蛋白质工程在医学中的应用及其发展前景

蛋白质工程在其诞生以来就在人们生活的方方面面起到了很大的作用，它的应用主要是在在医药，食品加工，轻工业，农牧业等方面，为社会的发展进步提供了不容忽视的力量，这将预示着蛋白质工程将在以后的社会发展中有着良好的发展前景。

随着20世纪70年代初期DNA基因工程的诞生，蛋白质工程在它的冲击下应运而生。1983年，美国Genex 公司K.Ulmer 在《Science》上发表以《Protein Engineering.》为题的专论，第一次提出了蛋白质工程的概念，并建立了专门的研究实体，制定了相应研究开发计划，标志着蛋白质工程的正式诞生。在以后的二十多年里，蛋白质工程有了长足的发展且应用于医学，农业，轻工等各个领域，产生了较大的经济效益和社会效益。

一．蛋白质工程在医药中的的医用

基因工程为实现蛋白质工程已经提供了基因克隆、表达、突变以至活性测定等关键技术，而蛋白质分子的结构分析、结构设计和预测为蛋白质工程的实施提供了必要的结构模型和结构基础。蛋白质工程的实施实际上是一个由理论到实践、由实践到理论的周而复始的研究过程，对蛋白质的结构—功能关系的规律性认识是一个螺旋式上升的过程。蛋白质工程不但有着广泛的应用前景，而且在揭示蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中也是一个不可替代的手段。

（一）蛋白质工程在医药中的应用

1抗体工程的应用

抗体工程的出发点是改善抗体的特异性、亲和性以及在受体细胞中的可生产性。当然也包括使其特性扩展，可同时作用于不同的抗原。对于很多应用而言，只改变亲和性是不够的。在一些应用中，特别小的抗体片段是必需的；鼠抗体必须改成人抗体；再者，增加抗体分子对蛋白酶的稳定性以及正确折叠都是重要的考虑。

下面以一个特异性结合实体瘤的单克隆鼠抗体为例。这种抗体对高度特异性肿瘤治疗而言是很理想的，它可以将免疫毒素带到瘤细胞中，从而杀死瘤细胞。由于完整的抗体分子太大，不能最大限度地扩散到瘤体中，以致不能完成治疗目的。为此，必须将抗体分子变小，抗体的最小片段Fv就成了最佳候选分子。然而Fv本身不稳定，这样抗体运载体Fy和所携带的毒素可能在到达目的地之前就分开。因而，首先要使其稳定化；然后抗体的亲和性要尽可能高，这是因为抗体对抗原(即瘤细胞)的结合越好，所携带的毒素错误地在身体内传布的危险性就越小，抗体更能达到其目的地。然而，如果病人的免疫系统将这个鼠源抗体识别为外源蛋白质，则几天之后由于HAMA反应产生的人抗鼠抗体就阻断了携带毒素的鼠抗体到达瘤细胞之路，使免疫治疗归于失败。为了解决这一问题，就要对抗体进行改造。近年来，用大肠杆菌系统有效地表达所需要的特定功能的抗体技术取得突破，向人们提供了具有全新性质的医用抗体片段。以上就是对鼠源抗体改造的路子。

如上所述，由于HAMA免疫反应直接从具有特异性结合活性的鼠源单抗在治疗中的作用就受到限制。由于绝大多数HAMA抗体是抗鼠源抗体的恒定区，使人们想到产生嵌合抗体可能解决上述问题，即将鼠单抗的恒定区换成人抗的恒定区。由于人抗体基因和鼠抗体基因都可以分别进行克隆，利用PCR技术很容易将鼠单抗可变区与人的恒定区重组到一起，所得到的嵌合抗体仍然能特异性地结合抗原，而HAMA反应被减少。由于这样的嵌合抗体的恒定区(或恒定结构域)来源于人，因而它对于激活人免疫系统的某些辅助功能更有效，则可有效地激活依赖于抗体的细胞的细胞毒性(ADCC)，这就是某些像这样的人源化抗体已经用到临床实验的原因。

如前所述，抗体的人源化可很明显地减低HAMA反应，但也产生少数抗鼠可变结构域的人抗鼠抗体(HAMA抗体)。从抗体的结构图中可以看出抗体的可变结构域可以分成为超变区(即互补性决定区CDRs)和变化性较少的骨架区，而与抗原的结合是由超变区决定的。与超变区相比，这些骨架区是保守的，这些有限的骨架区的氨基酸序列由一个紧密相关的基因家族编码。这种结构特点使人们想到，是否可以将鼠抗体的超变区嫁接到一个相关的人抗体可变结构域的骨架部位，这就是所谓的超变区嫁接的设计。按着这一种设想产生的第一个抗体，其亲和性比它的前体(鼠抗体)明显地降低。随着对许多不同抗体的三级结构认识的扩大，CDR嫁接所得到的结果也随之改善。现在，几个完全人源化抗体的亲和性已与鼠抗体几乎没有差别，用这样的抗体作为治疗制剂也再不受HAMA反应的困扰。

这些研究也对抗体的结构功能研究有很大促进，发现了在抗体可变区某些氨基酸是很重要的，某些氨基酸的配对对可变区的稳定性和正确折蠢是不可替代的。在人源化抗体的操作中，这些氨基酸都不能改变。这些发现体现了蛋白质工程操作从理论到实践，再由实践到理论的过程。

总之，通过抗体的蛋白质工程可以对具有特定结合活性的鼠源抗体人源化，为疾病的治疗提供安全可靠的药物。此外还可以通过同源融合、异源融合产生各种双功能抗体用于临床的治疗。

人抗鼠抗体(HAMA)检测试剂盒

2，抗体酶的应用

抗体酶是研究酶作用机理的有力工具。酶抑制剂的研究支持了Pauling过渡态理论，但它只能提供作用过程中结合专一性的信息，不能给出结合后发生催化反应以及结合与催化之间的关系。抗体酶实验则弥补了这一缺陷。

除了基础理论研究的价值，抗体酶的应用前景也令人鼓舞。Lerner指出，若将催化水解反应的抗体酶研究深入下去，极有可能得到一种新型蛋白酶，这种抗体酶在医学上可用来专一破坏病毒蛋白质及清除体内“垃圾”。Lerner还提到，将具有立体专一性的抗体酶应用于制药工业，将有助于解决对映体拆分的难题。随着制备抗体酶新方法的不断发展，抗体酶的催化反应的范围将进一步拓宽特别是对那些天然酶不能催化的反应，则可研制抗体酶来进行催化。

其次，抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去设计适合于市场需要的蛋白质，即人为地设计制作酶。这是酶工程的一个全新领域。例如：利用动物免疫系统产生抗体的高度

专一性，可以得到一系列高度专一性的抗体酶，成为针对性强、药效高的药物，于是生产高纯度立体专一性的药物成为现实。又如：以某个生化反应的过渡态类似物来诱导免疫反应，产生特定抗体酶，以治疗某种酶先天性缺陷的遗传病。抗体酶还可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解，从而防止病毒与靶细胞结合。另外，抗体酶的固定化已获得成功，将大大地推进工业化进程。

3，融合蛋白质的应用

脑啡胀(Enk)N端5肽线性结构是δ型受体结合的基本功能区域，干扰素(IFN)是一种广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子。黎孟枫等人化学合成了Enk N端5肽编码区，通过一连接3肽编码区与人α1型IFN基因连接，在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白。以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞为模型，采用3H—胸腺嘧啶核苷掺入法证明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的IFN，通过Naloxone竞争阻断实验证明，抑制活性的增高确由Enk导向区介导。