第三节蛋白质工程-PPT.pptx

第三节蛋白质工程蛋白质工程崛起得缘由蛋白质工程崛起得缘由1 1、基因工程得应用、基因工程得应用2 2、天然蛋白质得不足、天然蛋白质得不足 天然蛋白质就是生物在长期进化过程中形成得天然蛋白质就是生物在长期进化过程中形成得,它们得结构与功能符合特定物种生存得需要它们得结构与功能符合特定物种生存得需要,却不却不一定完全符合人类生产与生活得需要。一定完全符合人类生产与生活得需要。蛋白质工程崛起得缘由蛋白质工程崛起得缘由1 1、基因工程得应用、基因工程得应用2 2、天然蛋白质得不足、天然蛋白质得不足3 3、蛋白质工程得目得、蛋白质工程得目得生产符合人类生产与生活得需要得蛋白质。生产符合人类生产与生活得需要得蛋白质。满足人类生满足人类生产与生活得产与生活得需要需要例如例如:改造改造干扰素（半胱氨酸）干扰素（半胱氨酸）体外很难保存体外很难保存干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年体外可以保存半年v干扰素就是一种抗病毒、抗肿瘤得药物。将人得干扰素得干扰素就是一种抗病毒、抗肿瘤得药物。将人得干扰素得cDNAcDNA在在大肠杆菌中进行表达大肠杆菌中进行表达,产生得干扰素得抗病毒活性为产生得干扰素得抗病毒活性为106 U/mg106 U/mg,只只相当于天然产品得十分之一相当于天然产品得十分之一,虽然在大肠杆菌中合成得虽然在大肠杆菌中合成得-干扰素干扰素量很多量很多,但多数就是以无活性得二聚体形式存在。为什么会这样但多数就是以无活性得二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现？如何改变这种状况？研究发现,-干扰素蛋白质中有干扰素蛋白质中有3 3个半胱个半胱氨酸氨酸(第第1717位、位、3131位与位与141141位位),),推测可能就是有一个或几个半胱氨推测可能就是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确得二硫键。研究人员将第酸形成了不正确得二硫键。研究人员将第1717位得半胱氨酸位得半胱氨酸,通过通过基因定点突变改变成丝氨酸基因定点突变改变成丝氨酸,结果使大肠杆菌中生产得结果使大肠杆菌中生产得-干扰素干扰素得抗病性活性提高到得抗病性活性提高到108 U/mg108 U/mg,并且比天然并且比天然-干扰素得贮存稳定干扰素得贮存稳定性高很多。性高很多。满足人类生满足人类生产与生活得产与生活得需要需要又如又如:玉米中赖氨酸玉米中赖氨酸含量比较低含量比较低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶(352352位得苏氨酸位得苏氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶(104104位得天冬酰胺位得天冬酰胺)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶(异亮氨酸异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸异亮氨酸)玉米中赖氨酸含玉米中赖氨酸含量可提高数倍量可提高数倍改造改造改造改造一、蛋白质工程得概念一、蛋白质工程得概念1 1、概念概念:蛋白质工程就是指通过物理化学与生物化学等技蛋白质工程就是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质得结构与功能术了解蛋白质得结构与功能,并借助计算机辅助设并借助计算机辅助设计、基因定点诱变与重组计、基因定点诱变与重组DNADNA技术改造基因技术改造基因,以定向以定向改造天然蛋白质改造天然蛋白质,甚至创造自然界不存在得蛋白质甚至创造自然界不存在得蛋白质得技术。得技术。基因工程是其中的关键技术基因工程是其中的关键技术,蛋白质工程是在基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。因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。基础基础:实质实质:途径途径:目标目标:了解蛋白质得结构与功能得关系了解蛋白质得结构与功能得关系基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成改造或制造新得蛋白质改造或制造新得蛋白质,满足人类得生产或满足人类得生产或生活得需要生活得需要就是对编码蛋白质得基因进行改造就是对编码蛋白质得基因进行改造一、蛋白质工程得概念一、蛋白质工程得概念2、理理解解转录转录DNADNAmRNAmRNA翻译翻译肽链肽链折叠折叠等等具有空间结具有空间结构得蛋白质构得蛋白质表达生物特有表达生物特有得功能或性状得功能或性状天然蛋白质得合成过程天然蛋白质得合成过程?遵循中心法则遵循中心法则,并需经过高级空间结构得转变并需经过高级空间结构得转变究究探探作作合合逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译蛋白质蛋白质复制复制复制复制天然蛋白质得合成天然蛋白质得合成遵循中心法则遵循中心法则纳纳归归题题问问转录转录DNADNA复制复制转录转录DNADNA复制复制思考思考:对天然蛋白质进行改造对天然蛋白质进行改造,您认为应您认为应该直接对蛋白质分子进行操作该直接对蛋白质分子进行操作,还就是还就是通过对基因得操作来实现？通过对基因得操作来实现？应该从对基因得操作来实现对天然蛋应该从对基因得操作来实现对天然蛋白质改造白质改造,主要原因如下主要原因如下:(1 1)任何一种天然蛋白质都就是由基因编码任何一种天然蛋白质都就是由基因编码得得,改造了基因即对蛋白质进行了改造改造了基因即对蛋白质进行了改造,而而且改造过得蛋白质可以遗传下去。如果对且改造过得蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造蛋白质直接改造,即使改造成功即使改造成功,被改造过被改造过得蛋白质分子还就是无法遗传得。得蛋白质分子还就是无法遗传得。(2 2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作容易操作,难度要小得多。难度要小得多。究究探探续续继继蛋白质工程得实质就是对编码蛋白质得基因进行改蛋白质工程得实质就是对编码蛋白质得基因进行改造造!结构分析结构分析功能分析功能分析结构预测结构预测与设计与设计基因工程基因工程(关键技术关键技术关键技术关键技术)蛋白质纯化蛋白质纯化不不断断完完善善蛋白质工程基本原理示意图蛋白质工程基本原理示意图二、蛋白质工程得原理二、蛋白质工程得原理12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流 根据人们对蛋白质功能得特定需求根据人们对蛋白质功能得特定需求,对蛋白质得结构进行分子设计。对蛋白质得结构进行分子设计。1 1、目标、目标:2 2、原理、原理:改造基因改造基因(基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成)二、蛋白质工程得原理二、蛋白质工程得原理纳纳归归题题问问、途径途径:预期得蛋白质功能出发预期得蛋白质功能出发设计预期得蛋白质结构设计预期得蛋白质结构推测应有得氨基酸序列推测应有得氨基酸序列找到相对应得脱氧核苷酸序列找到相对应得脱氧核苷酸序列(基因基因)纳纳归归题题问问预期预期功能功能DNADNA合成合成分子分子设计设计生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠图图图图1-291-29蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程得主要步骤通常包括蛋白质工程得主要步骤通常包括:(1)从生物体中分离纯化目得蛋白从生物体中分离纯化目得蛋白;(2)测定其氨基酸序列测定其氨基酸序列;(3)借助核磁共振与借助核磁共振与X射线晶体衍射等手段射线晶体衍射等手段,尽可能地了解蛋尽可能地了解蛋 白质得二维结构白质得二维结构(构象构象)与三维晶体结构与三维晶体结构(空间结构空间结构);(4)设计各种处理条件设计各种处理条件,了解蛋白质得结构变化了解蛋白质得结构变化,包括折叠与去包括折叠与去折叠等对其活性与功能得影响折叠等对其活性与功能得影响;(5)设计编码该蛋白得基因改造方案设计编码该蛋白得基因改造方案,如点突变如点突变;(6)分离、纯化新蛋白分离、纯化新蛋白,功能检测后投入实际使用。功能检测后投入实际使用。实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件1、了解蛋白质得结构与功能得关系资料资料1:1:蛋白质得分子设计与改造蛋白质得分子设计与改造 蛋白质工程首先就是以蛋白质得结构为基础蛋白质工程首先就是以蛋白质得结构为基础,通过蛋白通过蛋白质得一级结构、晶体结构与溶液构象得研究质得一级结构、晶体结构与溶液构象得研究,积累了成千积累了成千上万蛋白质一级结构与高级结构得数据资料上万蛋白质一级结构与高级结构得数据资料,并编制成系并编制成系统得数据库统得数据库,得以从中找出蛋白质分子间得进化关系、一得以从中找出蛋白质分子间得进化关系、一级结构与高级结构得关系、结构与功能得关系方面得规律。级结构与高级结构得关系、结构与功能得关系方面得规律。实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件实施蛋白质工程得前提条件1、了解蛋白质得结构与功能得关系X射线衍射仪核磁共振仪器蛋白质结构蛋白质得一级结构蛋白质得一级结构 蛋白质得二级结构蛋白质得二级结构 胰岛素得三级结构胰岛素得三级结构血红蛋白质得四级结构血红蛋白质得四级结构 血红蛋白分子血红蛋白分子就就是由二个由就就是由二个由141个氨基酸残基个氨基酸残基组成得组成得亚基与二亚基与二个由个由146个氨基酸个氨基酸残基组成得残基组成得亚基亚基按特定得接触与按特定得接触与排列组成得一个排列组成得一个球状蛋白质分子球状蛋白质分子,每个亚基中各有每个亚基中各有一个含亚铁离子一个含亚铁离子得血红素辅基。得血红素辅基。实施蛋白质工程得关键2、用基因工程得方法改造蛋白质资料资料2:2:蛋白质作为生物大分子就是生物化学与分子生物学得研究蛋白质作为生物大分子就是生物化学与分子生物学得研究重点重点,大量蛋白质被分离纯化大量蛋白质被分离纯化,测定了它们得结构、性质与生物学作测定了它们得结构、性质与生物学作用。分子生物学有关基因组得研究用。分子生物学有关基因组得研究,也可以用以推测出一些未知蛋也可以用以推测出一些未知蛋白质得结构与功能。采用定位诱变得方法白质得结构与功能。采用定位诱变得方法,可以对编码蛋白质得基可以对编码蛋白质得基因进行核苷酸密码子得插入、删除、置换与改组因进行核苷酸密码子得插入、删除、置换与改组,其结果为分子改其结果为分子改造提供新得设计方案。现有得蛋白质就是生物长期进化得结果造提供新得设计方案。现有得蛋白质就是生物长期进化得结果,蛋蛋白质工程则就是对生物进化得模拟白质工程则就是对生物进化得模拟,按照蛋白质形成得规律按照蛋白质形成得规律,改造蛋改造蛋白质或构建新得蛋白质。白质或构建新得蛋白质。蛋白质得改造通常需要先经周密得分子设计蛋白质得改造通常需要先经周密得分子设计,然后依赖基因然后依赖基因工程获得突变型蛋白质工程获得突变型蛋白质,以检验其就是否达到了预期得效果。如果以检验其就是否达到了预期得效果。如果改造得结果不理想改造得结果不理想,还需要从新设计再进行改造还需要从新设计再进行改造,往往经历多次实践往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能得预定目标。摸索才能达到改进蛋白质性能得预定目标。实施蛋白质工程得关键2、用基因工程得方法改造蛋白质 改造类型改造类型改造类型改造类型操作程序操作程序大改大改大改大改 中改中改中改中改小改小改小改小改 设计、制造出自然界不存在的设计、制造出自然界不存在的全新蛋白质全新蛋白质替代某一个肽段或一个替代某一个肽段或一个特定的结构域特定的结构域改造某个活性单位的一个或几改造某个活性单位的一个或几个氨基酸残基个氨基酸残基（定点诱变技术）（定点诱变技术）核心技术 基因定点诱变技术得示意图基因定点诱变技术得示意图 改变蛋白质结构得核心技术之一改变蛋白质结构得核心技术之一 PCRPCR诱变引物定向突变基因受体细胞目的蛋白质基因工程基因工程表达表达定点诱变技术定点诱变技术27基因定点诱变技术得理解基因定点诱变技术得理解项目项目内容内容条条件件原料原料酶酶引物引物能量能量 操作方法操作方法 法法结果结果适应范围适应范围后代中半数为诱变得分子后代中半数为诱变得分子脱氧核苷酸脱氧核苷酸聚合酶与连接酶聚合酶与连接酶含突变顺序得分子片段含突变顺序得分子片段空间结构完全清楚得蛋白质空间结构完全清楚得蛋白质思考思考:基因定点诱变技术与基因突变得比较基因定点诱变技术与基因突变得比较比较比较基因定点诱变基因定点诱变基因突变基因突变相相同同点点发生得发生得过程过程结果结果不不同同点点场所场所手段手段方向方向DNADNA复复制过程中制过程中产生新基因产生新基因,从而产生新性状从而产生新性状生物体外生物体外生物体内生物体内定向改造定向改造不定向性不定向性PCRPCR技术技术物理化学方法物理化学方法实例实例:胰岛素改造胰岛素改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体与六天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体与六聚体聚体,延缓胰岛素从注射部位进入血液延缓胰岛素从注射部位进入血液,从而延缓从而延缓了其降血糖作用了其降血糖作用,这就是胰岛素这就是胰岛素B23-B29B23-B29氨基酸残氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基(将胰岛素将胰岛素B B链由链由:B28B28脯氨酸脯氨酸B29B29赖氨酸赖氨酸 B28B28赖氨酸赖氨酸B29B29脯氨酸脯氨酸),),则则可降低其聚合作用可降低其聚合作用,使胰岛素快速起作用使胰岛素快速起作用(单体速单体速效胰岛素效胰岛素)。该速效胰岛素已通过临床实验。该速效胰岛素已通过临床实验。目前目前目前目前,空间结构完全清楚得蛋白质数量还比较少空间结构完全清楚得蛋白质数量还比较少空间结构完全清楚得蛋白质数量还比较少空间结构完全清楚得蛋白质数量还比较少,对于那些不能预对于那些不能预对于那些不能预对于那些不能预 得蛋白质得蛋白质得蛋白质得蛋白质,可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。虽然目得性与可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。虽然目得性与可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。虽然目得性与可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。虽然目得性与针对性比不上定点诱变针对性比不上定点诱变针对性比不上定点诱变针对性比不上定点诱变,但就是因为突变位点多但就是因为突变位点多但就是因为突变位点多但就是因为突变位点多,有时甚至会产生出有时甚至会产生出有时甚至会产生出有时甚至会产生出意想不到得改造效果。意想不到得改造效果。意想不到得改造效果。意想不到得改造效果。三、蛋白质工程得应用三、蛋白质工程得应用 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科得一些前蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科得一些前蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科得一些前蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科得一些前沿领域得最新成就沿领域得最新成就沿领域得最新成就沿领域得最新成就,它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶得研究推进到崭新得时代质与酶得研究推进到崭新得时代质与酶得研究推进到崭新得时代质与酶得研究推进到崭新得时代,为蛋白质与酶在工业、为蛋白质与酶在工业、为蛋白质与酶在工业、为蛋白质与酶在工业、农业、医药与环境保护等方面得应用开拓了诱人得前农业、医药与环境保护等方面得应用开拓了诱人得前农业、医药与环境保护等方面得应用开拓了诱人得前农业、医药与环境保护等方面得应用开拓了诱人得前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要得蛋白质得新时期。人类需要得蛋白质得新时期。人类需要得蛋白质得新时期。人类需要得蛋白质得新时期。1 1 1 1、改造酶结构、改造酶结构、改造酶结构、改造酶结构,有目得地提高酶得热稳定性与催化活性有目得地提高酶得热稳定性与催化活性有目得地提高酶得热稳定性与催化活性有目得地提高酶得热稳定性与催化活性2 2 2 2、生物制药、生物制药、生物制药、生物制药“鼠鼠鼠鼠人嵌合抗体人嵌合抗体人嵌合抗体人嵌合抗体”、“对对对对t-PAt-PAt-PAt-PA得改造得改造得改造得改造”3 3 3 3、疾病诊断、疾病诊断、疾病诊断、疾病诊断:利用蛋白质芯片检测与诊断利用蛋白质芯片检测与诊断利用蛋白质芯片检测与诊断利用蛋白质芯片检测与诊断SARSSARSSARSSARS病毒病毒病毒病毒异亮氨酸异亮氨酸苏氨酸苏氨酸天门冬酰胺天门冬酰胺天门冬酰胺天门冬酰胺酵母菌丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶热稳定性热稳定性提高提高5050工业生产上三、蛋白质工程得应用三、蛋白质工程得应用1 1 1 1、改造酶结构、改造酶结构、改造酶结构、改造酶结构,提高酶得热稳定性提高酶得热稳定性提高酶得热稳定性提高酶得热稳定性 实例实例实例实例:鼠抗体鼠抗体鼠抗体鼠抗体人抗体人抗体人抗体人抗体恒定区恒定区恒定区恒定区恒定区恒定区恒定区恒定区可变区可变区可变区可变区可变区可变区可变区可变区嵌合抗体嵌合抗体嵌合抗体嵌合抗体对人体的不良反应减少对人体的不良反应减少对人体的不良反应减少对人体的不良反应减少制药领域上制药领域上2 2 2 2、鼠、鼠、鼠、鼠人嵌合抗体人嵌合抗体人嵌合抗体人嵌合抗体3 3 3 3、对对对对t-PAt-PAt-PAt-PA得改造得改造得改造得改造”:纤维蛋白溶解酶原激活因子中得天门纤维蛋白溶解酶原激活因子中得天门纤维蛋白溶解酶原激活因子中得天门纤维蛋白溶解酶原激活因子中得天门 冬酰胺替换为谷氨酰胺延长了其在血冬酰胺替换为谷氨酰胺延长了其在血冬酰胺替换为谷氨酰胺延长了其在血冬酰胺替换为谷氨酰胺延长了其在血 液循环中得停留时间液循环中得停留时间液循环中得停留时间液循环中得停留时间4 4 4 4、蛋白质芯片检测与诊断、蛋白质芯片检测与诊断、蛋白质芯片检测与诊断、蛋白质芯片检测与诊断SARSSARSSARSSARS病毒病毒病毒病毒(阅读阅读阅读阅读)蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在得蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在得蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在得蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在得基因与蛋白质基因与蛋白质基因与蛋白质基因与蛋白质,而且能够在分子水平上对基因与蛋白质进而且能够在分子水平上对基因与蛋白质进而且能够在分子水平上对基因与蛋白质进而且能够在分子水平上对基因与蛋白质进行再设计与改造行再设计与改造行再设计与改造行再设计与改造,进而创造出自然界不存在得进而创造出自然界不存在得进而创造出自然界不存在得进而创造出自然界不存在得基因与蛋白质。当然基因与蛋白质。当然基因与蛋白质。当然基因与蛋白质。当然,蛋白质工程中还有许多理论与技术蛋白质工程中还有许多理论与技术蛋白质工程中还有许多理论与技术蛋白质工程中还有许多理论与技术问题有待研究与探索问题有待研究与探索问题有待研究与探索问题有待研究与探索,但就是但就是但就是但就是我们可以相信我们可以相信我们可以相信我们可以相信,蛋白质工程得发展前景一定非常广阔！蛋白质工程得发展前景一定非常广阔！蛋白质工程得发展前景一定非常广阔！蛋白质工程得发展前景一定非常广阔！项目项目项目项目基因工程基因工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程操作起点操作起点操作起点操作起点操作核心操作核心操作核心操作核心过程过程过程过程目标目标目标目标结果结果结果结果联系联系联系联系目得基因目得基因 预期得蛋白质功能预期得蛋白质功能 基因表达载体基因表达载体基因基因获取目得基因获取目得基因构建表达载体构建表达载体导入受体细胞导入受体细胞目得基因得检测与表达目得基因得检测与表达预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测氨基酸序列推测核苷酸序列推测核苷酸序列合成合成DNA DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质定向改造生物得遗传特定向改造生物得遗传特性性,获得人类所需得生获得人类所需得生物类型或生物产品物类型或生物产品定向改造或生产人定向改造或生产人类所需得蛋白质类所需得蛋白质生产自然界中已有生产自然界中已有得蛋白质得蛋白质蛋白质工程就是在基因工程得基础上蛋白质工程就是在基因工程得基础上,延延伸出来得第二代基因工程。因为对现有蛋伸出来得第二代基因工程。因为对现有蛋白质得改造或制造新得蛋白质白质得改造或制造新得蛋白质,必须通过必须通过基因得修饰或基因得合成。基因得修饰或基因得合成。生产自然界没有生产自然界没有得蛋白质得蛋白质