蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)

1、蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)就是為有目的的蛋白質(zhì)工程改造提供設(shè)計(jì)方案。雖然經(jīng)過漫長歲月的進(jìn)化，自然界已經(jīng)篩選出了數(shù)量眾多、種類各異的蛋白質(zhì)，但天然蛋白質(zhì)只是在自然條件下才能起到最佳功能，在人造條件下往往就不行，例如工業(yè)生產(chǎn)中常見的高溫高壓條件。因而需要對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，使其能夠在特定條件下起到特定的功能。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)又可按照改造部位的多寡分為三類：第一類為“小改”，可通過定位突變或化學(xué)修飾來實(shí)現(xiàn)；第二類為“中改”，對來源于不同蛋白的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行拼

2、接組裝；第三類為“大改”，即完全從頭設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)（denovodesign）。有關(guān)全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容請參見文獻(xiàn)，本文不贅述。常見的蛋白質(zhì)工程改造包括提高蛋白的熱、酸穩(wěn)定性，增加活性，降低副作用，提高專一性以及通過蛋白質(zhì)工程手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究等。由于對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的了解不夠深入，成功的實(shí)例還不很多，因此更需要在蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的方法學(xué)上開展深入研究。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)層次，一種是在已知立體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所進(jìn)行的直接將立

3、體結(jié)構(gòu)信息與蛋白質(zhì)的功能相關(guān)聯(lián)的高層次的設(shè)計(jì)工作，另一種是在未知立體結(jié)構(gòu)的情形下借助于一級(jí)結(jié)構(gòu)的序列信息及生物化學(xué)性質(zhì)所進(jìn)行的分子設(shè)計(jì)工作。此處只探討第一類分子設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诶萌?jí)結(jié)構(gòu)信息的同時(shí)也運(yùn)用了一級(jí)結(jié)構(gòu)序列及有關(guān)生化信息，第一類的分子設(shè)計(jì)工作實(shí)際上已包含了第二類工作，而后者實(shí)際上是在不得已的情形下所進(jìn)行的努力。蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的過程簡單說來就是首先建立所研究對象的結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究，然后提出設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)

4、驗(yàn)證后進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)，往往需要幾次循環(huán)才能達(dá)到目的。一般的分子設(shè)計(jì)工作可以按以下五個(gè)步驟進(jìn)行：（1）建立所研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型，可以通過X射線晶體學(xué)、二維核磁共振等測定結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)類似物的結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)預(yù)測方法建立起結(jié)構(gòu)模型。（2）找出對所要求的性質(zhì)有重要影響的位置。同一家族中的蛋白質(zhì)的序列對比、分析往往是一種有效的途徑。需要認(rèn)真考慮此種性質(zhì)受哪些因素的影響，然后逐一對各因素進(jìn)行分析，找出重要位點(diǎn)，這是分子設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。（3）選擇

5、一系列的在（2）中所選出位點(diǎn)上改變殘基所得到的突變體，一方面使蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)理念和分類的基礎(chǔ)上，以Paracelsus挑戰(zhàn)為范例，對蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)原則、方法和過程進(jìn)行了初步的論述。關(guān)鍵詞蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)Paracelsus挑戰(zhàn)中圖分類號(hào)：G642.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：18186539（2009）07（0050）（03）蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是機(jī)體細(xì)胞的重要組成部分。經(jīng)過漫長歲月的進(jìn)化，自然界已經(jīng)篩選出了數(shù)量眾多、種類

6、各異的蛋白質(zhì)，但天然蛋白質(zhì)只是在適宜的生理?xiàng)l件下才能很好的發(fā)揮功能，在其他條件下，例如工業(yè)生產(chǎn)中常見的高溫高壓條件，往往不能正常發(fā)揮功能。因而需要對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，使其能夠在特定條件下發(fā)揮功能。定點(diǎn)突變和PCR技術(shù)的發(fā)展使這種改造成為可能。20世紀(jì)80年代初，蛋白質(zhì)工程和蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。蛋白質(zhì)工程是以結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生物信息學(xué)為基礎(chǔ)，以創(chuàng)造性能更適用的蛋白質(zhì)分子為目的，以基因重組技術(shù)為主要手段，對天然蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造[1]。

7、蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)則是指從頭設(shè)計(jì)新的蛋白質(zhì)分子或者在蛋白質(zhì)已知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過適宜的改變來制備新的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)層次：一種是在已知立體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所進(jìn)行的直接將立體結(jié)構(gòu)信息與蛋白質(zhì)的功能相關(guān)聯(lián)的高層次的設(shè)計(jì)工作；另一種是在未知立體結(jié)構(gòu)的情形下借助于一級(jí)結(jié)構(gòu)的序列信息及生物化學(xué)性質(zhì)所進(jìn)行的分子設(shè)計(jì)工作。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)又可按照改造部位的多寡分為三類：第一類為“小改”，即對已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行少數(shù)幾個(gè)殘基的修飾、替換或刪除

8、等，可通過定位突變或化學(xué)修飾來實(shí)現(xiàn)；第二類為“中改”，對來源于不同蛋白的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行裁剪拼接組裝；第三類為“大改”，即完全從頭設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)（denovodesign）[2]。蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的過程簡單說來就是首先建立所研究對象的結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究，然后提出設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)，往往需要幾次循環(huán)才能達(dá)到目的。所以蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上構(gòu)建突變基因，進(jìn)而獲得突變蛋白質(zhì)產(chǎn)品，然后進(jìn)行功能驗(yàn)