3.3.4

蛋白質(zhì)工程基因工程的概念基因工程是指按照人們的愿望，通過體外

轉(zhuǎn)基因

等技術(shù)，賦予生物以新的

遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。由于基因

工程是在DNA

分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，因此又叫做重組DNA技術(shù)。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程在原則上只能生產(chǎn)

自然界已存在

的蛋白質(zhì)，這些天然蛋白質(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生存的需要，

卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活

的需要。例如，干擾素是動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋

白質(zhì)，可以用于治療病

毒

的感染和癌癥，但在體外保存相當(dāng)困難。如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，那么在-70C的條件下，可以保存半年。改造后的干擾素(-70℃可保存半年)干擾素(體外保存困難)改造第一個(gè)

堿基第二個(gè)堿基第三個(gè)

堿基UCAGU苯丙氨酸絲氨酸酪氨酸半胱氨酸U苯丙氨酸絲氨酸酪氨酸半胱氨酸C亮氨酸絲氨酸終止終止、硒代半胱氨酸A亮氨酸絲氨酸終止色氨酸GC亮氨酸脯氨酸組氨酸精氨酸U亮氨酸脯氨酸組氨酸精氨酸C亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸GA異亮氨酸蘇氨酸天冬酰胺絲氨酸U異亮氨酸蘇氨酸天冬酰胺絲氨酸C異亮氨酸蘇氨酸賴氨酸精氨酸A甲硫氨酸(起始)蘇氨酸賴氨酸精氨酸GG纈氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸U纈氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸C纈氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A纈氨酸、甲硫氨酸(起始)丙氨酸谷氨酸甘氨酸GmRNA:U

GUmRNA:U

CUmRNA:UGU→

U

CU

干擾素基因：

一個(gè)堿基對(duì)的替換改造后的干擾素(-70℃可保存半年)干擾素(體外保存困難)改造變

為

絲氨酸改造后的干擾素(-70℃可保存半年)改造或合成翻譯多肽鏈

mRNA半胱氨酸

變?yōu)楦脑焱茰y(cè)折疊干擾素(體外保存困難)蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))目的

基因轉(zhuǎn)錄預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)行使設(shè)計(jì)目的

基因行使蛋白質(zhì)二、蛋白質(zhì)工程的基本原理天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照中心法則進(jìn)行的：基因

→表達(dá)(轉(zhuǎn)錄和翻譯)

→形成氨基酸序列

的多肽鏈

→

形成具有

高級(jí)結(jié)構(gòu)

的蛋白質(zhì)→行使生物功能；而蛋白質(zhì)工程卻與之相反，它的基本

途徑是：從預(yù)期的

蛋白質(zhì)功能出發(fā)

→

設(shè)計(jì)預(yù)期的

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

→

推測(cè)應(yīng)有的

氨基酸序列

→

找到相對(duì)應(yīng)的

脫氧核苷酸序列(基因)。預(yù)期功能生物功能改造或合成(三維結(jié)構(gòu))多肽鏈推測(cè)轉(zhuǎn)錄翻譯折疊mRNA設(shè)計(jì)目的

基因行使蛋白質(zhì)三、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)

物功能

的關(guān)系作為基礎(chǔ)，

通

過基因修飾

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)，

以滿足人類生

產(chǎn)和生活的需求。也就是說.蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上.延伸出來的

第二代基因工程

是包含多學(xué)科的綜合科技工程領(lǐng)域。預(yù)期功能生物功能改造或合成(三維結(jié)構(gòu))多肽鏈推測(cè)轉(zhuǎn)錄翻譯折疊mRNA左圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)?/p>

它們體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃

色熒光蛋白等。

這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤

的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么,科學(xué)

家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢?科學(xué)家解析綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上采用定點(diǎn)突變的技術(shù)改造綠色熒光蛋白基因，使其編碼的蛋白質(zhì)的第203位蘇

氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了黃色熒光蛋白。晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等綠色熒光蛋白功能黃色熒光蛋白掌握相互關(guān)系依據(jù)改造綠色熒光蛋白基因綠色熒光蛋白結(jié)構(gòu)表達(dá)掌握綠色熒光蛋白結(jié)構(gòu)

綠色熒光蛋白功能相互關(guān)系依據(jù)表達(dá)改造綠色熒光蛋白基因

黃色熒光蛋白三、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

及

其生物功能的

關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基

因

修

飾

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)

，以滿足人類生

產(chǎn)和生活的需求。也就是說.蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上.延伸出來的

第二代基因工程

是包含多學(xué)科的綜合科技工程領(lǐng)域。晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等玉米中賴氨酸的含量比較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩種關(guān)鍵酶—

天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性

.

受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度

的影

響較大。賴氨酸達(dá)到一定濃度就會(huì)

抑制

這兩種酶的活性，所以賴氨酸含量

很難提高。如果我們將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二

氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片

和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程區(qū)別過程獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→

目的基因的檢測(cè)與鑒定預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)相應(yīng)核苷

酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)結(jié)果生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中沒有的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程，二者都是通過基因表達(dá)產(chǎn)生特定的蛋白質(zhì)。基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較四、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的