第3節(jié)蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸選修3生物技術(shù)與工程

第3章

基因工程本節(jié)重點(diǎn)1、蛋白質(zhì)工程的概念與設(shè)計(jì)思路2、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用案例重組DNA技術(shù)使得分離、克隆任何天然存在的基因并令其在特定受體細(xì)胞中表達(dá)成為可能。該技術(shù)所使用的目的基因均是天然存在的，因而表達(dá)出的產(chǎn)物仍為天然蛋白質(zhì)。但不一定都能完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種適應(yīng)特殊環(huán)境而生存的需求，藥物蛋白多肽在機(jī)體內(nèi)半衰期較短等。比如，人類常規(guī)主食（尤其是水稻和玉米）中的必需氨基酸（如賴氨酸）含量偏低；工業(yè)用酶在高溫和有機(jī)溶劑生產(chǎn)環(huán)境中容易失活；以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念為指導(dǎo)，采用重組DNA技術(shù)在DNA分子水平上改變基因的序列和結(jié)構(gòu)，又稱第二代基因工程。可以對(duì)天然蛋白進(jìn)行理性改造，這種由人為突變或設(shè)計(jì)基因進(jìn)而操縱蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的過程，稱為蛋白質(zhì)工程，蛋白質(zhì)工程包括哪些方面？蛋白質(zhì)工程修飾改造天然蛋白設(shè)計(jì)制造全新蛋白基因定點(diǎn)突變：基因定向進(jìn)化：在DNA水平上改變蛋白質(zhì)特定位點(diǎn)的氨基酸序列在DNA水平上隨機(jī)改變蛋白質(zhì)任一位點(diǎn)的氨基酸序列為設(shè)計(jì)制作新型的突變蛋白提供理論依據(jù)。修飾改造天然蛋白一方面可實(shí)現(xiàn)氨基酸序列改造，優(yōu)化其功能；另一方面還可以確定多肽鏈中某個(gè)氨基酸殘基在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能上的作用，以收集有關(guān)氨基酸殘基線性序列與其空間構(gòu)象和生物功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，修飾改造天然蛋白實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模擬自然界進(jìn)化與適應(yīng)的循環(huán)漸進(jìn)過程?？蓪?shù)千萬年的自然進(jìn)化歷程縮短為數(shù)月、數(shù)周甚至數(shù)天的實(shí)驗(yàn)室過程。設(shè)計(jì)制造全新蛋白才能在更廣泛的氨基酸序列海洋里開發(fā)自然界并不存在、但自然界中天然蛋白質(zhì)的氨基酸序列大約只有1012種。蛋白質(zhì)工程的另一關(guān)鍵方面是根據(jù)我們所掌握的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能基本信息設(shè)計(jì)制造全新蛋白。假設(shè)蛋白質(zhì)平均由200個(gè)氨基酸構(gòu)成，按常見氨基酸種類進(jìn)行估計(jì)，氨基酸序列的可能性高達(dá)20200種，但理論上可行的蛋白質(zhì)資源。研究表明，人胰島素樣生長(zhǎng)因子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與人胰島素高度相似，怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？但它不像人胰島素那樣容易聚合形成多分子。人胰島素樣生長(zhǎng)因子在第28位和第29位氨基酸分別是賴氨酸和脯氨酸，而人胰島素在這兩處的氨基酸序列正好顛倒，因而推測(cè)這是人胰島素形成多分子形式的關(guān)鍵原因。為了證實(shí)這一猜想，需要更換人胰島素這兩個(gè)位點(diǎn)的氨基酸順序。已知，人胰島素B鏈基因中編碼第28位脯氨酸和第29位賴氨酸的序列分別為CCC和AAG。因此，只需在人胰島素基因中將原來的“CCCAAG”序列改造成“AAGCCC”，理論上便能在受體細(xì)胞中產(chǎn)生兩處氨基酸序列顛倒的突變型人胰島素。由于人胰島素B鏈基因較短，按照設(shè)計(jì)好的編碼序列進(jìn)行化學(xué)合成，是獲取這種突變型目的基因的首選方法。也可采取PCR獲取突變型目的基因因而這種突變型人胰島素被稱為“單體速效胰島素”（又稱“賴脯胰島素”）。（PCR對(duì)較長(zhǎng)的目的基因編碼序列更經(jīng)濟(jì)）：首先人工化學(xué)合成含有突變序列的突變引物和不含突變序列的正常引物，然后使用這兩種引物以人胰島素基因?yàn)槟０暹M(jìn)行PCR。研究證實(shí)，由這種突變的目的基因表達(dá)的突變型人胰島素不再聚合成多分子形式。將這種突變型人胰島素注射進(jìn)入患者體內(nèi)，降血糖速率大為提高，定點(diǎn)突變最后，根據(jù)我們的需求從中篩選出具有特定優(yōu)良功能或結(jié)構(gòu)的目的蛋白。針對(duì)某個(gè)特定的基因采用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，在過程中通過改變反應(yīng)條件（如使用低保真度的DNA聚合酶）故意讓DNA復(fù)制發(fā)生隨機(jī)錯(cuò)誤，便能創(chuàng)建一系列隨機(jī)突變的新基因序列；然后再將這些新基因序列導(dǎo)入合適的受體細(xì)胞中，表達(dá)出相應(yīng)的一系列隨機(jī)突變蛋白；定點(diǎn)進(jìn)化本堂小結(jié)1、蛋白質(zhì)工程采用重組DNA技術(shù)在DNA分子水平上改變基因的序列和結(jié)構(gòu)，對(duì)天然蛋白進(jìn)行理性改造，甚至可以設(shè)計(jì)并制造出全新的非天然蛋白，以滿足人類生產(chǎn)與生活的需求。由人為突變或設(shè)計(jì)基因進(jìn)而操縱蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的過程，稱為蛋白質(zhì)工程，又稱第二代基因工程。蛋白質(zhì)工程修飾改造天然蛋白設(shè)計(jì)制