第六章 蛋白质工程在医药工业中的应用

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PCR技术; 免疫球蛋白Fab片段在大肠杆菌中的成功表达; 噬菌体表面展示文库技术。
初期的抗体库技术是从淋巴细胞中提取总RNA, 反转录成cDNA或直接用总DNA为模板,用PCR技术建 立轻、重链文库,在大肠杆菌中表达后筛选。
噬菌体抗体库技术
它是在PCR技术和Phage Display的基础上实现的。 其过程是把用PCR法得到的抗体基因插入丝状噬菌 体的DNA,与噬菌体外壳蛋白的基因相连,在辅助 噬菌体的帮助下,噬菌粒包装成丝状噬菌体,抗体 分子通过与P Ⅲ或PⅧ相连,在噬菌体表面的一端 或分散分布,然后可直接对噬菌体表面的抗体分子 进行筛选。
第一节 医用抗体的蛋白质工程(续)
• II. 从抗血清到重组抗体 • III. 抗体工程 1). 鼠-人嵌合抗体 2).来自鼠抗体可变结构域骨架区可被人源化 3). 抗体的三维结构可在计算机上建模
1 人一鼠嵌合抗体(Chimeric Antibodies)
人一鼠嵌合抗体是将鼠源单抗的可变区与人抗体的恒 定区融合而得到的抗体。
3 小分子抗体
小分子抗体包括Fab、Fv或ScFv、单域抗体及最 小识别单位等几种。
小分子抗体有很多优点:
可以用细菌发酵生产,成本低; 分子小,穿透力强; 不含Fc,没有Fc带来的效应; 在体内循环的半衰期短,易清除,利于解毒排出; 易于与毒素或酶基因连接,便于直接获得免疫毒素或 酶标抗体等。
单区抗体
噬菌体抗体库技术的发展具有很大优越性。它简 单易行,筛选容量大,效率高,绕过了细胞融合及 免疫等步骤,而且在表型一基因型的统一和识别一 增殖过程上模拟了B细胞的成熟过程,从而在实际 应用上具有很大意义。
6 转人Ig基因小鼠
获取人Ig基因:构建人Ig的YAC文库及筛选 小鼠胚胎干细胞培养
小鼠内源性Ig基因的敲除 获得完整人Ig-YACs克隆 Ig-YACs克隆小ES细胞的导入 含人Ig-YACs的ES细胞移入小鼠胚胎 含人Ig-YACs的ES细胞的小鼠胚胎向小鼠体内送还嵌合
CDR移植即把鼠抗体的CDR序列移植到人抗体的 可变区内,所得到的抗体称CDR移植抗体或改型抗 体,也就是人源化抗体。
经过CDR移植,抗体的免疫原性极低, 而其抗原结合能力保持不变,结合半抗原 及全抗原(如细胞表面受体、病毒等)的改 形抗体都已有报道,到现在已有数百种人 源化抗体。(美国正式上市的11种治疗性 单抗中多数是改型抗体)
所以双特异性抗体与既往肿瘤免疫治疗相比, 除了能特异性识别肿瘤细胞外,还能将循环血液中 的免疫效应细胞再导向至肿瘤细胞处,从而使效应 细胞的抗肿瘤活性增强,发挥免疫导向作用,这是 肿瘤治疗的新突破。
5 抗体库技术
抗体库技术是用基因工程方法把人或其他动物的 全部抗体的轻、重链可变区基因克隆出来,在原核 载体上表达,然后筛选出所需的特异基因和抗体。
在VH与VL之间加上一段连接肽,把VH与VL连成一 条单链,得到ScFv,即单链抗体。
连接肽的长度在10-15个氨基酸左右,不宜太长 或太短,它应具有柔软性,侧链少,抗原性弱等特 点。常用的连接肽是(GGGGS)3。
单链抗体的构建在已知亲本DNA序列时可用完全 人工合成法;
在具备亲本单抗可变区的cDNA克隆时,可用定点 突变法在其两端造成适当的内切酶位点,与人工合 成的连接肽编码序列连接,组装到表达载体中;
构建嵌合抗体的大致过程是,将鼠源单抗的可 变区基因克隆出来,连到包含有人抗体恒定区基因 及表达所需的其它元件(如启动子、增强子、选择 标记等)的表达载体上,在哺乳动物细胞(如骨髓瘤 细胞、CHO细胞)中表达。
构建重组表达载体
克隆鼠单抗的可变区基因,可从基因组文库中分 离,也可用PCR技术分离。
人抗体恒定区可根据需要选择,不同的恒定区会 带给嵌合抗体不同功能。为避免人抗体的恒定区产 生不需要的副作用,可通过点突变来修饰调整其效 应。
定点突变法是将人的可变区基因克隆,根据鼠抗 体的CDR 序列合成几种突变引物,用定点突变的方 法将人的可变区基因的CDR序列变为鼠抗体的CDR序 列,然后表达出改型抗体。
研究表明,在构建改形抗体时,简单地进行CDR 替换并不能保证抗体具有好的亲和力,因此在构建 时还必需包括对影响抗原结合位点的空间结构的框 架序列进行操作。
(3)单域抗体
即为VH,约为完整分子的1/12。它只由一个结构 域构成,故称单域抗体。单域抗体尽管亲和力有所 降低,但仍保持着原单抗的特异性。
VH
(4)最小识别单位
约为完整分子的1/80-1/70大小,一般由一个CDR 构成,它也保持着抗体的特异性。
CDR
4 双特异抗体和多价抗体
双链抗体 (Diabody)一词最早由Hollinger等于 1993年创造。乃是一种小分子的双价双特异性抗体片段。
Fab
最小识别单位
Fv
ScFv
(1)Fab
由完整的轻链和Fd组成,大小为完整分子的1/3。 把Fab与细菌的前导肽相连,在前导肽的作用下 Fab进入质周腔,装配折叠后,它具有结合抗原的 活性。
(2)Fv 或 ScFv
Fv、ScFv的大小约为全分子的1/6。
Fv
连接肽
ScFv
Fv由VH与VL构成,由于其结合是非共价结合,故 Fv不稳定。
噬菌体表面Leabharlann Baidu示系统(phage surface display system )
1990年Mc Cafferty等成功地建立了噬菌体表面展示系 统,通过将抗溶菌酶单链抗体基因克隆于fd噬菌体基因3 的下游,使ScFv以融合蛋白的形式展示于噬菌体表面,利 用亲和层析,两轮富集达106倍。该技术的成功给抗体基 因的筛选工作带来了革命性的变革。
组织型纤溶酶原激活物(t-PA)
➢含527个氨基酸残基的丝氨酸蛋白 ➢内源性t-PA由血管内皮产生 ➢对血栓部位有一定的选择性
对循环血液中纤溶酶原作用弱.对与 纤维蛋白结合的纤溶酶原作用则强数 百倍
第三节 基于蛋白质结构的小分 子药物设计
• I. 用DOCK 发现先导化合物
• II. Haloperidol衍生物对HIV-1 PR的抑制
为加强特异性以减少出血并发症,并延长半 衰期,采用生物工程学方法研制开发高效而 特异的新纤溶药的工作正在进行。
链激酶(streptokinase,SK)
C组β溶血性链球菌产生分子量为47kDa的 蛋白质
能与纤溶酶原结合,形成SK-纤溶酶原复合 物,促使纤溶酶原转变成纤溶酶,溶解纤维 蛋白。
因人体内常有链球菌抗体,尤其是近期有 链球菌感染者含量更多,可中和链激酶,故 首次剂量宜大以中和抗体。
筛选到的噬菌体再将基因g3或g8切除后,转入大肠杆菌,
使翻译出的抗体分泌到细菌的质周腔内,形成游离的抗体 片段,经过纯化即可获得目的抗体。
该项技术的优点:
将抗体的基因型和表型紧密联系起来; 可绕过杂交瘤技术,不需要复杂的基因工程技术; 抗体基因筛选的范围广; 技术稳定、可靠、生产周期短;可规模化生产; 适用范围广,既可用于抗体制备,也适用于其它蛋白如 激素、酶、药物、随机多肽等的生产。
定点突变法是将人的可变区基因克隆,根据鼠抗 体的CDR 序列合成几种突变引物,用定点突变的方 法将人的可变区基因的CDR序列变为鼠抗体的CDR序 列,然后表达出改型抗体。
研究表明,在构建改形抗体时,简单地进行CDR 替换并不能保证抗体具有好的亲和力,因此在构建 时还必需包括对影响抗原结合位点的空间结构的框 架序列进行操作。
人一鼠嵌合抗体与鼠单抗相比,免疫原性大大降 低,利于在人体内应用,所以目前已制备出上百种 抗各种抗原(包括肿瘤相关抗原)的嵌合抗体。
2 鼠单抗可变区的人源化
尽管嵌合抗体的免疫原性已降低很多,但有时 它仍可能引发较强的免疫反应。为了进一步降低抗 体的鼠源成分,发展出CDR移植技术。 CDR即互补决定区。Ig超变区氨基酸残基的种类和 顺序特别多变,这些部位与识别抗原直接相关,为 Ig分子的抗原结合部位,故称为互补决定区。
噬菌体表面展示文库技术的要点: 从免疫或未被免疫的B细胞中PCR扩增抗体全套基因片段
随机克隆入相应载体形成组合文库
将基因组合文库插入噬菌体编码膜蛋白的基因 g3或 g8 的先导系列的紧靠下游
外源基因表达多肽以融合蛋白形式展示在外壳蛋白N端
用固相化抗原经“亲和结合一洗脱一扩增”数个循环直接、 方便、简捷、高效地筛选出表达特异性好、亲和力强的抗 体噬菌体库。
Hollinger等巧妙地将A抗原抗体的轻链可变区 基因(VLA)与抗B抗原抗体的重链可变区(VHB)通过 短肽连接子连接;同样地,将VHA与VLB连接,将两组 嵌合基因置于双顺反子的表达质粒中,构建成双链 抗体的表达质粒,目前报道的表达质粒均为双顺反 子。表达后,VLA VHB与VHA VLB交叉连结,形成双特 异性抗体。
纯合小鼠的产生和鉴定 纯合小鼠制备特异性完全人源化抗体
第二节 组织纤维蛋白溶酶原激 活因子的蛋白质工程
• I. 有关重组t-PA • II. 产生t-PA突变体的基本原理 • III. t-PA蛋白质工程的几个方面 1). 减慢清除的t-PA变体 2). 血纤维特异性
第三节 纤维蛋白溶解药
(fibrinolytic drugs)
使纤溶酶原从Arg560-Val561之间断裂成纤溶 酶而促进纤溶,溶解血栓,也称溶栓药 (thrombo1ytic drugs)
治疗急性血栓栓塞性疾病
对形成已久并已机化的血栓难已发挥作用
目前应用的纤溶药主要缺点是对纤维蛋白 的作用无特异性,溶解血栓同时可诱发严重 出血。
组织型纤溶酶原激活物(t-PA)、尿激酶型纤 溶酶原激活物(cu-PA)有一定程度的特异性, 但人体应用仍有出血并发症,半衰期又短。
人源化抗体的构建可用全合成法或定点突变法。
全合成法是以人抗体序列为骨架,以鼠抗体的 CDR置换人抗体的CDR,将整个可变区序列的两条链 分解成若干片段,并使相邻的片段具有彼此互补的 粘性末端。合成所有DNA片段,每组片段分别退火, 然后逐组连接成完整的可变区基因,插入质粒中, 进一步即可用于构建和表达改形抗体。
双特异性抗体(bispecific antibody,BSAb)是 指能同时识别2种抗原的抗体。1种为对应肿瘤相关 抗原。另1种为对应效应成分。
即能结合靶肿瘤细胞又能结合高细胞毒性的效 应细胞,将效应细胞富集在肿瘤周围,而且可以模拟 天然配体的作用,与细胞表面引发分子结合,激活效 应细胞,实现对肿瘤细胞的杀伤和裂解。
如果从杂交瘤细胞系构建单链抗体,可用PCR方 法扩增可变区基因,再组装到适当的表达载体上。
单链抗体最常用的表达体系是大肠杆菌,有2种 方式:
一是表达为包涵或非包涵体的不溶蛋白。产量高, 可达细菌蛋白总量的5%-20%,但需进行变性复性, 使其形成正确的立体结构,恢复抗体活性;
二是分泌型表达,将细菌的信号肽序列与单链抗 体的氨基端相连,单链抗体分子就可分泌到质周腔 和细菌体外,进行折叠后成为有活性的分子。但产 量不及前者,一般实验室培养条件下每升细菌的产 量仅在数毫克左右。
第六章 蛋白质工程在医药工业中的应用
第一节 医用抗体的蛋白质工程 第二节 组织纤维蛋白溶酶原激活因子
的蛋白质工程 第三节 基于蛋白质结构的小分子药物设计
第一节 医用抗体的蛋白质工程
• I. 抗体的产生和抗体的结构简介 1). 多肽组件的随机组合产生大量不同抗体 2). 抗原结合的特异性由超可变结构域决定 3). 恒定区的作用是稳定抗体分子 4). 稳定区介导效应器功能
静脉或冠脉内注射可使急性心肌梗死面积 减少,梗死血管重建血流。
对深静脉血栓、肺栓塞,眼底血管栓塞均有 疗效。
须早期用药.血栓形成不超过6h疗效最佳。
尿激酶(urokinase,UK)
由人肾细胞合成,无抗原性。 肝、肾灭活。 临床应用同SK,用于脑栓塞疗效明显。 因价格昂贵,仅用于SK过敏或耐药者。 不良反应为出血及发热,较SK少。 禁忌证同SK。
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