抗体酶

抗体结构
抗体分子是由两 条轻链(light chain, L链)和两条重链
(heavy chain, H链) H链
通过链间二硫键连 接而成的四肽键结 构.
经蛋白酶水解后分为抗原结合 片段(antigen binding fragment,Fab) 和可结晶片段
(crystallizabefragement,Fc) ;
A question: 如何让抗体具有酶活性 ?
三,抗体酶的制备
抗体酶制备的基本原理
按照现代酶学理论,酶首先要和底物结合, 按照现代酶学理论,酶首先要和底物结合,使底物 向过渡态转化, 向过渡态转化,然后再在催化基团的作用下促进底物 进行反应.免疫反应和酶反应十分相似, 进行反应.免疫反应和酶反应十分相似,抗体也能专 一地,高亲和力地与抗原物质结合, 一地,高亲和力地与抗原物质结合,然后再促使抗原 发生各种变化. 发生各种变化.如果能适当地改变抗体中与抗原
抗体的种类非常多, 抗体的种类非常多,免疫系统可以拥有上亿 种抗原特异性不同的抗体分子.应用抗体的种类 种抗原特异性不同的抗体分子. 繁多以及抗体酶的可诱导,可改造的特点, 繁多以及抗体酶的可诱导,可改造的特点,有望 能制备出具有治疗和辅助治疗某些疾病和催化某 类具有特殊意义反应的抗体酶. 类具有特殊意义反应的抗体酶.
抗体酶与天然酶相比其优势何在? 抗体酶与天然酶相比其优势何在?
(1)抗体酶可以达到专一催化某一底物转化的反应. 抗体酶可以达到专一催化某一底物转化的反应. 抗体酶能催化那些理论上认为非常不利的反应. (2)抗体酶能催化那些理论上认为非常不利的反应. 抗体酶能催化那些天然酶不能催化的反应. (3)抗体酶能催化那些天然酶不能催化的反应. 不仅提供了人工生物催化剂, (4) 不仅提供了人工生物催化剂,而且提供了研究 生物催化过程的新途径. 生物催化过程的新途径.
拷贝法
用已知酶作为抗原免疫动物,通过单克隆 用已知酶作为抗原免疫动物, 技术,制得抗该种酶的抗体. 技术,制得抗该种酶的抗体.再以此种抗体免疫 动物,再次采用单克隆技术,经筛选与纯化, 动物,再次采用单克隆技术,经筛选与纯化,就 可获得具有原来酶活性的抗体酶(因为抗原与该 可获得具有原来酶活性的抗体酶 因为抗原与该 抗产生的抗体具有互补性,经过上述两次拷贝, 抗产生的抗体具有互补性,经过上述两次拷贝, 就把酶的活性部位的信息翻录到抗体酶上,使该 就把酶的活性部位的信息翻录到抗体酶上, 抗体酶能高选择性地催化原酶所催化的反应). 抗体酶能高选择性地催化原酶所催化的反应 . 这种方法对自然界来源稀少的紧缺酶, 这种方法对自然界来源稀少的紧缺酶,不失 为一种有价值的有潜力的方法. 为一种有价值的有潜力的方法.
抗体酶的作用机制
酶和抗体的本质差别在于:酶是能和反应过渡态 酶和抗体的本质差别在于:酶是能和反应过渡态 (激发 选择结合的催化物质.而抗体是和基态 基态分子选择结 态分子 )选择结合的催化物质.而抗体是和基态分子选择结 它们识别底物的机理是相同的. 合的催化物质 ,它们识别底物的机理是相同的. 如果以激发态的分子为半抗原激发免疫系统产生抗体 , 那么这种抗体就可能像酶一样催化经过此过渡态的化学反应. 那么这种抗体就可能像酶一样催化经过此过渡态的化学反应. 由于在实践中很难获得反应的过渡态, 由于在实践中很难获得反应的过渡态,激发态的过渡态 分子不可能作为抗原来产生抗体, 分子不可能作为抗原来产生抗体,所以对某一特定的酶催化 的化学反应 , 可以合成一种稳定态分子 ,它在带电性能 , 几何形状与反应过渡态分子结构类似. 几何形状与反应过渡态分子结构类似.这种稳定态分子即为 过渡态类似物. 过渡态类似物. 设计和制备稳定的过渡态类似物, 设计和制备稳定的过渡态类似物,以此代替反应的过渡 态作为半抗原诱导产生抗体 ,这样产生的抗体就能识别反 应过程的真正过渡态,该抗体具有酶催化反应的基本特征, 应过程的真正过渡态,该抗体具有酶催化反应的基本特征, 可能成为一种具有酶活性的抗体.这就是我们所称的抗体酶. 可能成为一种具有酶活性的抗体.这就是我们所称的抗体酶.
结合部位的微环境, 结合部位的微环境,并在适当部位引入相应的 催化基团, 催化基团,那就有可能使抗体转变为具有催化 性能的抗体酶. 性能的抗体酶.
制备方法
诱导法
基因工程法
拷贝法
导入法
来自百度文库
修饰法
诱导法
采用过渡态的底物类似物诱导
(transition state analogue)
作为酶的抑制剂的过渡态类似物是稳定的, 作为酶的抑制剂的过渡态类似物是稳定的,因此利用 抗体能与抗原特异结合的原理, 抗体能与抗原特异结合的原理,可用过渡态的类似物作为 半抗原来诱发抗体, 半抗原来诱发抗体,这样产生的抗体便能特异的识别反应 过程中真正的过渡态分子! 过程中真正的过渡态分子! 首先设计和制备过渡态的底物类似物, 首先设计和制备过渡态的底物类似物,以它作为半 抗原(hapten),再和载体蛋白质一起免疫动物, ),再和载体蛋白质一起免疫动物 抗原(hapten),再和载体蛋白质一起免疫动物,然后 分出脾细胞,进而和骨髓瘤细胞融合, 分出脾细胞,进而和骨髓瘤细胞融合,选出对半抗原有 高亲和力的克隆,使之在培养介质中生长扩增, 高亲和力的克隆,使之在培养介质中生长扩增,最后选 纯化产生的具有催化活性的单克隆抗体. 择,纯化产生的具有催化活性的单克隆抗体.此法的关 键是要设计和获得适当的过渡态底物类似物作为半抗原. 键是要设计和获得适当的过渡态底物类似物作为半抗原.
寻找过渡态类似物作为半抗原产生的抗体 可能具有酶活性 由于ES 过渡态中间物的半衰期很短, 由于ES过渡态中间物的半衰期很短,实践中 很难获得反应的过渡态, 很难获得反应的过渡态,若设计和制备稳定的过渡 态类似物(能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构 态类似物( 的稳定物质, 的稳定物质,它能与相应的酶紧密结合而成为该酶 的竞争性抑制剂) 的竞争性抑制剂),以此替代反应的过渡态作为半 抗原,诱导与其互补构像的抗体, 抗原,诱导与其互补构像的抗体,这样产生的抗体 就能识别反应过程的真正过渡态, 就能识别反应过程的真正过渡态,该抗体即有酶催 化反应的基本特征,可能成为一种具有酶活性的抗 化反应的基本特征, 体.
第七章
抗体酶的出现使科学家 设计酶的梦想正逐渐变为现实
问题的提出: 问题的提出:
抗体是目前已知的最大多样性体系, 抗体是目前已知的最大多样性体系,机体 的免疫系统可以产生10 的免疫系统可以产生108-1010个不同的抗体分 子,抗体分子的多样性及其高度精确识别性使 其能结合几乎任何天然的或合成的分子. 其能结合几乎任何天然的或合成的分子. 能否利用抗体的这一特性将抗体开发成象 酶那样的催化剂呢?1986年 Science> 酶那样的催化剂呢?1986年<Science>同时发 表了两篇来自由Lemer Schultz分别领导的两 Lemer和 表了两篇来自由Lemer和Schultz分别领导的两 个研究组发现具有酶催化性质的抗体研究报告. 个研究组发现具有酶催化性质的抗体研究报告.
位于H 位于H和L链的N-端的可变区是 链的N 抗原的结合位点,由约110 110个 抗原的结合位点,由约110个 氨基酸构成(variable
region,V) .
其中H链含4个超变区段, 其中H链含4个超变区段,L链 个超变区段, 含3个超变区段,加上两条 链的组合,就可产生10 链的组合,就可产生108以 上种抗体分子. 上种抗体分子.
"制备"抗原: 制备"抗原: 制备 设计过渡态类似物 合成半抗原 半抗原- 半抗原-载体
杂交瘤细胞制备: 杂交瘤细胞制备: 免疫小鼠 与骨髓瘤细胞结合 限制性稀释 筛选与半抗原具有 高亲和力的克隆 制备单克隆抗体: 将细胞培养于腹水液或 培养介质中生产单抗 纯化单抗
筛选抗体酶: 筛选抗体酶: 筛选具有催化 性能的单抗
能与过渡态结合的抗体也具有酶的性质 根据Pauling理论 Jencks于1969年预 根据Pauling理论 ,William Jencks于1969年预 Pauling 若能找到对应某反应过渡态的抗体, 言:若能找到对应某反应过渡态的抗体,将其加入 该反应体系中, 该反应体系中,就可观测到这个抗体对该反应的催 化效应.也即: 化效应.也即:抗体若能与某化学反应的过渡态结 则这样的抗体必也能像酶一样, 合 ,则这样的抗体必也能像酶一样,使其活化能降 从而帮助大量反应物分子跨越能障, 低,从而帮助大量反应物分子跨越能障,达到加速 反应的目的. 反应的目的.这就意味着 ,抗体一旦能与过渡态相 结合 ,它就具有酶的性质 ,即在温和条件下高效 专属地催化学反应. 专属地催化学反应.
Peter Schultz
A question:
抗体酶是酶还是抗体 ?
二,抗体酶的结构与机制
什么是酶(enzyme) 什么是酶(enzyme) ? 活细胞产生, 酶——活细胞产生,起生物化学反应催化剂 活细胞产生 作用的蛋白质 蛋白质. 作用的蛋白质. 什么是抗体(antibody,Ab)? 什么是抗体(antibody,Ab)? 抗体——是B细胞识别抗原后增殖分化为浆 抗体 是 细胞所产生的一种蛋白质 蛋白质, 细胞所产生的一种蛋白质,主要存在于血 清等体液中,能与相应抗原特异性地结合, 清等体液中,能与相应抗原特异性地结合, 具有免疫功能. 具有免疫功能. 其本质是一类免疫球蛋白. 其本质是一类免疫球蛋白.
简言之—— 简言之
诱导法是选择适当的化学模型物与 载体蛋白连接后给动物免疫, 载体蛋白连接后给动物免疫,通过杂交 瘤技术筛选和分离单克隆抗体( 瘤技术筛选和分离单克隆抗体(所得抗 体催化效果的好坏很大程度上取决于化 学模型物的设计). 学模型物的设计).
基因工程法
对于已经获得的单抗, 对于已经获得的单抗,分析其氨基酸序列和 相应基因的碱基序列,将抗原结合部位的基因换 相应基因的碱基序列, 上编码有催化作用的氨基酸的基因, 上编码有催化作用的氨基酸的基因,这就是基因 工程法制备抗体酶的主要内容. 工程法制备抗体酶的主要内容. 基因工程的技术使得建立抗体基本的组合文 库,并根据需要构建适当序列的基因片断已成为 可能.利用抗体库技术, 可能.利用抗体库技术,在将来也许有可能绕开 免疫,产生完全由基因工程构建的全新抗体酶. 免疫,产生完全由基因工程构建的全新抗体酶.
一,抗体酶的发现与研究思路
酶的催化机理是降低活化能
1946年 1946年,诺贝尔奖二次得主美国化 学家Linus 学家Linus Pauling 提出酶催化反应的 过渡态理论: 过渡态理论:酶催化化学反应的机制在 酶能与高能, 于:酶能与高能,短寿 命的过渡态(激发态) 命的过渡态(激发态)相结合 ,在这 个处于反应底物和产物之间的过渡态构 型中,某些键断裂而另一些键形成, 型中,某些键断裂而另一些键形成,从 而大大降低了化学反应的活化能. 而大大降低了化学反应的活化能.
如愿以偿
在1986年,加利福尼亚实验室的Lerner和 1986年 加利福尼亚实验室的Lerner和 Lerner Schultz 同时报道了成功制备具有催化能力的单 克隆抗体---催化抗体,证实了抗体和酶一样, ---催化抗体 克隆抗体---催化抗体,证实了抗体和酶一样, 能专一催化化学反应的事实.此后, 能专一催化化学反应的事实.此后,抗体酶才从 理论变为了现实. 理论变为了现实. 目前, 目前,抗体酶的研究方向是如何提高酶的效 率以及免疫学中的应用. 率以及免疫学中的应用.
抗体酶模型
抗体酶——Abzyme Abzyme 抗体酶
是酶的高效催化能力和抗体的高度选择性巧妙结的 产物, Ig) 产物,本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋(Ig) , 在其可变区赋予了酶的属性.因此, 在其可变区赋予了酶的属性.因此,催化抗体又称抗体 酶.通过一系列化学和生物技术方法制备出具有催化活 性的抗体,除了具有相应的免疫学性质,还类似于酶, 性的抗体,除了具有相应的免疫学性质,还类似于酶, 具有各种催化特性. 具有各种催化特性. 所以,其实抗体酶是一种特殊的抗体, 所以,其实抗体酶是一种特殊的抗体,它有着催化 特性,可谓是酶和抗体性质的兼得. 特性,可谓是酶和抗体性质的兼得.所以又被称为 催化抗体. antibody) 催化抗体.(Catalytic antibody)