合理的分子设计与工程化蛋白质药物

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。
图 1 蛋 白质工程药物研究程序 合理药物设计( 最重 要的 是基于 分子 结构 的药物 设计
余 蓉等: 合理 的分子设计与工程化蛋白质药物
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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。
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。
2 蛋白质工程分子设计策略与应用
蛋白质工程不仅是药 物新 的研究 手段, 也 是先 进的生 表 1 已批准上市的蛋白质工程药物
* 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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运用这些方法基本上均可对所有的蛋白质序列和 结构的修 饰达到异常惊人的可控水平。随着蛋白质工程技 术日新月 异的发展, 点突 变技术、融 合蛋 白技术、DNA 重组、定 向进 化、基因插入及 基因打 靶、展示 技术、DNA 或 蛋白 质芯 片、 药物生物信息学和计算机 技术 的运用 , 使 得蛋 白质 工程药 物研究的不断深入和完善, 蛋 白质 工程药 物新 品种 迅速增 加, 蛋白质工程药物 将占 据着越 来越 大的市 场份 额。并成 为新型生物技术药物的快速发展前沿。
蛋白 质分子的合理设计是以研究和应用生物 分子多样 性为核心 的方法学为基础, 综 合应用 结构 生物 学和生 物信 息学、计算机科学和基因 工程 学等一 系列 新技 术开展 新型 蛋白质药 物的创新研究。 1. 1 基于结构生物学与生物信息学的分子设计
结构 生物学对蛋白质的静态空间结构研究与 其动态结 构与功能 关系的研究为蛋白质工程药物的合理设 计提供理 论依据, 使药物分子设计的靶向性越来越明确。
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
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
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
Baidu Nhomakorabea1 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。
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。
药物生物技术
P harmaceut ical Biot echnology 2005, 12( 6) : 401~ 411
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#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)
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
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
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
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