蛋白質(zhì)工程的崛起：課件一(29張PPT)

1、基因工程的不足：基因工程的不足： 在原則上只能生產(chǎn)基因，這些天然蛋白質(zhì)是在原則上只能生產(chǎn)基因，這些天然蛋白質(zhì)是生物在生物在長(zhǎng)期進(jìn)化長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種的生存需要，卻不一定完全符合符合特定物種的生存需要，卻不一定完全符合 。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程就是為了生產(chǎn)出符合人就是為了生產(chǎn)出符合人類生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì)，甚至是類生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì)，甚至是自然界不存在的蛋白質(zhì)。自然界不存在的蛋白質(zhì)。滿足人類滿足人類生產(chǎn)和生生產(chǎn)和生活的需要活的需要3、例如：、例如：改造改造干擾素干擾素（半胱氨酸）（半

2、胱氨酸）體外很難保存體外很難保存干擾素（絲氨酸）干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量比較低玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨天冬氨酸激酶酸激酶二氫吡啶二二氫吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶前體物前體物賴氨酸賴氨酸二、蛋白質(zhì)工程的

3、概念二、蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。生產(chǎn)和生活的需求。前提前提：原理原理：目的：目的：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修飾或基因合成）定向改造或制造蛋白質(zhì)定向改造或制造蛋白質(zhì)三、蛋白質(zhì)工程的基本原理三、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因基因DNA氨基酸序列氨基

4、酸序列多肽鏈多肽鏈蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期功能預(yù)期功能生物功能生物功能mRNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯折疊折疊DNA合成合成分子設(shè)計(jì)分子設(shè)計(jì)基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的常用方法是基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的常用方法是PCR法。法。突變點(diǎn)：突變點(diǎn)：人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技術(shù)（定點(diǎn)突變?cè)噭┖校┘夹g(shù)（定點(diǎn)突變?cè)噭┖校┠康模耗康模韩@得定點(diǎn)突變的基因獲得定點(diǎn)突變的基因2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（成或改造目的基因（DNA）？）？可以通過(guò)人工合成的方法獲取或基因的定可以通過(guò)人工合成的方法獲取或基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來(lái)改變。點(diǎn)誘變技

5、術(shù)來(lái)改變。 蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例1水蛭素改造水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由它有多種變異體，由65或或66個(gè)氨基酸殘基組成。水個(gè)氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，的設(shè)計(jì)方案，將將47位的位的Asn（天

6、冬酰胺）變成（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第使其與分子內(nèi)第4或第或第5位位Thr（蘇氨酸）間形成氫（蘇氨酸）間形成氫鍵來(lái)幫助水蛭素鍵來(lái)幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高抗端肽段的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高了凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高了4倍，在動(dòng)物模型倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。2 2生長(zhǎng)激素改造生長(zhǎng)激素改造生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還可以結(jié)合長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，

7、還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過(guò)程。許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過(guò)程。在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過(guò)改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催相同，有可能通過(guò)改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長(zhǎng)激素受乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而

8、它與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合則無(wú)需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基體結(jié)合則無(wú)需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第的氨基酸側(cè)鏈，如第1818和第和第2121位位HisHis（組氨酸）和第（組氨酸）和第1717位位GluGlu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。為臨床用藥還有大量的工作要做。3胰島素改造胰島素改造天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增

9、加了抗原性，這是胰島素了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。島素快速起作用。該速效胰島素已通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒

10、（學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激）胸腺嘧啶激酶（酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏缺乏,從而阻斷從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。的合成，殺死癌細(xì)胞。HSVTK催化能催化能力可以通過(guò)基因突變來(lái)提高。從大量的隨機(jī)突力可以通過(guò)基因突變來(lái)提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶變中進(jìn)行篩選出一種酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6個(gè)氨基酸被替換，催化能力個(gè)氨基酸被替換，催化能力20倍以上。倍以上。蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅介紹了幾個(gè)例子

11、。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋介紹了幾個(gè)例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強(qiáng)有力的工具，它在解決生物白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強(qiáng)有力的工具，它在解決生物理論方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究理論方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并論。方法相提并論。1、 蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)象是（）氨基酸結(jié)構(gòu) B蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu) C肽鏈結(jié)構(gòu) D基因結(jié)構(gòu) 練習(xí)：練習(xí)：2、 下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B蛋白質(zhì)工程是在分

12、子水平上對(duì)蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過(guò)的新型蛋白質(zhì)分子D蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程3 3以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法正確的是（）A A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)B B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸C C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造D D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì) 4 4蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（）蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DNA合成預(yù)期蛋白質(zhì)功能根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A B C D5 5蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，其結(jié)果產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是（）A氨基酸種類增多 B氨基酸種類減

13、少C仍為天然存在蛋白質(zhì) D可合成天然不存在蛋白質(zhì)1、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？旁欄思考題旁欄思考題人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然領(lǐng)域一項(xiàng)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。2003年，年，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)

14、科學(xué)家牽頭執(zhí)行的執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭的；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭的“人類人類血將蛋白質(zhì)組計(jì)劃血將蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)

15、，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)?；A(chǔ)。隨后，相繼啟動(dòng)了由德國(guó)、瑞士、英國(guó)、加拿大和日本等國(guó)牽頭的隨后，相繼啟動(dòng)了由德國(guó)、瑞士、英國(guó)、加拿大和日本等國(guó)牽頭的各類蛋白質(zhì)組計(jì)劃。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工各類蛋白質(zhì)組計(jì)劃。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。程的有力推動(dòng)和理論支持。2、對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)、對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？來(lái)實(shí)現(xiàn)？答：毫無(wú)疑問(wèn)

16、應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改答：毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下造，主要原因如下（1）、任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基）、任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造。即使過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造。即使改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。（2）、對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接進(jìn)行改造要容易）、對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接進(jìn)行改造要容易操作，難度要小得多。操作，難度要小得多。異想天開異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？白質(zhì)食品呢？理論講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。一理論講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。一些報(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是些報(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往