抗体酶及其应用2016年
抗体酶及其应用前景
抗体酶及其应用前景徐应容，党曦俻,石莹，周烨，顾昱晓摘要：催化抗体也叫抗体酶，是具有催化活性的免疫球蛋白.由于它兼具抗体的高度选择性和酶的高效催化性，因而催化抗体制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途的，特别是自然界不存在的高效催化剂，对生物学、化学和医学等多种学科有重要的理论意义和实用价值.综述了催化抗体研究的最新进展，讨论了该领域目前存在的问题，提出了解决这些问题的可能办法。
1．概念介绍：1.1关于抗体：当人体（以及其它高等动物）受到外来抗原的刺激时，其免疫系统会根据抗原的特点（抗原表面决定簇）产生特定抗体。
一般来说，一种抗原可以刺激产生108种抗体，并且所产生的抗原均具备极高的特异性，即与抗原强烈结合。
1.2关于酶：首先，酶催化具有两个特征，即高催化效率和高选择性。
关于酶的催化机制，已有许多假说，但在众多观点中最有影响的是，鲍林(Pauling) 在1946年用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。
他指出，酶通过某种方式与高能、短寿命的过渡态结合而起催化作用。
这个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存在时间极短，半衰期约为10 ~10 s，实际中极难捕获。
1.3二者对比：抗体和酶的根本不同在于前者是结合一个基态分子，并且抗原与抗体结合后会发生沉淀，一般条件下不会自动分离，而抗体选择性的结合一个化学反应的过渡态，帮助反应顺利进行，在完成反应后的瞬间与生成物迅速分离2.背景知识：1946年，Pauling用过渡态理论阐明了酶催化的实质，后经过Jencks等人的探索，他们发现，过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是设想，只要寻找到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的酶竞争性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物；还有一种思路，就是这种类似物也能根据化学反应机制推测设计出来。
抗体酶
抗体酶综述陈璇【摘要】抗体酶是一类以过渡态类似物，为半抗原，可诱导免疫系统产生具有类似天然酶催化活性的免疫球蛋白。
抗体酶既具有抗体的高效选择性，又能像酶那样高效催化化学反应，开创了催化剂研究的崭新领域。
本文从抗体酶的发展历史、作用原理、制备、应用及研究展望多个角度进行综述。
【关键词】抗体酶；发现史；作用原理；制备；现状及应用前景抗体酶抗体酶(abzyme)，又称催化抗体(cat·alytic antibody)，是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学性质，还类似于酶，能催化某种活性反应。
抗体与酶相似，它们都是蛋白质分子．酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能态的过渡态分子相结合，而抗体则与抗原(基态分子)相结合。
抗体与天然酶相比，最大的优点在于抗体的种类是巨大的，免疫系统可以拥有10 种抗原特异性不同的抗体分子。
制备成功的抗体酶不但能催化一些天然酶能催化的反应，而且还能催化一些天然酶不能催化的反应。
抗体酶的发现早在l948年，美国斯坦福大学荣誉退休化学教授l』_波林(LinusPaulin'f)就提出过渡态理论(transition state theory) [2]。
这一理论认为，酶之所以具有催化能力，是因为它与反应分子(底物)的牢固结合的方式，有利于反应中的过渡态(transition state)的结构。
而这种结构会迅速重新排列成该反应的产物。
任何有利于过渡态，而不是其它可能的结构的因素，都能加快化学反应速度。
1 969年，布兰戴斯大学生物化学家w ·詹克斯(w ·Jenks)进一步发展了这一理论。
他和几位美国科学家认为，如果波林的观点是正确的话，那么利用某一反应过渡态的模拟物作为免疫原，则会得到催化该反应的抗体。
这种抗体能特异地识别化学反应的过渡态，并利用其结合能降低反应的活化能。
抗体酶及其应用2016年
抗体酶及其应用左摘要：抗体酶（abzyme），又叫催化抗体（catalytic antib）,是具有催化活性的免疫球蛋白。
自1986年成功获得抗体酶后，相关研究激增。
但由于抗体酶的催化效率低，制备困难，研究热情渐渐消退。
一开始的研究目的主要是工业应用，但抗体酶催化效率太低而放弃了。
现有的研究主要集中在抗体酶在临床医学方面的应用，因其具有高特异性、长半衰期、低免疫源性和高可塑性。
关键词:抗体酶催化抗体免疫球蛋白1.抗体酶的出现抗体酶就是有催化活性的抗体。
抗体指机体的免疫系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
鲍林(Pauling) 在1946 年用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。
1984年Lerner设想可以通过对过渡态类似物产生抗体，抗体会诱导底物进入过渡态，使反应进行。
根据这个设想，Lener和P. C. Schultz分别独立地证明：对所酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体有催化相应羧酸酯和碳酸酯的反应。
这种有催化活性的抗体被命名为抗体酶（abzyme）或催化抗体（catalyticantibody）。
2.抗体酶的制备我们简单地把抗体酶的制备分为生物学方法和化学方法(Figure 1)。
Figure 1抗体酶制备化学方法就是设计反应的过渡态类似物，把类似物作为半抗原，连接到恰当的载体上，形成抗原，通过动物免疫作用产生抗体，再筛选。
生物学方法主要有两种，一种是用酶做抗原，筛选出与酶特异性结合的抗体，用该抗体作为抗原，再产生能和底物过渡态结合的抗体。
相当于把酶拷贝了一份。
所以又称之为拷贝法。
另一种是用酶的抑制剂做抗原，产生的抗体可能和底物结合。
另外还有一些方法，如定点突变蛋白设计抗体；化学修饰抗体；抗体基因组合文库法等等。
3.抗体酶的应用随着研究的深入，尽管抗体酶的催化效率(k cat/K M)不断提高，但是抗体酶的催化效率（102-104 M-1s-1）远低于天然酶（106-108 M-1s-1）（Xu et al. 2004; Rao and Wootla2007）。
抗体酶
1986年Schultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯（PNPPC） 作为相应的羧酸二酯的过渡态类似物。 诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快12000倍。
抗体酶
抗体酶（Abzyme）或催化抗体（Catalytic antibody)是抗体的高度选择性和酶的高效 催化能力巧妙结合的产物。
本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
在酶催化的反应中，与酶的活性中心形 成复合物的实际上是底物形成的过渡状 态， 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物 或产物的亲和力。
抗体酶设想
1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度 特异性，与天然酶结合底物的高度专一 性相类似的特性，在过渡态理论的基础 上首先提出设想：
10.1 模拟酶
11.1.1 模拟酶的概念
模拟酶又称人工酶或酶模型，是在分子 水平上模拟酶活性部位的形状、大小及其微 环境等结构特征，以及酶的作用机制和立体 化学的一门学科，是从分子水平上模拟生物 功能的一门边缘学科。
模拟酶是20世纪60年代发展起来的一个新的研 究领域，是仿生高分子的一个重要的内容。
–酶的作用机制：过渡态理论
–对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究
• 超分子化学
– 主-客体化学：主体和客体在结合部位的空间及 电子排列的互补
– 超分子：该分子形成源于底物和受体的结合， 这种结合基于非共价键相互作用，当接受体与 络合离子或分子结合形成稳定的，具有稳定结 构和性质的实体，形成超分子 – 功能：分子识别、催化、选择性输出
白，在
其可变区赋予了酶的属性。 它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研 究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效催化 能力巧妙结合的产物。
抗体酶在临床上的应用研究
抗体酶在临床上的应用研究抗体酶在临床上的应用研究已经成为近年来医学领域的热点话题。
抗体酶作为一种先进的生物技术手段，在医疗领域中具有广泛的应用前景。
本文将从抗体酶的定义、原理、临床应用等方面展开探讨，以期为读者提供全面了解抗体酶在临床上应用研究的信息。
抗体酶的概念首次出现在20世纪70年代，是将抗体与酶相结合而形成的复合物。
抗体是机体免疫系统的重要组成部分，可以识别并结合特定的抗原，从而发挥免疫作用。
而酶则是一种具有催化作用的蛋白质，可以加速化学反应的进行。
将抗体与酶结合后，形成的抗体酶具有抗体的特异性和酶的催化活性，具有更广泛的应用前景。
抗体酶的原理主要是利用抗体的特异性结合性质，使其能够精准结合到目标生物分子上，然后利用酶的催化作用对目标生物分子进行特异性的降解或转化。
这种双重功能的组合使得抗体酶在医学领域中具有广泛的应用价值。
在临床上，抗体酶可以用于诊断、治疗以及疾病监测等多个方面。
在诊断方面，抗体酶可以作为诊断试剂用于检测特定疾病或病原体。
例如，酶联免疫吸附试验（ELISA）就是一种常用的抗体酶诊断方法，它可以检测血清中的抗体或抗原，用于诊断各种传染病、自身免疫性疾病等。
抗体酶还可以应用于流式细胞术、免疫组织化学等诊断技术中，为临床诊断提供更为准确和快速的手段。
在治疗方面，抗体酶也发挥着重要作用。
目前，抗体酶疗法已经成为肿瘤治疗的重要手段之一。
将酶与抗肿瘤特异性抗体结合后，可以实现对肿瘤细胞的靶向治疗，提高治疗的有效性，减少对正常细胞的毒副作用。
同时，抗体酶还可以用于抗体依赖性细胞毒性（ADCC）及细胞毒性T细胞（CDCC）等免疫细胞的激活，进一步增强对肿瘤细胞的杀伤作用。
除此之外，抗体酶还可以用于疾病监测、药物评价、分子影像学等领域。
通过结合具有特异性的抗体和高效的酶活性，可以实现对疾病相关分子的快速检测和定量分析，为疾病早期诊断和治疗监测提供重要参考依据。
此外，在新药研发和评价中，抗体酶也可以用于筛选特异性受体结合配体，并对药物的药代动力学等进行评估，为药物研究与开发提供重要支持。
核酶和抗体酶
将不同的重链和轻链基因随机组合，克隆 到合适的表达载体中，在原核细胞表达不 同的抗体，形成一个抗体库，从这个抗体 库中，用抗原可以筛选到相应的抗体基因。
引入法
随着噬菌体抗体库技术的完善，可根据需 要构建适当序列的基因片断，绕过免疫学 方法，构建全新的抗体酶。 噬菌体展示技术将组建亿万种不同特异性 抗体可变区基因库和抗体在大肠杆菌中功 能性表达，与高效快速的筛选手段结合起 来，彻底改变了抗体酶生产的传统途径。
A. 酯酶的底 物–酯
B.酯的羧基碳原子 受到亲核攻击形成 四面体过渡态
C.设计的磷酸酯 类似物,作为抗原 去免疫实验动物
O –C –
磷酸酯类似物 免
(半抗原)
疫
对酯水解反应有 催化作用的单克
隆抗体
抗体酶用于有机酯的水解，过渡态类似 物磷酸盐和磷酸酯作为免疫原诱导产生 的单克隆抗体催化水解反应比未催化反 应快104倍。
L-19IVS
G- P
- OH +
15nt
P399nt
图 13- 四膜虫 35S RNA 内含子剪接 的转酯反应模型
L-19具有酶的主要特 征：专一性强，加快 反应速度，反应前后 酶分子保持不变
L-19 IVS所催化的水解反应和连接反应
异议
引入法
用基因工程方法改造和制备全新的抗体酶 是一种很有前途和发展潜力的抗体酶制备 方法。
将催化基因引入到特异抗体的抗原结合 位点上，使其获得催化功能。 也可以针对性地改变抗体结合区的某些 氨基酸序列，以获得高效的抗体酶。
引入法
对于已产生的单抗，分析抗体结合部位 的氨基酸顺序或对应的碱基顺序。 通过对抗体酶结合部位氨基酸对应的基 因序列进行定点突变，希望能在抗体结 合部位换上有催化作用的氨基酸。 改变抗体酶的催化效率。
抗体酶简介及医学上的应用
抗体酶简介及医学上的应用谢祚宜2013级学号1131702027摘要：抗体酶又称催化性抗体，是具有催化活性的免疫球蛋白，在其可变区赋予了酶的属性，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物，它可促进许多用普通化学方法很难完成，或者天然酶尚未能催化的新奇化学转变，对生物学、化学和医学等多种学科有重要的理论意义和实用价值。
在医学、工业、农业等众多领域具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。
该文综合介绍了抗体酶研究的历史过程、催化抗体的结构、性质、催化的反应类型、抗体酶的制备以及在医学领域的应用及研究进展。
关键词:抗体酶; 应用1．抗体酶的发现与定义抗体与酶(指P酶)本质上都是蛋白质, 都能与相应的抗原或底物特异性结合, 差别在于酶是能与反应过渡态选择结合的催化物质, 抗体是和基态紧密结合的物质。
抗体酶(abzyme)又称催化抗体(catalytic antibody), 是一类集抗体高度特异性与酶高效催化活性于一身的蛋白质分子。
1986年，Schultz和Lerner同时在美国《Science》周刊上发表了他们各自独立领导的研究组对抗体酶的研究报告，并将之命名为Abzyme。
Abzyme 本质为免疫球蛋白( Ig ) ，只是在易变区被赋予了酶的属性，故又被称为催化抗体( Catalytic antibody) 。
抗体有极高的亲和力，解离常数在10-4～10-14mol /L，这与酶相似，但无催化活力。
酶的催化机制在于它能结合底物产生过渡态，降低能垒，改变化学反应的速度。
抗体酶显示出在许多领域的潜在应用价值，包括许多困难和能量不利的有机合成反应，前药设计，临床治疗，材料科学等多个方面。
抗体酶的结构与抗体分子相似, 不同之处在于其可变区除了具有抗原特异的结合能力外, 还被赋予了酶的催化活性, 因此本质上抗体酶是一类具有催化活性的免疫球蛋白。
早期的抗体酶结构类似于免疫球蛋白, 含有两条轻链和两条重链, 每条链都含有不变区和可变区。
抗原抗体及抗体酶
酶标免疫分析示意图
�
二,抗体酶的催化作用机理
1,过渡态理论与抗体酶 2,抗体酶催化的三种重要反应机制 水解作用机制 基团转移 连续反应机制 3,抗体酶催化反应的介质效应 酯解反应中介质效应 : 抗体酶在有机溶 剂中具稳定性. 脱羧反应中介质效应 ;有机溶剂引起脱 羧反应速率增加. 酰基转移反应中介质效应 :在疏水溶剂 中,活性较高.
4
用生物工程的方法产生抗体 Fab片断由轻链和重链的 及CH1部分组成, 片断由轻链和重链的VH及 部分组成, 片断由轻链和重链的 部分组成 作为一种催化剂,抗体酶有这样的片断就行, 作为一种催化剂,抗体酶有这样的片断就行, 无须完整的抗体分子. 无须完整的抗体分子.从人或动物的抗原中 抽取基因, 抽取基因,然后用酶反应复制基因的聚合酶 链反应( 链反应(PCR)技术重新铸造轻链和重链, )技术重新铸造轻链和重链, 这样就可以把这些基因组合成100万个含有 万个含有 这样就可以把这些基因组合成 成对轻链和重链的基因库. 成对轻链和重链的基因库.这些基因库是存 储在细菌病毒里, 储在细菌病毒里,通过随机地将基因和轻重 链结合的方法,就可大量制造 片断了. 链结合的方法,就可大量制造Fab片断了. 片断了 片断里的基因是通过细菌的形式表达出来的. 片断里的基因是通过细菌的形式表达出来的. 这就可在细菌培养中繁殖数百万计不同抗体. 这就可在细菌培养中繁殖数百万计不同抗体.
很多天然酶活性中心都含有金属离子. 很多天然酶活性中心都含有金属离子. Lerner等将金属离子引入抗体酶,成功地催化 等将金属离子引入抗体酶, 等将金属离子引入抗体酶 了肽键的选择性水解.他们用三乙撑胺 了肽键的选择性水解.他们用三乙撑胺Co3+盐 作为金属离子辅因子,所用半抗原分子带有一 作为金属离子辅因子, 肽键.且通过羧根及仲胺基与金属离子相连. 肽键.且通过羧根及仲胺基与金属离子相连. 将此半抗原通过共价键连接在载体蛋白免疫动 物产生的抗体, 物产生的抗体,在金属离子复合物作为辅因子 的参与下, 的参与下,这些抗体酶能选择性水解甘氨酸和 丙氨酸之间的肽键 .
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抗体酶及其应用
左摘要：抗体酶（abzyme），又叫催化抗体（catalytic antib）,是具有催化活性的免疫球蛋白。
自1986年成功获得抗体酶后，相关研究激增。
但由于抗体酶的催化效率低，制备困难，研究热情渐渐消退。
一开始的研究目的主要是工业应用，但抗体酶催化效率太低而放弃了。
现有的研究主要集中在抗体酶在临床医学方面的应用，因其具有高特异性、长半衰期、低免疫源性和高可塑性。
关键词:抗体酶催化抗体免疫球蛋白
1.抗体酶的出现
抗体酶就是有催化活性的抗体。
抗体指机体的免疫系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
鲍林(Pauling) 在1946 年用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。
1984年Lerner设想可以通过对过渡态类似物产生抗体，抗体会诱导底物进入过渡态，使反应进行。
根据这个设想，Lener和P. C. Schultz分别独立地证明：对所酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体有催化相应羧酸酯和碳酸酯的反应。
这种有催化活性的抗体被命名为抗体酶（abzyme）或催化抗体（catalyticantibody）。
2.抗体酶的制备
我们简单地把抗体酶的制备分为生物学方法和化学方法(Figure 1)。
Figure 1抗体酶制备
化学方法就是设计反应的过渡态类似物，把类似物作为半抗原，连接到恰当的载体上，形成抗原，通过动物免疫作用产生抗体，再筛选。
生物学方法主要有两种，一种是用酶做抗原，筛选出与酶特异性结合的抗体，用该抗体作为抗原，再产生能和底物过渡态结合的抗体。
相当于把酶拷贝了一份。
所以又称之为拷贝法。
另一种是用酶的抑制剂做抗原，产生的抗体可能和底物结合。
另外还有一些方法，如定点突变蛋白设计抗体；化学修饰抗体；抗体基因组合文库法等等。
3.抗体酶的应用
随着研究的深入，尽管抗体酶的催化效率(k cat/K M)不断提高，但是抗体酶的催化效率（102-104 M-1s-1）远低于天然酶（106-108 M-1s-1）（Xu et al. 2004; Rao and Wootla2007）。
主要原因有：1、抗体酶复杂程度不够，无法完全模拟天然酶。
毕竟天然酶是漫长的进化的产物。
2、天然酶在识别结合底物之后还会去稳定化（destabilization），使反应进行。
而抗体酶只是单纯地稳定过渡态。
3、从进化的角度来说，抗体本来就是结合稳定的基态产物的，尽管由于其组合的多样性，导致其可以模拟酶去结合高能过渡态，但效果毕竟有限。
所以抗体酶用于工业生产基本没有优势。
但抗体酶作为酶没有优势，但它拥有抗体高特异性、长半衰期、低免疫源性和高可塑性使其在临床医学的应用具有广阔的前景。
现已有部分研究成果：
1、降解体内有机磷农药。
有机磷农药被广泛使用。
一些品种可以通过呼吸道进入人体，使人中毒，甚至死亡。
Reshetnyak 通过噬菌体展示技术筛选出能代谢有机磷农药的抗体酶scFv, A17 (Reshetnyak et al.2007)。
不过今年高毒的有机磷农药基本退出市场，做的人吹得很厉害，其实没什么用。
2、降解体内的可卡因（cocaine）
可卡因滥用会引起严重的并发症，可以开发出结合可卡因的抗体或降解可卡因的抗体酶。
降解可卡因的抗体酶已有报道(Deng et al.2002; McKenzie et al.2007, Gorelick, 2012)。
3、抗体介导前药治疗（ADEPT）
目前正在发展一种称为抗体介导前药治疗（ADEPT）技术(示意图，)，即将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。
静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。
当然交药只能被抗体酶水解而不能被内源性酶水解，抗原还要尽量减少免疫原性。
Campbell 用半抗原 3 诱导产生的抗体酶能水解5FdU 的前体化合物1时至转变为2，抗癌药5FdU 在体内可转变为5FdUMP,它是胸苷酸合成酶的抑制剂，能抑DNA 的合成，而5FdU 不但抑制肿瘤细胞的DNA 的合成，同时影响正常细胞，高毒性。
5FdU的前体化合物1 无毒，给药后化合物遇到抗体酶才释放出有毒的5FdU,杀死癌细胞。
设想用此抗体酶与肿瘤专一性抗体偶连成双特异性抗体，从而开发成特异性抗癌药物，避免了化疗缺乏专一性而产生的高毒性、半寿期短以及达肿瘤细胞的化疗药物低等缺点。
Figure 2抗体介导前药治疗（ADEPT）技术示意图
4.总结
一开始以为这是个高大上的领域，去了解后觉得是基本没有什么大希望的领域。
上张图说明一下：
Figure 3 Pubmed搜索结果统计图，
搜索式：((catalytic antibody[Title/Abstract]) OR abzyme
参考文献
【1】徐应容，党曦俻,石莹，周烨，顾昱晓.抗体酶及其应用前景
【2】Padiolleau-Lefèvre S, Naya R B, Shahsavarian M A, et al. Catalytic antibodies and their applications in biotechnology: state of the art[J]. Biotechnology letters, 2014: 1-11.
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【5】Reshetnyak AV, Armentano MF, Ponomarenko NA, Vizzuso D, Durova OM, Ziganshin R, Serebryakova M, Govorun V, Gololobov G, Morse HC, Friboulet A, Makker SP, Gabibov AG, Tramontano A (2007) Routes to covalent catalysis by reactive selection for nascent protein nucleophiles. J Am Chem Soc 129:16175–16182。