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1、一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景思考：如果想让某一个生物的性状思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？的方法有哪些？1、在种内可以用什么方法？、在种内可以用什么方法？ 杂交育种杂交育种 2、在种间可以用什么方法？、在种间可以用什么方法？基因工程育种基因工程育种 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质基因工程的实质： 将一种生物的将一种生物的 转移到另转移到另一种生物体内，后者产生它本不能一种生
2、物体内，后者产生它本不能产的产的 ，进而表现出，进而表现出 。基因基因蛋白质蛋白质新的性状新的性状试回顾总结基因工程的丰硕成果试回顾总结基因工程的丰硕成果植物方面植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质改良植物的品质改良植物的品质改良植物的品质动物方面动物方面提高动物生长速度提高动物生长速度提高动物生长速度提高动物生长速度改善畜产品的品质改善畜产品的品质改善畜产品的品质改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体用转基因动
3、物作器官移植的供体用转基因动物作器官移植的供体用转基因动物作器官移植的供体研制药物研制药物基因治疗基因治疗 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的这些蛋白质的结构和功能结构和功能符合符合特定物种特定物种生存的需要，却不一定完生存的需要，却不一定完全符合全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性：例如：例如：n干扰素是由动物体内的效应干扰素是由动物体内的效应T T细胞细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗有病毒引起的感染。同时，在
4、治疗癌症方面也有十分可观的疗效。但癌症方面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在体外保存相当困难。是，干扰素在体外保存相当困难。 如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨半胱氨酸酸变成变成丝氨酸丝氨酸，在，在-70oC的条件下，的条件下，可以保存可以保存半年半年。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改造改造n玉米中赖氨酸的含量比较低。玉米中赖氨酸的含量比较低。赖氨酸的合成机理：赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质前体物质赖氨酸赖氨酸负反馈调节负反馈调节
5、天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（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）n在已研究过的在已研究过的几千种几千种酶中，只有酶中，只有极极少数少数可以应用于工业生产，绝大多可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然酶虽然在自然状态下有活性在自然状态下有活性，但，但在在工业生产中没有活性或活性很低工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应这是因为工业生产中
6、每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快下，大多数酶会很快变性失活变性失活。 目前科学家尝试通过目前科学家尝试通过对蛋白质对蛋白质结构结构的改造，来的改造，来延长酶的半衰期，提高酶延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性要氨基酸氧化引起的活性丧失等，取得了一定的进丧失等，取得了一定的进展。展。n n延长干扰素的体外保存时间延长干扰素的体外保存时间n n提高提高玉米中赖氨酸的含量玉米中赖氨酸的含量
7、n n提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性 这些在科学研究和工业生产中亟这些在科学研究和工业生产中亟待解决的难题均无法通过待解决的难题均无法通过基因工程基因工程来来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着眼于人们开始着眼于对现有蛋白质的改造对现有蛋白质的改造，以及以及制造目前从天然蛋白质中找不到制造目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质的蛋白质。就这样，。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运应运而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。二、蛋白质工程的基本原理1、基因工程的基本原理中中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图心法则告诉我们遗传信息的
8、流动方向如图 ：结论结论：蛋白质的功能是由蛋白质的蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，决定的，蛋白质的结构是由蛋白质的结构是由_决定的决定的。结构结构DNA（基因）（基因）2 2、蛋白质工程的目标：、蛋白质工程的目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能功能的特定需的特定需求，对蛋白质的求，对蛋白质的分子结构分子结构进行进行分子设分子设计计。 对天然蛋白质进行改造，你对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对认为应该直接对蛋白质分子蛋白质分子进行进行操作，还是通过对操作，还是通过对基因基因的操作来的操作来实现？为什么？实现？为什么？需要通过对基因的操作来实现。蛋白质工程流程图1.从预期的蛋白质功能
9、出发从预期的蛋白质功能出发2.设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构3.推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列4.找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列(基因基因)讨论：讨论： 某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸- -色氨酸色氨酸- -赖氨酸赖氨酸- -甲硫氨酸甲硫氨酸- -苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC （1 1）怎样得出）怎样得出决定这一段肽链决定这一段肽链的脱氧核苷酸序的脱氧核苷酸序列？
10、请把相应的列？请把相应的碱基序列写出来。碱基序列写出来。每种氨基酸都有对应的三联密码子每种氨基酸都有对应的三联密码子,只要查一下遗传只要查一下遗传密码子表密码子表,就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码多个三联密码子编码,因此其碱基排列组合起来就比因此其碱基排列组合起来就比较复杂较复杂,至少可以排列出至少可以排列出16种。同学们可以根据学过种。同学们可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推
11、出密码子推出mRNA序列为序列为GCU（或（或C或或A或或G）UGGAAA（或（或G）AUGUUU（或（或C），再根据），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或（或G或或T或或C）ACCTTT（或（或C）TACAAA（或（或G）。）。（2 2） 确定目的基因的碱基确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改序列后，怎样才能合成或改造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？ 可以通过可以通过人工合成人工合成的方法的方法获取或获取或基因的定点诱变技术基因的定点诱变技术来来改变。改变。 基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是基因会发生突变，突
12、变可以自发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家化学家MM史密斯（史密斯（1932193220002000）发明）发明定点突变法定点突变法之前，之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于突变。这类方法属于随机突变随机突变，突变株必须在生物性状上，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就或遗传方法找到
13、此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，是说，这种突变是盲目的这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却而史密斯发明的定点突变法却是有目的的是有目的的，该法可，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变基因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为变是预先设定好的，所以也有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来性突破的方法竟然是史密斯和
14、其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。基因或蛋白质的功能。蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1 1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2 2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3 3）借借助助核核磁磁共共振振和和X X射射线线晶晶体体衍衍射射等等手手段段，尽尽可可能能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构; ;（4 4）设设计计各各种种处
15、处理理条条件件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化，包包括括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5 5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。异亮氨酸半胱氨酸蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念n蛋白质工程是指以蛋白质分子的蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律结构规律及其与及其与生物功能生物功能的关系作为基础，通过的关系作为基础，通过基基因修饰因修饰或或基因合成基因合成，对现有蛋白质进行，对现有蛋白质进行改改造或
16、制造一种新的蛋白质造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对，以满足人类对生产和生活的需求。生产和生活的需求。前提前提：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能原理原理：改造基因（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成）目的：目的： 定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质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适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？要的蛋白质食品呢？ 理论上是可行的，但目前还没理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。有真正成功的例子。三
17、、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1、蛋白质工程的进展：（1）对胰岛素的改造胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和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，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利用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。该合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素速效胰岛素已通过临床
18、实验。已通过临床实验。（2）对）对水蛭素的改造水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由制剂，它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体变异体HV2的设计方案，将的设计方案，将47位的位的Asn（天冬酰（天冬酰胺）变成胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第（赖氨酸），使其与分
19、子内第4或或第第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高栓形成的效果，提高20倍。倍。（3）对生长激素的改造生长激素的改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体催乳激素受体，引
20、，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨
21、基需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第酸侧链，如第18和第和第21位位His（组氨酸）和第（组氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。作为临床用药还有大量的工作要做。（4）应用于微电子方面 生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。2 2、蛋白质工程的现状、蛋白质工程的现状 蛋白质工程目前的现状：蛋白质工程目前的现状：成功的例成功的例子不多，子不多，主要是因为蛋白质
22、发挥其功主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，而能需要依赖于正确的高级结构，而科科学家目前对大多数蛋白质的高级结构学家目前对大多数蛋白质的高级结构了解很少，了解很少，要设计出更加符合人类需要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。3、蛋白质工程的前景：活动3 比较基因工程和蛋白质工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程相同点相同点都要改造基因，都属于分子水平都要改造基因，都属于分子水平产生新的产生新的基因型，无新基因基因型，无新基因基因（型）基因（型）产生的蛋白质产生的蛋白质原有的原有的新的新的联系联系蛋白质工程以基因工程为基础，蛋白质
23、工程以基因工程为基础，是基因工程的应用和延伸是基因工程的应用和延伸蛋白质工程与基因工程的关系：蛋白质工程与基因工程的关系： 项目项目基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程操作起点操作起点实质实质结果结果基本流程基本流程联系联系目的基因目的基因目的基因目的基因预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能实现基因的异体实现基因的异体实现基因的异体实现基因的异体表达表达表达表达定向改造或生产人定向改造或生产人定向改造或生产人定向改造或生产人类所需要的蛋白质类所需要的蛋白质类所需要的蛋白质类所需要的蛋白质生产自然界没有的生产自然界没有的生产自然界没有的生产自然界没有的蛋白质蛋白质蛋白
24、质蛋白质生产自然界已存在生产自然界已存在的蛋白质的蛋白质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。蛋白质组计划蛋白质组计划基因组计划基因组计划启动时间启动时间 20012001年成立组织年成立组织19901990年正式启动年正式启动主要内容主要内容 “ “肝脏蛋白质肝脏蛋白质” ”和和“ “血浆蛋白质血浆蛋白质” ”研究研究测定人类基因组测定人类基因组2424条染条染色体上全部色体上全部DNADNA序列序列参加国家参加国家 1616个国家，个国家，8080多个实多个实验室验室6 6个国家，中国是唯一个国家，中国是唯一的发展中国家的发展中国家我国承担我国承担任务任务牵头执行牵头执行“ “人类肝脏人类肝脏蛋白质组计划蛋白质组计划” ”承担承担1%1%的测序工作的测序工作意义意义揭示并确认肝脏（血揭示并确认肝脏（血浆）蛋白质为重大疾浆）蛋白质为重大疾病预防、诊断、治疗病预防、诊断、治疗和新药研发提供科学和新药研发提供科学基础，推动支持蛋白基础，推动支持蛋白质工程质工程遗传病的诊断和治疗，遗传病的诊断和治疗，揭示基因表达的机理揭示基因表达的机理1、从预期的蛋白质功能出发、从预期的蛋白质功能出发2、设计预期的蛋白质结构、设计预期的蛋白质结构3、推测应有的氨基酸序列、推测应有的氨基酸序列4、找到相应的脱氧核苷酸序列、找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）
