蛋白质工程的崛起

专题1基因工程想一想•要想让某一生物的性状在另一生物中表达,在种内可以进行什么办法实现?•要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流应用什么方法?一、蛋白质工程崛起的缘由通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。1983年Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。满足人类生产和生活的需要改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性显著提高，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。例如．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。•你知道人类基因组计划吗?•它是指对人类基因组进行碱基对的测序。因为人类体细胞中有22对常染色体，每对染色体中的两个DNA分子结构基本相同，又由于X和Y这两个性染色体中DNA分子结构有较大差异，需要各自单独测序；所以对人类基因组测序实际上是指对人类体细胞中一套常染色体（22个）和X、Y这两个性染色体中共24个DNA分子的测序。你知道国际人类蛋白质组计划吗？人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”。温故知新蛋白质的结构及其多样性①氨基酸种类不同，肽链结构不同◇-◇-◇-◇-◇-◇-◇-◇-◇-◇★-★-★-★-★-★-★-★-★-★◎-◎-◎-◎-◎-◎-◎-◎-◎-◎蛋白质多样性原因②氨基酸数目成百上千，肽链结构不同③氨基酸排列顺序千变万化，肽链结构不同☆-☆-○-◎-◇-▲-△-●-□-◎-○-★-■-◇-★-◆-◆-□●-■-◎-○-☆-○-☆-□-◎-▲-★-◆-◇-★-◇-◆-□-△④肽链空间结构千差万别，蛋白质种类不同蛋白质的功能1、构成细胞和生物体结构的重要物质2、绝大多数酶是蛋白质，催化细胞内的化学反应3、有些具有运输载体功能4、信息传递作用，调节机体的生命活动5、免疫功能二、蛋白质工程的基本原理•1.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。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来实现？联系旧知识：DNA转录RNA翻译蛋白质逆转录复制复制中心法则：天然的蛋白质合成过程按照中心法则进行：基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能2.原理：中心法则的逆推3.基本途径：从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）4.概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。蛋白质工程流程图基因DNA氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构预期蛋白质功能分子设计DNA合成蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。讨论•某多肽链的一段氨基酸序列是:-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸－苯丙氨酸－•讨论１、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。２、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（ＤＮＡ）（1）mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。蛋白质工程与基因工程的区别是什么？（1）蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向的改造天然蛋白质，甚至制造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。（2）基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。（3）蛋白质工程则更进一步，可以根据分子预先设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对它所编码的蛋白质进行改造。因此，它的产品已不是天然的蛋白质，而是经过改造的，具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程而形成的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造好比是在实验室里加快了进化的过程。比较：基因工程蛋白质工程操作环境生物体外生物体外操作核心基因基因操作起点目的基因预期蛋白质功能基本过程剪切→拼接→导入→表达确定蛋白质功能→应有的高级结构→应具备的折叠状态→应有的碱基序列→改造的蛋白质结果人类需要的基因产物人类需要的新基因，可以创造出自然界不存在的蛋白质说明：1、蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。2、基因工程中的目的基因一般为自然存在的基因，而蛋白质工程中的基因不是自然存在的。三、蛋白质工程的进展和前景•1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关。•2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。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？理论上讲可以，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自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。