蛋白质工程流程功能综述

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1、【摘要】我们知道生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构性能 已经不能完全满足人类生产生活的需要。于是我们要对现有的蛋白质进行改造， 制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质来满足人类生产和生活的需要。于是 我们就需要预测蛋白质的空间结构。二级结构预测被认为是预测三维结构所经过 的一个阶段，即首先从一级结构预测出二级结构，然后把二级结构堆积成最后的 三维结构。折叠识别技术目前还不是特别可靠的技术，只有在序列相同比率在 30% 50%时，才有可能获得准确的估计。相关程序的结果也相当粗糙，大多数 情况下难以作为同源性建模研究的依据，但是它是大多数蛋白质结构预测信息唯 一可利用的工具。【

2、关键词】：蛋白质工程 结构预测 测序方法 应用【引言】20世纪70年代以来，对蛋白质的分子改造渐渐进入研究领域，通过对蛋白质 分子进行突变，得到具有新的表型和功能或者得到比原始蛋白相对活力更高的 突变体，对蛋白质的分子改造技术逐渐纯熟。已有研究表明，蛋白质工程在医药、 工业、农业等各行各业中均具有广阔的应用前景。随着蛋白质工程研究对象的扩 大和技术的成熟，其应用领域也将不断拓宽。一、蛋白质工程的诞生我们知道生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构性能 已经不能完全满足人类生产生活的需要。例如：干扰素是一种动物体内的抗病毒、 抗肿瘤的药物蛋白，但在体外保存相当困难，以及其需求量日益

3、增加。于是我们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的 蛋白质来满足人类生产和生活的需要。这样人们就开始了新一轮的探索，蛋白质 工程应运而生了。早在80年代初美国Genex公司K. U lm er第一次提出蛋白质工程概念，并 建立了专门研究实体，制定了相应研究开发计划。其后，以美国为首的几家生物 技术公司同时应用蛋白质工程技术得到几种蛋白质结构，标志着蛋白质工程正 式诞生。定义：是研究蛋白质分子结构规律与生物学功能的关系，对现有蛋白质加以定 向修饰改造、设计和剪切，构建生物学功能比天然蛋白质更加优良的新型蛋白。 从预期功能出发，设计期望结构、合成目的基因并有效表达或通过定向诱

4、变、定 向修饰和改造等一系列工序，合成优良蛋白三、蛋白质结构预测3,1测序整体介绍依据待预测的蛋白质结构与数据库中蛋白质序列同源度大小，蛋白质结构预 测的流程如图3. 1：图蛋白质结构瓣:的一般流程Fig.JJ The flow chart of protein structure predict3,2蛋白质二级结构预测在二级结构预测方面，主要有以下几种不同的方法，即立体化学方法、图论方法、 统计方法、最邻近决策方法、基于规则的专家系统方法、分子动力学方法和人工 神经网络方法。较传统的方法如Chou. Fasman方法，GOR方法，Lim方法等等， 这类方法总的特点是以原子间距，扭角或氢键模式

5、作为根据，但在实际预测中， 影响蛋白质构象的因素很难考虑周全。理论和实验表明，不同的氨基酸残基在不 同的局域环境下具有形成特定二级结构的倾向性，因此在一定程度上，二级结构 的预测可以归结为模式识别问题。二级结构预测的目标就是预测某一个片段中心 的残基是a螺旋，还是6折叠，或是其它。尽管人们己经建立了许多二级结构的 预测方法，但其准确率一般都不超过70%。这很可能是由于这些方法大都只利 用序列的局部信息，预测时考虑的局部序列长度一般小于20个氨基酸残基。因 为局部序列对二级结构的影响只占65%左右，所以在预测蛋白质二级结构时， 需要考虑全局信息和进化信息等。二级结构预测被认为是预测三维结构所经过

6、的一个阶段，即首先从一级结构预测 出二级结构，然后把二级结构堆积成最后的三维结构。3,3蛋白质三维结构预测三维结构预测是指从蛋白质的一级结构出发测定未知的蛋白质的空间结构， 这是蛋白质结构预测的最终目标。目前还没有一种预测方法能得到比较满意的结 果，不过最近的发展十分令人鼓舞，产生了一些有一定作用的三维结构预测方法。 并且随着对蛋白质结构规律和折叠规律的进一步认识，蛋白质三维结构预测已经 转变为如何有效的搜索构象空间和如何区分出天然结构和错误结构的问题。x射线晶体衍射方法和多维核磁共振技术是目前测定蛋白质结构的主要方 法，但实验方法耗资耗时，且受实验条件的限制，因此利用数学和计算机技术预 测蛋

7、白质结构具有十分重要的意义。蛋白质一级结构决定其空间结构是蛋白质结 构预测的基础。目前，从理论上预测蛋白质结构的方法通常有基于知识的预测（同 源模建，折叠识别）和从头预测。基于知识的预测依赖于人们对于蛋白质结构规 律的认识，其基础是对于已知的蛋白质结构进行分析，总结结构规律，因而，用 这种方法无法产生全新结构。从头预测不需要已知结构信息，直接从蛋白质序列 预测其空间结构，在理论上是一种理想的方法。四、测序方法4,1折叠识别方法折叠识别是近年来发展起来的种比较新的方法。它可以应用到没有同源结构的 情况中，并且不需要预测二级结构，便可以直接预测蛋白质的三级结构，是一种 很有潜力的预测方法。折叠识别

8、方法的主要原理是把未知蛋白的序列和己知的结 构进行匹配，找出一种或几种匹配最好的结构作为未知蛋白质的预测结构。它的 实现过程是总结出己知的独立的蛋白质结构模式作为未知结构进行匹配的模板， 然后用经过对现有的数据库的学习总结出的可以区分正误结构的平均势函数，作 为判别标准来选择出最佳的匹配方式。这种方法的局限性在于它假设蛋白质的折 叠类型是有限的，所以只有未知蛋白质和已知蛋白质结构相像的情况下，才有可 能预测出未知的蛋白质结构。折叠识别技术目前还不是特别可靠的技术，只有在序列相同比率在30% 一 50%时，才有可能获得准确的估计。相关程序的结果也相当粗糙，大多数情况下 难以作为同源性建模研究的依

9、据，但是它是大多数蛋白质结构预测信息唯一可利 用的工具。4,2同源模建方法同源模建方法也称为比较模建法(Comparative Modeling)，是一种基于知识的蛋 白质结构预测方法。目前主要是指同源结构预测，它是在未知蛋白质有同源结构 可以参考的情况下应用的一种技术，是目前最为成熟的蛋白质结构预测方法. 蛋白质根据序列同源性可以分为不同的家族，一般认为，序列相似性大于30% 的蛋白质可能由同一祖先进化而来，称为同源蛋白质，同源模建的理论基础是在 进化过程中蛋白质的三维结构的保守性远大于序列的保守性，因此，已知同源蛋 白质家族中某些蛋白质的结构，就可以预测其它一些序列己知而结构未知的同源 蛋

10、白质的结构，可以用同源模建的方法预测未知蛋白质的三级结构。一般而言对 于同源性为60%的蛋白质可以建张红娟：基于非格点模型的蛋白质结构预测研 究立高精度的模建模型，主链原子的预测误差大约为1埃；同源性大于60%的 蛋白质其预测结果将接近于试验得到的测试结果；同源性低于30%的蛋白质难 以得到理想的结构模型，并且随着同源性的降低，模型误差会迅速增加。五、蛋白质工程应用利用生物细胞因子进行人类疾病治疗的独到作用已越来越被人们重视，基 因工程技术诞生后首先就被用于人生长激素释放抑制因子、胰岛素等医用蛋白 质产品开发，大大降低了用于治疗的成本。利用大肠杆菌进行真核生物蛋白质表 达会遇到生物活性低等问题

11、，解决这些问题的出路一是研究开发新的表达系统， 如酵母、哺乳动物细胞等,这方面已取得很大的成效。另一方面就需要借助蛋 白质工程，如利用分子设计和定点突变技术获得胰岛素突变体的工作国内外都 取得了相当多的成果，此外，干扰素、尿激酶等蛋白质工程也都取得进展，即 将得到长效、速效、稳定、作用更广的蛋白质药物。医用蛋白质的市场广大, 待开发的产品也非常之多。此外，利用蛋白质工程技术进行分子设计，通过肽模 拟物(peptidomimetics)构象筛选药物等方面研究更加丰富了蛋白质工程的内 容。95,2工业用酶的蛋白质工程以酶的固定化技术为核心的酶工程是本世纪继生物发酵工程后又一次创造 出巨大工业应用价

12、值的现代生物工程技术，蛋白质工程在这一领域应用可以说 前景最看好。通过酶的结构或局部构象调整、改造，可大大提高酶的耐高温、抗 氧化能力，增加酶的稳定性和适用pH范围，从而获得性质更稳定、作用效率 更高的酶用于食品、化工、制革、洗涤等工业生产中，这方面已取得了许多成功 的先例，如食品工业中用于制备高果糖浆的葡萄糖异构酶，用于干酷生产的凝 乳酶，用于洗涤工业的枯草杆菌蛋白酶等蛋白质工程产品都将开发使用。10 5,3病毒疫苗的蛋白质工程疫苗在病毒等病原引起的人及畜禽传染性疾病的预防中起着不可替代的作用， 从制备疫苗的途径来说已有几代产品，目前如乙肝等基因工程疫苗已开始得到 应用。通过抗原移植、构建各

13、种颗粒体、活载体及多价疫苗的研究已经成为 生物技术领域的研究热点，但也遇到一些问题，主要是移植抗原三级结构没有 完全恢复天然状态，因而使得抗原性不够理想。蛋白质工程技术将在今后的疫 苗改造中发挥重要的作用，不但可使抗原性得到最大的提高，还可使重组疫苗 抗病作用更加广泛。近年来越来越多的病毒精细结构的阐明正在为开展蛋白质 工程奠定基础。抗体不仅在哺乳动物机体中担负着重要的体液免疫功能，还在医学、生物 学免疫诊断中被广泛地应用。本世纪证明了抗体是一类免疫球蛋白，并相继阐 明了抗体产生及其多样性的细胞和分子机制，使免疫学研究成为生命科学前沿 领域。同时抗体的制备技术也经历着一次又一次革命，由血清抗体

14、到杂交瘤单 克隆抗体，再到基因工程抗体库技术，可谓日新月异。单克隆抗体给人类疾病的 药物导向治疗带来了曙光，但应用上遇到鼠抗体对人具有免疫原作用的问题， 蛋白质工程已成功用于解决这个问题。通过结构分析表明，抗体可变区内具有 6个互补决定区(CDR )起与抗原结合作用，其它区域做为支架(FR )维持构象， 通过CDR移植已构建了 30多种改型的人源化鼠抗，并通过序列分析比较和计算 机模拟进行分子设计，对FR区特定碱基进行替换，保证了改型后抗体亲和力 不下降，这种抗体有人称之为第二代基因工程抗体，亦即蛋白质工程抗体。可以 相信，蛋白工程在未来改造抗体中还将发挥更大作用，目前有人研究通过抗体 的多样

15、性从抗体库中筛选具有酶活性的分子，从而得到抗体酶。115,5分子生物学基础研究及其它以上提到的只是蛋白质工程应用上的几个具有代表性的领域，实际上它的 作用远非如此。随着蛋白质工程研究对象的扩大和技术的成熟，其应用领域也 将不断拓宽，除用于直接生产蛋白质产品外，也将通过操作生物体内蛋白质而 获得特定的生物性状。有人根据植物叶绿体中1,5二磷酸核酮糖羧化酶、加 氧酶双重活性，提出通过蛋白质工程途径提高其还原能力、降低氧化能力从而 提高光合效率的设想，目前进行了大量探索工作，一旦成功必将给农业生产带 来巨大的效益。六、总结研究蛋白质的结构意义重大，分析蛋白质结构、功能及其关系是蛋白质组计 划中的一个

16、重要组成部分。蛋白质结构的研究，有助于了解蛋白质的作用，了解 蛋白质如何行使其生物功能，认识蛋白质与蛋白质(或其它分子)之间的相互作 用，这无论是对于生物学还是对于医学和药学，都是非常重要的。可以预见，随 着新方法的不断涌现以及已有方法的有效结合，蛋白质结构预测研究将得到飞速 的发展。【参考文献】【1】李林.蛋白质组学的进展.生物化学与生物物理进展.2000, 27(3)： 227231.【2】阎隆飞，孙之荣.蛋白质分子结构.北京：清华大学出版社，1999.【3】罗静初.基于Pc/ kinux的分子生物信息数据库查询系统.科学通报.2000, 45(9): 10061008.【4】王彦力，来鲁华，韩玉真等.新型平均势函数在蛋白质反向折叠中的应用.生 物物理学报1995, 11： 6774.【5】来鲁华等.蛋白质的结构预测与分子设计.北京：北京大学出版社，1993, 461.【6】 陈宏.2003.基因工程原理与应用.北京：中国农业出版社【7】郁子扬，张立煌.细胞因子重组融合蛋白研究进展J.中国肿瘤生物治 疗杂志，2004, 11(2): 148-150.