合理的分子设计与工程化蛋白质药物
药物化学中的分子设计与合成
药物化学中的分子设计与合成药物化学是以药物为核心的研究领域，旨在研究药物的化学性质、结构活性关系以及药物合成、修改和改进等方面的问题。
而药物的研制和发展的核心则是分子设计与合成。
本文将从这两个方面深入剖析药物化学的基础和进展。
一、分子设计药物的分子设计是药物研发过程中最早最重要的一步。
分子设计可以通过深入研究药物的靶点结构及其生物活性，系统性结合药物的机制研究、药物代谢、药物毒理学等多方面信息，根据药物作用机理设计出具有高生物活性和良好药物性质的化合物。
1. 靶点基因与分子作用机制药物的靶点是药物疗效的关键，因此在分子设计阶段需要充分了解药物目标靶点的结构及功能。
随着化合物筛选技术的日益完善，药物化学家们不仅了解分子在靶点上的拟合情况，还可以通过靶点基因结构、表达、作用机理等信息，从分子的角度去探索药物作用的真正机理，进一步指导分子设计。
2. 三维定量构效关系研究三维定量构效关系是一种综合性较强的分子构效关系分析方法。
应用该方法可以对分子中的活性团分析、构象选择、配位形式等进行定量比较，并结合药理理论和统计学进行综合分析和判断。
3. 药物分子模拟计算药物分子的模拟计算是一种基于分子电荷、几何结构、能量势能等多方面信息建立数学模型，并运用量子力学、分子动力学等手段进行计算模拟的方法。
这一方法可以从分子的物理化学性质出发，预测分子的构象、活性团与靶点的互作、药代恶性及毒理危害等多种属性。
二、分子合成分子合成是药物化学中最具体的实验步骤之一，是分子设计的核心产物。
分子合成是指将分子设计中设计好的化合物，通过多级反应得到目标分子的过程。
分子合成对于分子的结构和性质有着极大的影响，尤其是对于药物疗效和毒性具有重要的影响。
1. 固相合成固相合成是一种在最近几十年中发展起来的合成手段，特别适用于小分子有机合成和蛋白质多肽合成。
在这种方法中，配有保护基固相树脂被填充在反应器中，赋予反应器与物理屏蔽机制，提高了反应物的活性，从而加速了反应的进程。
蛋白质结构解析的方法及应用
蛋白质结构解析的方法及应用蛋白质是生命体中最重要的生物大分子之一，对于理解其结构和功能具有重要意义。
蛋白质结构解析是研究蛋白质结构和功能的方法，包括实验方法和计算方法。
本文将介绍常用的蛋白质结构解析方法及其应用。
一、实验方法1.X射线晶体学：这是目前最常用的蛋白质结构解析方法。
该方法通过将蛋白质结晶并通过X射线进行衍射，通过对衍射图样进行分析得到蛋白质的结构信息。
X射线晶体学方法可以获得高分辨率的蛋白质结构，但需要获得高质量的蛋白质晶体。
2.核磁共振（NMR）：这是另一种常用的蛋白质结构解析方法。
该方法利用核磁共振对蛋白质进行谱学分析，获得蛋白质的结构信息。
与X射线晶体学相比，NMR能够解析非晶态结构，对于大分子蛋白质的结构研究更具优势。
3.电子显微镜（EM）：通过电子显微镜对蛋白质进行图像分析，可以获得蛋白质的低分辨率结构。
EM方法适用于大型蛋白质或复合物的结构解析。
4.力场或二次元核磁共振（2DNMR）：该方法通过测定蛋白质的3D立体结构来了解相继层之间的关系。
力场模拟计算了蛋白质的3D结构以及与周围环境的相互作用，并在密度功能理论下进行全能量优化，得到真实体系的最佳结果。
5.质谱法：利用质谱法可以获得蛋白质的质量和序列信息，并间接推断蛋白质的结构。
特别是质谱联用技术的发展，使得蛋白质的分析更为精确和高效。
二、计算方法1.分子模拟：分子模拟是一种通过数值计算模拟来预测分子结构和行为的方法。
分子动力学模拟（MD）模拟蛋白质在实验室无法观察到的时间尺度上的运动，能够揭示蛋白质在动力学和热力学方面的特性。
2.卷积神经网络（CNN）：这是一种人工神经网络，可以通过学习已知的蛋白质结构来预测未知蛋白质的结构。
CN2的发展使得蛋白质的结构预测更加准确和高效。
3.机器学习：机器学习方法可以根据已知的蛋白质结构和序列信息进行训练，并预测未知蛋白质的结构和功能。
机器学习方法可以从大量的蛋白质数据中学习，并建立模型进行预测。
小分子与蛋白互作的研究和药物设计
小分子与蛋白互作的研究和药物设计小分子药物是指分子量较小、小于500Dalton，容易在体内被吸收、分布、代谢、排泄的药物。
小分子药物广泛应用于临床治疗，但也存在诸多的问题，如副作用多、靶点选择有限、治疗效果不佳等。
随着生物技术和计算机技术的发展，越来越多的研究表明，小分子药物与蛋白质的结合是发挥药效的本质过程之一。
因此，对小分子与蛋白互作的研究和药物设计的重视与研究也逐渐加强。
一、小分子与蛋白互作的研究方法了解小分子与蛋白互作的研究方法对药物设计至关重要。
研究方法主要包括分子对接、生物传感、结构生物学、蛋白质工程和表观基因组学等。
1. 分子对接分子对接是一种计算模拟方法，利用计算机预测小分子与目标蛋白的结合模式，并评估其亲和性和稳定性。
分子对接主要通过建立小分子和蛋白质的球形模型，研究分子相互作用。
2. 生物传感生物传感主要是利用生物体系发现和筛选小分子靶点的方法。
传感分子如传递RNA和小分子报告基因被用于蛋白-蛋白相互作用的高通量筛选。
生物传感技术有效从数千个小分子中筛选出目标小分子，用于治疗多种疾病。
3. 结构生物学结构生物学是一种观察蛋白质三维结构的方法。
它可以通过X射线晶体学和核磁共振技术等方法来解析分子结构。
通过这种方法可以研究小分子与蛋白质之间的相互作用模式及其生物学意义。
4. 蛋白质工程蛋白质工程是一种改变蛋白三级结构、调整蛋白质分子之间相互作用等方法，用于改变蛋白质特性，以获得更好的医学效果。
例如，人类胰岛素的合成和利用就需要蛋白质工程技术。
5. 表观基因组学表观基因组学是研究基因组DNA序列以外对基因组影响的领域，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰等，已被证明是小分子与蛋白相互作用的一个重要领域。
基于这种新型生物化学效应，现在已经可以用于治疗某些癌症等疾病。
二、小分子与蛋白互作与药物设计了解小分子与蛋白互作的研究方法后，接下来重点介绍一下在这个领域中的药物设计。
1. 仿生小分子药物仿生小分子药物通常模拟生物大分子的三级结构，以识别和选择靶标，并优化药效，减少毒副作用，延长用药时间等。
蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用蛋白质的化学合成和修饰以及利用基因工程进行蛋白质表达是人类认识和利用蛋白质的巨大的飞跃。
然而人们并不能满足于此, 因为不论是蛋白质的人工合成还是天然蛋白质的化学修饰都存在很多局限, 如得到的多肽长度、成本、修饰专一性等问题。
相比之下基因工程表达蛋白质有很大的优势,但离达到人们所需要的蛋白质的性能还有很大距离。
这就向蛋白质的研究利用提出了更高的要求, 蛋白质工程恰恰能够满足这个要求。
蛋白质工程就是通过对蛋白质结构和功能关系的认识, 按人类的需要通过基因工程途径定向地改造和创造蛋白质的理论及实践。
医用蛋白质工程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, 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(pep t idom im et ics) 构象筛选药物等方面研究更加丰富了蛋白质工程的内容。
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。
蛋白质工程介绍如何通过蛋白质工程改善蛋白质的性质和功能
蛋白质工程介绍如何通过蛋白质工程改善蛋白质的性质和功能蛋白质工程是一门旨在通过改变蛋白质的结构和功能来满足特定需求的科学领域。
通过蛋白质工程，可以改善蛋白质的性质和功能，从而应用于生物医药、工业生产等领域。
本文将介绍蛋白质工程的原理和方法，以及其在蛋白质性质和功能改善方面的应用。
一、蛋白质工程的原理和方法1.1 定点突变定点突变是蛋白质工程中常用的方法之一，通过人为改变蛋白质的氨基酸序列，使其具备新的性质和功能。
这种方法可以通过DNA重组技术来实现，即将目标蛋白质的编码基因进行特定修改，以获取所需的突变蛋白质。
1.2 蛋白质重组蛋白质重组是通过将目标蛋白质的基因导入到其他生物表达系统（如细菌、酵母、昆虫细胞或哺乳动物细胞）中，利用其表达和大规模生产能力来制备目标蛋白质。
这种方法可以通过调节表达系统的条件来改善蛋白质的产量和纯度，从而实现对蛋白质性质和功能的调控。
1.3 结构改造结构改造是指通过人工设计和改变蛋白质的三维结构，从而改变其性质和功能。
这种方法可以通过模拟计算、蛋白质折叠和细胞内修饰等方式来实现。
结构改造可以使蛋白质具备新的结构域或功能模块，从而扩展其应用领域。
二、蛋白质工程对蛋白质性质和功能的改善2.1 增强稳定性蛋白质工程可以改变蛋白质的结构，从而增强其在不同环境条件下的稳定性。
例如，通过定点突变或结构改造，可以增加蛋白质的热稳定性或耐酸碱性，使其更适用于工业生产或医药应用中。
2.2 改善特异性蛋白质工程还可以改善蛋白质的特异性，使其更加准确地与目标分子结合。
通过定点突变或结构改造，可以调控蛋白质与底物或配体的亲和力，从而实现对特定分子的选择性识别。
2.3 提高活性蛋白质工程可以通过改变蛋白质的结构和氨基酸序列，提高其生物活性和催化能力。
例如，通过定点突变或结构改造，可以增加酶的催化效率、选择性和稳定性，从而推动相关生物反应的进行。
2.4 扩展功能蛋白质工程可以通过改变蛋白质的结构和功能模块，赋予其新的功能。
人工合成蛋白质如何设计和合成具有新功能的蛋白质
人工合成蛋白质如何设计和合成具有新功能的蛋白质蛋白质是生命体内的重要基础物质，在细胞代谢、信号传导、免疫系统等方面起着关键作用。
然而，自然界存在的蛋白质种类有限，其功能也受到限制。
为了创造具有新功能的蛋白质，人们开展了人工合成蛋白质的设计与合成研究。
本文将介绍人工合成蛋白质的设计原理和合成方法，以及如何实现具有新功能的蛋白质。
一、蛋白质设计原理1. 结构基础：蛋白质的结构由氨基酸序列决定，氨基酸通过多肽键连接成链，然后折叠形成特定的三维结构。
理解蛋白质的结构是设计新功能蛋白质的基础。
2. 功能模块：蛋白质通常由多个功能模块组成，不同的模块负责不同的功能。
通过组合和调整这些功能模块，可以创造出具有新功能的蛋白质。
3. 作用机制：蛋白质的功能是通过与其他分子相互作用实现的。
理解蛋白质的作用机制是设计新功能蛋白质的关键。
二、人工合成蛋白质的设计方法1. 蛋白质工程：通过基因工程技术改变蛋白质的氨基酸序列，实现蛋白质的结构和功能的改变。
常用的方法包括点突变、插入、删除等。
2. 碱基转录：将DNA序列转录成RNA序列，再通过翻译过程合成蛋白质。
通过改变DNA序列，可实现蛋白质合成的精确控制。
3. 蛋白质片段组装：将不同的蛋白质片段进行组装，创造出新的蛋白质。
片段可以是来自自然界已存在的蛋白质，也可以是人工设计的片段。
三、人工合成蛋白质的合成方法1. 化学合成法：利用化学合成方法合成氨基酸及其衍生物，然后通过化学反应将氨基酸连接成链，并进行必要的修饰。
这种方法适用于小分子的蛋白质。
2. 酶催化法：利用特定的酶催化反应合成蛋白质。
这种方法可以在温和的条件下进行，对于大分子蛋白质非常有效。
3. 遗传密码扩展法：通过扩展遗传密码，引入新的氨基酸，从而合成具有新功能的蛋白质。
这种方法可以在细胞内进行，实现对蛋白质合成过程的精确调控。
四、实现具有新功能的蛋白质1. 蛋白质演化：通过蛋白质的突变和选择，实现具有新功能的蛋白质的筛选和优化。
蛋白质工程设计和改造具有新功能的蛋白质
蛋白质工程设计和改造具有新功能的蛋白质蛋白质是生物体内最重要的功能分子之一，不仅在细胞中扮演关键角色，还具有广泛的应用价值。
蛋白质工程设计和改造是一门研究如何通过修改蛋白质的原始结构和功能，使其获得新的性质和特性的领域。
这种技术不仅可以揭示蛋白质的结构与功能之间的联系，还可以创造出具有新功能的蛋白质，广泛应用于医学、工业、农业等领域。
一、蛋白质工程设计的基本原理蛋白质工程设计基于对蛋白质结构与功能之间的关系的研究，通过基因工程技术对蛋白质的基因序列进行修改，改变蛋白质的氨基酸序列，使其生成具有不同性质和功能的蛋白质。
蛋白质工程设计的基本原理包括以下几个方面：1. 置换和插入氨基酸：通过替换或插入氨基酸，改变蛋白质的氨基酸序列，从而改变蛋白质的结构和功能。
2. 引入突变：通过人工合成的方法，引入氨基酸序列中不存在的新的氨基酸，从而改变蛋白质的性质和功能。
3. 融合蛋白质：将两个或多个具有不同功能的蛋白质结合在一起，形成新的融合蛋白质，使其具有双重或多重功能。
二、蛋白质工程设计的应用蛋白质工程设计的应用十分广泛，涉及医学、工业、农业等多个领域。
1. 医学应用：蛋白质工程设计可以用于开发新型药物。
通过改造蛋白质结构，可以增加药物的稳定性、生物利用度和靶向性，提高药物疗效。
目前，已经有许多治疗癌症、疾病的蛋白质药物成功应用于临床。
2. 工业应用：蛋白质工程在工业生产中扮演重要角色。
通过改造蛋白质提高酶的催化效率和特异性，可以应用于工业催化、制药等领域。
例如，通过蛋白质工程设计改造的酶在纤维素降解、生物酶制剂等方面具有重要应用。
3. 农业应用：蛋白质工程在农业领域有着巨大潜力。
通过改造蛋白质结构，可以使植物获得新的性状和特性，提高植物抗逆性、产量和品质。
例如，通过蛋白质工程改造水稻，使其具有抗病、抗虫、耐盐碱等优良性状。
三、蛋白质工程设计的挑战与前景蛋白质工程设计是一项复杂而挑战性的工作，如何准确预测蛋白质的结构与功能之间的关系，如何精确修饰蛋白质的结构和功能，是当前蛋白质工程设计面临的主要难题。
蛋白质工程化学的研究现状
蛋白质工程化学的研究现状人们对于蛋白质的认识，早在200年前就已经开始了。
随着科技的不断进步，人们对蛋白质的理解也越来越深入，而蛋白质工程化学的研究，则日益受到人们的重视。
蛋白质工程化学是将生物技术与化学技术相结合，对蛋白质进行精细的改造和修饰，以实现蛋白质在生物技术、医药和生物工业等领域中的应用。
蛋白质工程化学的研究可以从实用化和学术化两个层面进行分析。
一、实用化方面1.制备复杂蛋白质蛋白质是细胞内最重要的生物大分子之一，具有多种功能，因此在医药和生物工业领域中得到了广泛的应用。
蛋白质工程化学可以通过对天然蛋白质进行改造，制备出更具结构和功能的蛋白质。
其中，最具代表性的就是制备复杂蛋白质。
目前，科学家们已经成功地利用蛋白质工程化学技术制备出了多种复杂蛋白质，为生物技术和医药领域的发展带来了无限可能。
2.研发新型药物蛋白质是药物开发中的重要目标，它具有多种生物活性和分子识别能力，可以用来治疗多种疾病。
例如，已经上市的前列腺素类药物就是以蛋白质为靶标设计和开发的。
蛋白质工程化学可以通过对蛋白质的改造，使其具有更好的药物特性，例如较长的血药半衰期、更强的选择性和更好的生物稳定性等。
二、学术化方面1.揭示蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能是生命科学研究的重要目标之一，也是理解蛋白质行为和设计蛋白质的前提。
蛋白质工程化学可以通过对蛋白质的精细改造和修饰，揭示蛋白质的结构和功能。
例如在抗体系统领域，科学家们利用蛋白质工程化学技术，成功地揭示了抗体结合与识别机制，为研发新型生物药物打下了基础。
2.研究蛋白质生物学蛋白质工程化学是一个跨学科领域，融汇了化学、生物学、物理学、计算机科学等多个学科的知识。
其研究内容不仅包括蛋白质的化学改造，还包括对蛋白质的基本生物学过程进行深入研究。
这对深入理解蛋白质的生物学机制和开发新型治疗手段具有重要意义。
综上所述，蛋白质工程化学的研究现状十分丰富和广泛。
它不仅可以解决实际中的问题，如制备复杂蛋白质和研发新型药物，还可以揭示蛋白质的结构和功能、研究蛋白质生物学等重要问题。
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余 蓉等: 合理 的分子设计与工程化蛋白质药物
40 3
策略) 以及各种新技术相互结合, 使得各种方法在 研究新药 上相得益彰。现在蛋白质药物能通过合理/ 药物生物学0 而 改进, 其既可以通过对靶蛋白自身的优化, 或设计 具有拮抗 作用的抗体。最近一个完美的生物药物设计的例 子是对生 长激素受体( GH R) 具有选择性的拮抗剂 ) Somavent, 该药 是与天 然 生 长 激 素 抑 制 剂 有 8 个 氨 基 酸 不 同 的 一 种 GH R ) ) ) 特异选择性 的拮抗 剂, 其 既不活化 也不抑 制促 乳 素受体, 因此在安全性方面明显改善, 另一个例子是人 TNF 的突变体, 其序列亚基是从原来天然细胞因子的激动剂 变成 具有抑制的作用的特异三连体复合物, 这些例子说明生 物药 物不会长期仅限于模仿一种 蛋白正常的 生理作用, , 还能 通 过合理蛋白设计去改造成为具有全新治疗活性的药物。
药物生物技术
P harmaceut ical Biot echnology 2005, 12( 6) : 401~ 411
40 1
#综
述# 合理的分子设计与工程化蛋白质药物*
余 蓉1, 2 , 吴梧桐1* , 李灵玲2
( 1. 中国药科大学 生命科学与技术学院, 南京 210009; 2. 四川大学 华西药学院, 成都 610041)
型。对近年来在蛋白质工程药物研究中, 常采 用的的 一些新 技术, 新方法, 如点 突变技 术、融合蛋 白技 术、DNA
改组技术、分子定向进化技术和蛋白质分子展示 技术也作了简要 讨论, 同 时还展望 了合理 的分子 设计与 蛋白质
工程药物的发展前景。
关键词 蛋白质工程、合理分子设计、定点突变、定向 进化
摘 要 治疗性蛋白的分子设计与工程化已取得突破进展, 基因工程药物已进入了第三代蛋白质 治疗药物
发展 新阶段。文章重点介绍了蛋白质工程技术在优化蛋白质的疗效、稳定性、靶向性、特异性以及改善 免疫原性
和药代动力学等方面的分子设计策略, 并结合本 实验室的 研究工 作介绍了 新近研 究成功 的蛋白 质工程 药物类
产技术, 它在药学的 研究开 发中 起着重 要的 作用。在 被批 准的新药中, 小分子药物所占的比例在不断 减少, 而蛋白质 工程药物 所 占比 例却 呈 稳定 趋 势 上升。 1999 年, 在 FDA 批准的 40 种 新 药中, 蛋 白质 工 程 药 物仅 占 12. 5% ; 而 在 2002 年, 在 被 批 准 的 26 种 新 药 中, 蛋 白 质 药 物 就 占 了 34. 6% . 至今, 在美国已有 44 种 蛋白质 工程药 物通过 FDA 认 可。它的 产值 在过去 的五 年里 以 28% 的年 增长率 迅猛 增长, 仅 2002 年 产值 就高 达 324 亿美 元[2] 。预 计 2010 年 蛋白质类药物年收 入将超过 590 亿美 元。现研究 成功的蛋 白质工程 药物已达几十种, 且在不断迅速增加。
* 收稿日期: 20052 02220 修回日期: 20052 08226 作者简介: 余蓉, 女, 教授, 中国药科大学攻读博士学位, 主要从事生物制药研究 E2mail: yurong_s cu@ 163. com
* 通信作者: 吴梧桐教授, 博导 T el: 025- 83220732
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11 2 蛋白质药物的研究程序
在蛋白质药物分子设计中必须了解相关蛋白 质及其复 合物、组装体的精细三 维结构 及其 在各个 水平 上的 运动和 相互作用, 特别是结 构与 功能的 关系。蛋 白质 工程 药物的 设计研究过程(如图 所示) , 首 先通 过生物 信息 学进 行所研 究对象的结构和功能信息 的收 集分析 , 然 后对 其功 能相关
可能使蛋白质的物理、化学和 生物 学性质 可控 化而 达到最 优化, 而不是简单的模 仿天然 蛋白 的生理 作用 或用 抗体去 封闭这种作用, 未来的 蛋白药 物将 被工程 化设 计而 达到完 全符合临床要求, 包括降低免疫原性, 改变对底物 的特异性 和对多种天然受体具有不 同的 活性拮 抗剂, 现 在已 诞生了 为合理工程化设计蛋白的 一些 策略, 可使 不太 理想 的天然 蛋白成为一个成功的药物。利用药靶去研发蛋白 质类药物 相对于小分子药物具有有两方面的低风险性, 一方面, 假如 这种靶蛋白的活性能缓解 疾病 的症状 , 则 这种 靶蛋 白自身 就能发展成为药物( 如 EP O , 干扰素, 白介素, 胰岛素, Ø 因 子以及各种生长因子和 细胞因 子) ; 另 一方 面, 假如 这种靶 蛋白质加重疾病的症状, 则研 发其 中和抗 体或 可溶 性的受 体是一种必然合乎逻辑的 研发 策略, 这种 以疾 病相 关的蛋 白为靶研发成功的生物 药物有 肿瘤坏 死因子( T NT ) 、血管 内皮生长因子和 H er2 neu。 此外, 即 使当 一种 靶的 生物 功能未被完全阐明时也能 研发 治疗蛋 白药 物, 单克 隆抗体 研发就是这样一个例子, 利用相关生物学的 资料( 如对肿瘤 特异性标志物的蛋白物的 分析和 鉴定) 有 价值 的病 因资料 ( 如疾病靶活性传递的证据) 可引导研究人员去研 发对肿瘤 具有唯一特异的单抗, 通过功能受体( 如依赖抗体 的细胞介 导的细胞毒性( ADCC) 和完 全依赖 细胞毒性 消灭细 胞表达 靶蛋白。一个 极成 功的 例子 是 Rituxan( Genentech) , Rit2 uxan 结 合 CD20 + , 且 高效拮抗 CD20 + B 淋巴细胞, 其有效 性是通过 CD20 + 肿瘤细胞的 ADCC 实际介导产生的。
中图分类号: Q55
文献标识码: A
文章编 号: 100528915( 2005) 0620401211
一、蛋白质工程分子设计策略与应用
1 蛋白质合理设计及其工程化程序
自从人类第一次采用定点突变技术对已知结 构和机理 的一种酶活性位点进行 改造以来, 蛋白质工程( Pr otein En2 gineering) 已经历了 20 年 多的 发展 历程( 1) , 现 在 该技 术已 能够对蛋白质的活力、特异性、稳定性和折叠性进 行预期的 设计改造, 工程化的蛋 白质已 成功 的应用 于制 药工 业和许 多重大疾病的治疗。蛋白质工程药物分子设计是 第三代蛋 白质工程药物的特征, 研究蛋 白质 结构- 功能 - 活 性间的 相互关系, 设计蛋白质空间结构, 并以蛋白质分子 的结构规 律及其与生物功能的关系 为基 础, 通过有 控制 的基 因修饰 和基因合成, 对现有蛋白质加以定向改 造、设 计、构建, 随后 可通过高通量筛选技术的应用及加工工艺的发展 等策略来 获得有新药开发价值的生 物分 子, 在这基 础上 进行 设计新 型蛋白质、多肽或其 它代 谢分子, 包 括疫 苗、酶、抗体、治疗 肽及其它一些生物分子, 并最 终生 产出性 能比 自然 界存在 的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需 要的新型蛋 白质。
的结构进 行研究和预测并 完成分 子设 计, 再通 过基因 工程 改造得到设计产物 , 并进行相关试验进行验 证, 根 据验证结 果进一步 修正原初设计, 并且 往往要 经过 几次 这样的 循环 才能获得 成功。
一般 可概括为如下 5 个阶段: ¹ 收 集待研究蛋白 质一 级结 构、立 体结 构、功能 结构 域及与相 关蛋白质同源性 等相关 数据, 为 蛋白 质分子 提供 依据和蓝 本。 º 详 细分析研究对象的蛋白质结构 模型, 掌握 其立体 结构中影响生物活 性、稳定性的关键部位, 这可以 通过研究 已知的晶 体结构, 也可根 据类 似物的 结构 模建 或其他 预测 方法研究 。 » 进 行蛋白质分子 设计, 一类 是小 范围 改造, 二 是较 大程 度的 改造, 三是 蛋白 质从头 设计 ( de novo or ab initio pr otein design) , 即从蛋白质 分 子一 级结 构出 发, 设计 制造 自然界中 不存在的全新蛋 白, 使之具 有特 定的 空间结 构和 预期的生 物功能, ¼ 完 成了前期的信 息收 集整 理和 分子 设计 等理 论工 作, 下一步就要回到实验研究中 ½ 通 过实验手段验证设计的分子是 否符合 要求, 并对 设计的分 子进行结构与功能的评价。
研究 人类 3~ 4 万个 基因 的碱基 序列 从而 确定它 们表 达产物的 氨基酸顺序正在 逐渐实 现, 预测 这些 蛋白的 空间 结构, 进而可实现针对性的药物设计。由于 在蛋白质工 程, 结晶学和 光谱学方面的进 展, 测定蛋 白质 结构 的速度 越来 越快。在已知的结构中发现 与新测定的生物大分 子相似结 构的概率 也增加了; 另外 利用 生物信 息学 的研 究成果 可以 将蛋白质 与所有已知结构 进行比 较, 对靶 蛋白 和蛋白 药物 的理论模拟和结构 预测就显得十分重要。对蛋白 质高级结 构高级结 构的预测主要有三类: 比较模型技 术(同 源建模) , 折叠识别方法和从 头预测方法。通过结构预测与 模拟为天 然生物大 分子的改性和基 于靶结 构的药 物设 计( 即蛋 白质 工程) 提供了理论依 据。药 物作用 靶蛋 白的 X- 衍射 晶体 结构数据库和生物 大分子 3D 结构数据库对于合理药物设 计都是非常宝贵的 信息资源。已阐明结构的蛋白 数量成几
药物生物技术
第 12 卷第 6 期
何级数递增, 如应用 广泛的 蛋白质 数据 库( the protein data bank, PDB) 收载 了蛋白质和核酸等生物大分子的 3D 结构、 蛋白质 X 晶 体衍射 或 NMR 实 验数 据。用计 算机 构建全 新蛋白质库, 比较库中全新蛋白质与天然 蛋白质, 可以得到 大量有用的信 息。随 着人 类 基因 组和 蛋 白质 组 研究 的进
展, 药物的靶标分子急剧增加, 从复杂的生物信息 中寻找合 适的药物作用靶标是生物 信息 学的重 要研 究内 容之一, 通 过基因组比较、同源性搜索、表达差异分析等寻找 后选药物 靶标。对于 某种药靶, 可预先 选择 天然存 在的 蛋白 质作为 其具有高亲和性和特异性 的先 导配体 结构, 然 而有 效天然 蛋白在体内所呈现的完美性质常常不是作为药物 性质的最 优化, 即不是所有的 天然 蛋白都 能演 化成药 物而 利用。因 此, 可利用已有的生物大分子结构和功能 特性的认识, 用生 物信息学的方法通过计算机模拟和计算来/ 预测0 目的蛋白 的功能, 对生物大分子 信息处 理分 析为给 予生 物学 的合理 药物设计奠定了基础。第三代生物技术药物的目 标是要尽