和一个抗药性标记（通常是Ampr ）。 将两个cos位点组合到同一个粘粒载体中，从而大大简化在粘粒载体 中的定向克隆。 哺乳动物细胞载体系统 一类是不带真核复制子的质粒型载体，是在原核质粒中插入一个完整 的哺乳动物细胞转录单位和一个选择标记基因而组成的简单载体系统。 如 pTK2

32、、pHyg、pRSVneo 另一类是带有真核病毒调控序列元件的质粒表达载体。,第三节 基因工程药物无性繁殖系的组建,目的基因的制取 构建基因文库法分离目的基因 1 用一种或两种限制酶消化噬菌体替换型载体，选用适当方法将载体左、 右臂与中间部位的填充片段分离开。 2 用一种或几种限制酶部分消化高分子量的真核基因组DNA ，再用凝胶电 泳或密度梯度离心法分离出适宜长度的DNA 。 3 噬菌体载体臂与真核DNA 片段连接成较长的多联体，再利用体外包装系 统装入噬菌体头部，成为有感染力的噬菌体。 4 重组噬菌体通过在大肠杆菌中生长而得以繁殖，所获得的基因组DNA 文 库可被长时间利用和贮存 酶促合成法

33、制取目的基因 平均每个细胞约含10-5 g总RNA,Mrna 总RNA 的1 %-5 % 从某些特定型别的分化细胞细胞质中，编码某特种蛋白质的目 mRNA 占总 mRNA 的50 %-90 %，称为高丰度 mRNA 。 低丰度 mRNA 或稀有 mRNA 真核细胞的 mRNA 分子在其3端均有一多聚腺苷酸poly（A），20-250个残基组成的尾，可吸附于寡脱氧胸苷酸-Oligo（dT ）纤维素。 构建cDNA 文库 P T-PCR 法 从构建的cDNA 文库中筛选目的cDNA （1）真核细胞总RNA 的分离 释放的内源性RNA 酶（Rnase）的活力 外源性Rnase对RNA 制品的污染,硫

34、氰酸胍提取和氯化铯离心法 盐酸胍和有机溶剂提取法 （2）带poly（A ）的RNA- mRNA 的分离纯化与分析 常用Northern杂交（RNA 印迹法）测定总RNA 或poly（A ）RNA 样品中特 定 mRNA 分子的大小和丰度。 （3）cDNA 文库的构建 cDNA 第一链的酶促合成 禽源和鼠源反转录酶 cDNA 第二链的合成 自身引导法：杂交体变性而分开后，单链cDNA 端能够形成发夹结构而引导E.coliDNA 聚合酶I Klenow 片段酶促合成cDNA 第一链。 置换合成法：利用cDNA：mRNA 杂交体为切口平移的模板，由RNA 酶 H在 mRNA 链上造成切口和缺口而产生

35、一系列RNA 引物，再由DNA 聚,合酶I 用这些引物以切口平移反应合成cDNA 第二链。 双链cDNA 载体DNA 的连接 噬菌体体外包装及感染构建cDNA 文库 目的cDNA 克隆的筛选 核酸杂交法 特异性抗原的免疫学检测法 cDNA 克隆的同胞选择法 R T-PCR 法合成目的cDNA 反转录-聚合酶链式反应 从真核生物细胞中提取纯化总RNA 在Oligo(dT )的引导下,以总RNA 中的总 mRNA 为模板,在反转录酶的作用下,合成总cDNA 的第一链,以两个引物所结合的单链cDNA (靶序列)为模板,在Taq 聚合酶的作用下进行PCR 扩增,合成双链目的cDNA (1)聚合酶链式反

36、应（PCR ）体外扩增DNA 技术 Polymerase chain reaction 应用该技术可在很短的时间内得到数百万个特异DNA 序列的拷贝 宏观与微观的联系 PCR 技术的基本原理：首先使双链DNA 在反应液中热变性而分开成单 链，然后在低温下与两个引物进行退火，使引物与单链DNA 配对结合 ，再在中温下利用Taq DNA 聚合酶的聚合活性及热稳定性进行聚合（ 延伸）反应。每经过一次变性、退火、延伸三个步骤为一个循环，通 过三个温度的不同循环。,PCR 反应体系的组成 a. 含靶序列的DNA 需用0.2-2g 基因组DNA b. 寡核苷酸（引物） 20-24个核苷酸 1 mol/ L

37、 尽量选择碱基随机分布的序列 GC含量尽可能接近50 % 避免因较长的互补序列而形成引物二聚体或发夹结构 使其5端带一罕有的限制酶序列，使扩增产物既含有目标序列，两侧 又带有限制酶切位点。 Taq DNA 聚合酶 工程酶（AmpliTaqTM ） 酶量为1-5u,d. 四种d NTP 50-200 mol/ L PCR缓冲液 10 mmol/ L Tris HCl（pH 8.3 ，于室温） 1.5 mmol/ L MgCl2 Mg2+ 为1.5 mmol/ L PCR 体外扩增DNA 操作过程 PCR 自动扩增仪 （2）PCR 扩增由 mRNA 反转录而成的cDNA 上游寡核苷酸引物 下游寡核

38、苷酸引物,DNA 体外重组是将目的基因（外源DNA 片段）用DNA 连接酶在体 外连接到合适的载体DNA 上，这种重新组合的DNA 称为重组DNA ，简称 重组体。 目的基因DNA 与质粒载体DNA 的连接 定向克隆法 当用两种不同的限制酶（如用BamH I和Hind III）消化外源DNA 时，可以产生带有非互补突出末端的外源DNA 片段。 排阻凝胶层析 以便与切下来的小片段分开 避免使用在多克隆位点上彼此直接相邻的限制酶切位点 粘性末端连接法 质粒载体和外源DNA 都可能发生自身环化或形成串联寡聚物 用碱性磷酸酶去除线状载体DNA 两端的5磷酸基团以尽量减少载,目的基因与克隆载体的体外重组

39、,体DNA 的自身环化或连接。 经去磷酸化的载体DNA 仍然可有效的与具有5末端磷酸的外源DNA 相连接，产生含有两个切口的环状重组DNA 分子，可直接转化并由宿主菌 修复切口。 这种带切口的环状DNA 的转化效率比线状DNA 高得多 应含有足量的载体DNA 平端连接法 平整末端连接属于低效反应 极高浓度的T4 噬菌体DNA 连接酶 高浓度的平整末端外源DNA 和质粒DNA 低浓度（0.5 mmol/ L）的ATP 不存在亚精胺一类的多胺,适量的凝聚剂 快速克隆法 需从纯化的凝胶中回收含目的条带的琼脂糖块，熔化后直接进行 质粒载体和外源DNA 的连接。 同聚物加尾法 末端转移酶可催化dNTP

40、加到单链或双链DNA 3羟基端的能力，在 目的DNA 和质粒载体上加入互补同聚物，两者在通过互补同聚物之间氢 键形成可转化大肠杆菌的开环重组分子。 采用GC加尾，即将dC残基加到双链cDNA 上，而将互补的dG残基加到 用Pst I消化的质粒载体上。 加合成接头或衔接头法,合成接头是化学合成的两个自相互补的核苷酸寡聚体（8-12bp ）而 两个寡聚体可形成带一个或一个以上限制酶切位点的平整末端双链体。 第一次反应是使平整末端的双链接头与平整末端的目的DNA 相连 第二次连接反应则是将加上接头的目的DNA 片段与带有匹配粘性末端 的载体DNA 相连接。 衔接头与接头不同，它是一小段带有一个平整末

41、端（与双链DNA 连接 ）和一个粘性末端（与载体的相应末端连接）的双链寡核苷酸。 其他转换末端形式连接法 （1）部分补平3凹端 （2）完全补平3凹端 （3）除3突出端,目的基因DNA 与噬菌体载体DNA 的连接 （1）用于构建真核基因组DNA 文库 （2）用于构建复杂的cDNA 文库 （3）用于亚克隆在粘性载体中增殖的外源目的DNA 序列 噬菌体载体臂DNA 的制备 酶切后将填充片段从载体臂中除去 用碱性磷酸酶处理酶切载体片段 用双酶切割载体 （1）常用蔗糖或氯化钠密度梯度离心法，也有用0.5 % 琼脂糖凝胶制 备电泳纯化载体臂。 （2）用碱性磷酸酶处理噬菌体臂,末端的5磷酸基团 这样能够有效

42、的防止自身环化。并降低载体左右臂连接以后所形成 的非重组载体的数目。 用碱性磷酸酶处理之前一定要使噬菌体臂的粘性末端退火并连接， 否则将抑制噬菌体多联体的形成，使下一步的包装效率大大降低。 （3）用双酶消化噬菌体载体 噬菌体载体臂与外源目的DNA 片段的连接 一个是载体臂与外源DNA 片段的比例 另一个是这两种DNA 片段在连接反应混合液中的浓度 一般都必须进行连接预试验，以检查其效率,以微生物（主要有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌） 受体细胞是指在转化和转导（感染）中接受外源基因的宿主细胞 （1）成感受态细胞 （2）应为限制酶缺陷型 （3）一般应为DNA 重组缺陷型 （4）不适于在人体内或在

43、非培养条件下生存 （5）它的DNA 不易转移，重组载体DNA 只在宿主中复制 大肠杆菌K12的突变型H B101和C600等作为当前重组DNA 的主要受 体菌。 把带有目的基因的重组质粒DNA 引入受体细胞的过程称为转化。 将重组噬菌体DNA 直接引入受体细胞的过程称为转染。,重组克隆载体引入宿主细胞的转化与感染,重组噬菌体DNA 被包装到噬菌体头部成为有感染力的噬菌体颗粒， 再以此噬菌体为运载体，这一过程称为转导，通常称为感染。 重组质粒DNA 引入大肠杆菌细胞的转化 感受态：细菌吸收转化因子（DNA ）的生理状态，细菌在体温下经 CaCl2 溶液处理，再做短暂加热后，会使受体细菌中诱导产生

44、出一种短 暂的感受态。 在此期间他们能够摄取各种不同来源的DNA 原生质体化假说和酶受体假说 用氯化钙制备新鲜感受态细胞及重组质粒DNA 的转化 存于-70C， 贮存时间过长会在一定程度上影响转化效率,用复合剂制备新鲜或冷冻的感受态细胞及重组质粒DNA 的转化 二价阳离子（MnCl2 和CaCl2 ）中更长时间，并且用氯化六氨合高钴、 D M S O 、DTT（二硫苏糖醇）等试剂复合处理细菌可提高转化效率。 高压电穿孔转化法（电转化法） 重组噬菌体DNA 的体外包装与感染 用噬菌体突变株（参与包装的基因发生突变）感染适当细菌，再从感 染细菌中制备包装提取物。用此提取物对完整的噬菌体DNA 进行

45、体外包装。 包装提取物的制备 （1）用两个不同的溶源性菌株制备包装提取物 BHB2690菌株，用超声破碎法处理制备含前头部的包装提取物 BHB2668菌株，用冻融裂菌法处理，制备含D蛋白和其他必需成分的包 装提取物。,大肠杆菌C菌株的非抑制性溶源菌SMR10 内源性噬菌体DNA 的COS 位点缺失，不能被A蛋白识别因而不能插入前 头部内，而带有COS 位点的外源DNA 则可被A蛋白识别并被插入前头部，包 装过程可继续进行，产生感染性噬菌体颗粒。 大肠杆菌C菌株缺少EcoK 限制系统，在包装过程中使含有未经修饰的 EcoK 识别位点的外源DNA 免受限制系统作用。 重组噬菌体DNA 的体外包装与

46、感染 （1）用两种不同的提取物进行体外包装和感染 （2）用一种提取物进行体外包装和感染 重组克隆载体导入哺乳动物细胞的转染 磷酸钙共沉淀转染 DEAE-葡聚糖介导的转染 利用Polybrene的DNA 转染 利用原生质体融合的DNA 转染,（2）只用一个溶源性菌株制备包装提取物,电穿孔法DNA 转染 受体细胞的型别、不同的培养细胞系、其摄取和表达外源DNA 的能力 相差达几个数量级。 （1）磷酸钙和DNA 共沉淀物转染法 重组载体以磷酸钙-DNA 共沉淀物形式出现，培养细胞摄取DNA 的能 力将显著提高。 最佳钙离子浓度为125 mmol/L，最佳DNA 浓度为5-30g/ ml 沉淀反应最佳

47、时间为20-30 min 细胞在沉淀物中的最佳暴露时间为5-42h （2）DEAE- 葡聚糖介导转染法 这一聚合物 可能与DNA 结合从而抑制核酸酶的作用， 或者与细胞结合从而促进DNA 的内吞作用,DEAE-葡聚糖的浓度及细胞暴露于DNA / DEAE-葡聚糖混合液的时间是两个大大影响本法效率的重要参数。 （3）利用Polybrene的DNA 转染法 （4）利用原生质体融合的DNA 转染法 用于克隆化目的基因的瞬时表达 用于建立稳定转化的哺乳动物细胞系 转染效率较高 （5）电穿孔法DNA 转染 受外加电场强度、电泳冲长度、温度、DNA的构象和浓度、培养液的离子成分的影响。,含目的基因重组的筛

48、选、鉴定与分析,重组体（菌）的筛选 抗生素抗性基因插入失活法 用某种限制酶消化并在此位点插入外源目的DNA 时，抗药性基因不在 被表达，称为基因插入失活。 b-半乳糖苷酶基因插入失活法 放射性标记核酸探针杂交筛选法 优点：具有高度的特异性和敏感性 它不要求插入的外源基因表达 先在一种固体支持膜（如硝酸纤维素滤膜、尼龙膜和Whatman541滤纸） 上原位裂解待筛选的细菌菌落并使释放出的DNA 固定于膜上，然后在溶液 中与放射性标记的核酸探针杂交，从而很容易的同时筛选大量菌落，从中 找出带有含目的基因重组质粒的菌落。 （1）切口平移法,（2）引物延伸法 纯化的DNA 与过量的随机引物相混合，煮沸

49、变性，然后用E。coliDNA 聚合酶I的Klenow 片段进行合成 （3）体外转录合成RNA 探针 一种是合成可与克隆于M13 噬菌体载体上的序列互补的单链DNA探针 另一种是将克隆于特定载体的靶序列转录成RNA 探针 只需要不含RNA 酶的DNA 酶I便可容易的除去DNA 模板 RNA 探针与DNA 和RNA 形成的杂交体更稳定也不会被Rnase消化，可用 该酶除去非特异结合的探针。 （4）cDNA 探针的合成 一种是用Oligo（dT）做引物 另一种则采用随机引物,某一特定序列的浓度得以提高。 （5）合成寡核苷酸探针 将菌落或噬菌斑原位转移或影印到硝酸纤维素滤膜上 裂解菌落或噬菌体并使释

50、放的DNA 原位结合与滤膜上 扣除杂交的方法，制取单链标记cDNA 吸收探针，使cDNA 探针中 固定于滤膜上的细菌DNA 或噬菌体DNA 与标记探针进行杂交 免疫化学筛选法 该法的特点是直接检测克隆基因所表达的蛋白质产物，故应用该法时 必须事先制备针对该蛋白质或多肽的抗血清或单克隆抗体，而最佳抗体应 当是与目的蛋白（抗原）不同表位反应的一组单克隆抗体混合物，或者是 不与宿主成分反应的高滴度多克隆抗体。,放射化学检测制剂可用抗第一抗体种特异性决定簇的125I标记抗抗体 或125I标记金黄色葡萄球菌A 蛋白。 酶法检测制剂可用与辣根过氧化物酶（H R P ）缀合的第二抗体或 与碱性磷酸酶（AP

51、）缀合的第二抗体形成不溶性有色沉淀。 重组体的鉴定 凝胶电泳鉴定法 标准方法 直接用溴化乙锭进行染色以确定DNA 在凝胶中的位置，并直接与紫外 灯下观察DNA 条带。 应有两条带：一条是泳动速度较慢分子量较大的带（相当于质粒载体DNA ） 另一条是泳动速度较快分子量较小的带（相当于目的 基因DNA 片段）,平板裂解物法和液体培养法 Southern转移杂交法 （1）琼脂糖凝胶电泳分离重组DNA 的限制酶切片段 （2）将DNA 从琼脂糖凝胶转移到固相支持体上 硝酸纤维素滤膜或尼龙膜 毛细管转移法 真空转移法 （3）放射性标记探针与固着于膜上的DNA 杂交 基因产物鉴定法 常用体外转译法对基因产物

52、进行鉴定。从细胞中提取的天然mRNA 或通 过克隆化的DNA在体外转录产生的mRNA，在无细胞提取液中能被翻译而合成 蛋白质，这些体外翻译反应产物可通过免疫沉淀或SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳 加以分析鉴定，对原核生物的基因产物进行鉴定，常用大肠杆菌或枯草芽,胞苷菌无细胞系统，而对真核生物基因产物常用兔网织红细胞裂解液或麦胚 提取物 重组DNA 的序列分析 一种是Sanger双脱氧链终止法（酶法）测序 另一种是Maxam-Gilbert DNA 化学降解法测序 1 Sanger双脱氧链终止法DNA 测序的主要试剂 （1）模板 （2）通用引物 （3）DNA 聚合酶I的Klenow 段、反转录酶、Taq

53、 DNA 聚合酶、测序酶、 测序酶2.0版 （4）采用32SdATP （5）采用诸如dITP或7-脱氮-dGTP,Sanger双脱氧链终止法测序过程 一是退火反应，即寡核苷酸引物与模板DNA 杂交 二是4组链延伸-链终止反应 96孔U形孔微量滴定板中进行 测序仪：P E公司推出的ABI PRISM310型全自动DNA 测序仪 310型测序仪采用毛细管电泳技术取代传统的聚丙烯酰胺凝胶平板 电泳进行DNA 测序分析，不仅具有DNA 测序、PCR 片段大小分析和定量分析功能，而且实现了全部操作自动化，包括自动灌胶、自动进样、自动数据收集分析。 377型测序仪采用四种荧光染料标记、激光检测的方法。,五

54、 目的基因在宿主细胞中的表达,基因表达在原核生物和真核生物中是有区别的，在原核生物中基因表 达是以操纵子形式进行，砖录是在核内进行，先生成hnRNA ，再加工去掉 内含子，修饰5和3末端才形成mRNA 。而mRNA 只能在细胞浆的核糖体 中转译成多肽或蛋白质，再经加工、糖化、形成高级结构。 原核细胞（主要是大肠杆菌） 真核细胞表达体系，如酵母与哺乳动物细胞系 目的基因在原核细胞中的表达 在大肠杆菌中表达合成完整天然蛋白 在细菌中表达原核蛋白时，首先必须选择带有可调控的强原核启动子 的表达载体。 噬菌体PL启动子、tac启动子和T7噬菌体10启动子 从外部同时提供启动子和有效的核糖体结合位点,起

55、始密码子（ATG）和Shine-D-algarno序列，后者简称SD序列 mRNA 上的SD序列与16SrRNA上的3端序列之间形成碱基配对，由此 带动核糖体与mRNA 的结合。 一种是可使克隆化目的基因表达为融合蛋白的一部分 融合蛋白由位于其氨基端的原核蛋白、能被蛋白酶或溴化氰裂解的序列以及目的蛋白三部分组成。 融合蛋白通常较稳定，易于鉴定并可用作抗原，也可产生不含氨基端甲硫氨酸的蛋白 高效表达 由双分子胰岛素原组成 另一种是外源蛋白的分泌型表达系统 融合到编码信号肽的DNA 中而实现的 可使蛋白质按适当方式折叠 通常产量不高,克隆化目的基因表达水平的提高与检测 RNA 不稳定、过早终止、无

56、效翻译及蛋白质不稳定 蛋白质缺陷型菌株 在培养和收获细胞期间使用蛋白酶抑制剂 通过提高目的蛋白的合成量加以克服 （1）运用定点诱变技术使核糖体结合位点（SD 序列和起始密码子ATG ） 周围的碱基对发生突变。 （2）试用不同表达水平的大肠杆菌宿主菌株，如利用转录终止缺陷型菌株 或RNA 代谢突变株，可提高功能性RNA 的合成量。 （3）在目的基因DNA 的下游装置一段DNA 序列 （4）通过改变温度、核糖体结合位点、启动子强度、质粒拷贝数或诱导物 的量。,目的基因在真核细胞中的表达 原核细胞对真核生物活性蛋白不能进行有效的翻译后加工 包括二硫键形成、糖基化、磷酸化、寡聚体形成、特异性蛋白裂解

57、真核蛋白比活力都很低，与蛋白质的折叠方式不正确或折叠效率低有关 真核细胞（如哺乳动物细胞）表达系统可以分为两类： 一类是采用病毒载体的表达系统 另一类是转染DNA 的表达系统 克隆化的目的基因必须插入适当的表达载体并在细菌中克隆和复制扩 增后才转染哺乳动物细胞。 用于在哺乳动物细胞中导入和表达克隆化目的基因的质粒载体经过改 造后既带有与待表达基因序列5端和3端相匹配的限制酶切位点，又带 有具备所需特异性的调控序列元件。 复制子、抗生素抗性基因、单一限制酶切位点,（1）启动子与增强子 根据用于表达重组基因的细胞型别来决定 TATA 25-30bp 引导RNA 聚合酶II在正确位点上起始RNA 的

58、合成 100-200bp 决定转录起始的速率 SV40早期基因增强子 （2）加poly（A）信号 一种是位于poly（A）位点下游的GU 丰富区或U丰富区 另一种是位于poly（A）位点上游11-30个核苷酸的一段高度保守的六 核苷酸序列A A U A A A。 （3）剪接信号 在一级转录物上加上poly（A）后通过剪接除去内含子并产生成熟的 mRNA ，然后在从细胞核转运到细胞质。,内含子最前面（G U）和最后面（A G）的两个核苷酸总是保持不变 剪接点之间的距离和周围的DNA 序列，包括剪接点侧翼的外显子序列的 改变，显著影响 mRNA 前体的剪接历程和剪接点的使用效率。 （4）用于复制和

59、选择的元件 病毒复制子 表达转染目的基因的重组细胞必须通过在同一细胞中引入另一种选择标 记基因才能得以识别分离。 将编码目的蛋白的目的基因（在一个质粒上）和编码选择标记蛋白的基 因用共转染方法同时导入哺乳动物细胞。,六 基因工程药物无性繁殖系的组建实例,人胰岛素原融合蛋白重组菌株的组建 重组表达质粒pJG202的构建与鉴定 重组质粒pJG202在大肠杆菌中的表达 人a2b型干扰素（hIFN-a2b）工程菌株的组建 双SD 顺序 hIFN-a2b基因的获得 重组表达质粒pMZI2 B的构建 人a2b型干扰素工程菌株的形成与基因的表达 粒细胞巨噬细胞集落刺激因子工程菌株的组建 R T-PCR 法制备GM-CSF cDNA GM-CSF重组表达载体与工程