第二章基因工程制药

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n 其基因组小,世代时间短,有单倍体 双倍体两种形式,繁殖迅速,无毒性。
n 能外分泌,产物可糖基化。 n 已有不少真核基因成功表达。
第二章基因工程制药
丝状真菌
n 有很强的蛋白质分泌能力。 n 能正确进行翻译后加工。 n 糖基化方式与高等真核生物
相似。
第二章基因工程制药
哺乳动物细胞
n 优点:表达产物可由重组转化 细胞分泌到培养液中,纯化容 易。产物是糖基化的接近天然 物。
n 或转化感受态大肠杆菌使质粒进 入细胞内。
第二章基因工程制药cDNA的鉴定n 根据重组体的表型进行筛选,主要 有抗性基因失活法和菌落或噬菌斑 颜色改变法。
n 然后采用凝胶电泳、分子杂交、 DNA序列分析测定等方法进行进 一步筛选和鉴定。
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目的c核酸探针杂交法:用层析和高分辨电泳等技术纯
酸二酯键,故能分解 RNA/DNA杂交体系 中的RNA链。该酶 不能消化单链或双链
DNA。
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cDNA第二链的合成
n 此反应是在DNA聚合酶I催化下完 成的。核酸酶S1专一性切除单链 DNA,因此用它可以切除发夹结 构。
n 发夹结构结构切除后,双链cDNA 分子的大小常用变性琼脂糖凝胶电 泳进行测定。
n 基因工程中基因高效表达研究是指外 源基因在某种细胞中的表达活动,即 剪切下外源基因片段,拼接到另一个 基因表达体系中,使其能获得原生物 活性又可高产的表达产物。
第二章基因工程制药
什么是最佳的基因表达体系 n 目的基因的表达产量高 n 表达产物稳定 n 生物活性高 n 表达产物容易分离纯化
第二章基因工程制药
第二章基因工程制药
克隆真核基因的方法 逆转录法 化学合成法
第二章基因工程制药
什么是逆转录法
n 先分离纯化目的基因的mRNA,再反转录成互补 cDNA,然后进行互补cDNA 的克隆表达。
n 从产生该蛋白质的真核细胞中提取mRNA,以其 为模板,在逆转录酶的作用下,反转录合成该蛋 白质mRNA的互补DNA(complementary DNA ),再以互补DNA 为模板,在逆转录酶或 DNA 聚合酶作用下,最终合成编码该蛋白质的 双链DNA 序列。
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人工化学合成的限制
n 不能合成太长的基因,50~60bp。
n 人工合成时,遗传密码的简并性可 导致中性突变,为选择密码子带来 很大的困难 。
n 费用较高。
•同一种氨基酸具有两 个或更多个密码子的现 象称为密码子的简并性
第二章基因工程制药
四、基因表达
n 基因表达是指结构基因在生物体中的 转录、翻译以及所有加工过程。
第二章基因工程制药
2020/12/10
第二章基因工程制药
一、概述
n 生物技术的核心就是基因工程,基因工程 技术最成功的应用就是用于生物治疗的新 型生物药物的研制。
n 传统生物药物由于来源及制备上的困难、 价格等因素的影响,此外在制备过程可能 受到的病毒、衣原体、支原体等的感染等 问题,促使人们寻求安全、实用、疗效可 靠的新方法来制备生物药物。
宿主细胞的选择
适合目的基因表达的宿主细胞应满足以 下要求:
n 容易获得较高浓度的细胞 n 能利用廉价易得的原料 n 不致病、不产生内毒素
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宿主细胞的选择
n 发热量低,需氧低,适当的发酵温 度和细胞形态
n 容易进行代谢调控 n 容易进行DNA重组技术操作 n 产物的产量、产率高,产物容易提
•除菌过滤 •原料包装
•组建重组质粒 •培养工程菌 •半成品检验
胞构 第二章基因工程制药
第二章基因工程制药
基因工程药物生产的上游和 下游技术
n 上游技术:主要指的是目的基因分 离、工程菌(或细胞)构建。上游 阶段的工作主要在实验室内完成;
n 下游技术:主要指的是从工程菌 (或细胞)的大规模培养一直到产 品的分离纯化、质量控制等。
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枯草芽胞杆菌
n 分泌能力强,蛋白质不形成包含体 n 产物蛋白质不能糖基化 n 有很强的胞外蛋白酶 n 对产物降解
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链霉菌
n 作为外源性基因表达受到重视 n 不致病、使用安全 n 分泌能力强 n 表达产物可糖基化
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真核细胞-酵母
n 酵母菌是研究基因表达最有效的单细 胞真核微生物。
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三、目的基因的获得
n 对于原核生物,其基因总量不大,可以选用合适 的限制性核酸内切酶切下目的基因。
n 对于真核生物不能进行直接分离。真核细胞中基 因总量较大,从染色体中直接分离纯化目的基因 极为困难。
n 另外,真核基因一般都有内含子,如果以原核细 胞作为表达系统,即使分离出真核基因,由于原 核细胞缺乏mRNA 转录后的加工系统,真核基因 转录的mRNA 也不能被加工、拼接成为成熟的 mRNA ,因此不能直接克隆真核基因。
n 缺点:生长慢,生产率低,培 养条件苛刻,费用高,培养液 浓度稀。
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目前的状况
n 目前使用最广泛的宿主仍然是大肠 杆菌和酿酒酵母。
n 因为对它们的遗传背景研究得比较 清楚,建立了许多适合于它们的克 隆载体和DNA 导入方式。
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cDNA克隆
n 在cDNA克隆操作中应该根据不同的需 要选择适当的载体。
n cDNA插入片段小于10kb,可选质粒载 体,如大于10kb则应选用噬菌体DNA 为载体。
n 选用表达型载体可以增加目的基因的 筛选方法,有利于目的基因的筛选。
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将重组体导入宿主细胞
n 体外包装的噬菌体,感染感受态 大肠杆菌形成噬菌斑。
n 较小的蛋白质或多肽的编码基因可以采用人工化 学合成法合成。
n 其先决条件是已知目的基因的核苷酸序列,或已 知蛋白质的氨基酸序列,按相应的密码子推导出 DNA 的碱基序列。
n 用化学方法合成目的基因不同部位的两条链的寡 核苷酸短片段,再退火成为两端形成粘末端的 DNA 双链片段,然后将这些双链片段按正确的次 序进行退火使连接成较长的DNA 片段,再用连接 酶连接成完整的基因。
n 该序列不含内含子。
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逆转录法的步骤
n mRNA的纯化 n cDNA第一链的合成 n cDNA第二链的合成 n cDNA克隆
第二章基因工程制药
mRNA 的纯化
•mRNA(messengerRNA),信使RNA •rRNA((ribosomal RNA),核糖体RNA ,
n 利用基因工程技术可以发现、挖掘更多的 内源性生理活性物质;
第二章基因工程制药
利用基因工程技术生产药物的优点
n 内源生理活性物质在作为药物使用时存在 的不足之处,可通过基因工程和蛋白质工 程进行改造和去除;
如白细胞介素-2的第125位半胱氨酸是游离的, 有可能引起-S-S-键的错配而导致活性下降,如将 此半胱氨酸改为丝氨酸或丙氨酸,白细胞介素-2 的活性以及热稳定性均有提高;
第二章基因工程制药
n 应用基因工程技术可十分方便且有 效地解决上述提到的问题,从量、 质上都可以得到改进,且可以创造 全新物质。
n 癌症、病毒性疾病、心血管疾病以 及内分泌等方面的预防、治疗和诊 断已可通过基因工程技术获得。
第二章基因工程制药
利用基因工程技术生产的药物
包括医用活性蛋白和多肽: n 免疫性蛋白,各种抗原和单克隆抗体; n 细胞因子,干扰素、白介素、生长因
化微克量的目的蛋白质。 根据目的蛋白质纯品的氨基酸序列分析结果,
人工合成因工程制药
目的cDNA克隆的分离和鉴定
n 免疫反应鉴定法:在既无可供选择的基因 表型特征,又无合适探针的情况下,本法 的表达产物, 即以某种蛋白质的抗体寻找相应的特异 cDNA克隆。
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cDNA克隆
n 用于cDNA克隆的载体有两类:质粒 DNA(如pUC、pBR322等)和噬菌体 DNA(如gt10、 gt11等)。
n 根据重组后插入的cDNA是否能够表达、 能否经转录和翻译合成蛋白质,又将 载体分为表达型和非表达型载体。
n pUC及gt11为表达型载体,在cDNA 插入位置的上游具有启动基因顺序; 而pBR322及gt10为非表达型载体。
n 在合成反应体系中加入一种放射性标 记的dNTP,在反应中以及反应后可通 过测定放射性标记的dNTP掺入量,计 算出cDNA的合成效率。
第二章基因工程制药
cDNA第一链的合成
n 在凝胶电泳后,进行放射自显影分 析产物的分子大小,探索最佳反应 条件。
n 一次好的逆转录反应可使寡聚dT 选出的mRNA有5%~30%被拷贝。
•tRNA((tranfer RNA),转移tRNA)、
n 细胞内含有三种RNA,mRNA 占RNA 总量的 2%-5%,相对分子量大小不一致,分离也有很大 的困难。
n 但是mRNA 的3’末端常含有一多聚腺苷酸 (polyA)组成的末端,长达20-250 个腺苷酸, 足以吸附于寡聚胸苷酸(Oligo dT)-纤维素上, 从而可以用亲和层析法将mRNA 从细胞总RNA 上分离出来,可得到纯度较高的mRNA。
第二章基因工程制药
mRNA 的纯化
n 用高浓度盐溶液使mRNA特异结合于 寡聚dT。
n 再以低盐溶液和蒸馏水将其洗脱,经 过两次寡聚dT,可得到较纯的mRNA。
第二章基因工程制药
cDNA第一链的合成
n 一般mRNA都带有3‘-polyA,所以可用 寡聚dT作为引物,在逆转录酶的催化 下,开始cDNA链的合成。
第二章基因工程制药
cDNA第二链的合成
n 先用碱解或RNaseH酶解
•核糖核酸酶H
的方法除去cDNA-mRNA (RNase H)是一种核
杂交链中的mRNA链,然 糖核酸内切酶,它能
后以cDNA第一链为模板 够特异性地水解杂交
合成第二链。
DNA链上的RNA磷
n
由于第一链cDNA链3‘末端 往往形成一个发夹形结构, 所以,可以从这一点开始 合成cDNA第二链。
第二章基因工程制药
目的cDNA克隆的分离和鉴定
n 分离得到含有目的基因的阳性克隆后,必 须对其作进一步的验证和鉴定,主要是进 行限制酶图谱的绘制、杂交分析、基因定 位、基因测序以及确定基因的转录方向、 转录起始点等。
n 1985,PCR发明以后,RT-PCR得到了广泛 的应用。
第二章基因工程制药
化学合成法
第二章基因工程制药
大肠杆菌
限制: n 没有信号肽,所以产品多为细胞内产物,
提取时需破碎细胞,这样细胞质内其他蛋 白质也释放出来,造成提取困难 。 n 因分泌能力不足,真核蛋白质常形成不溶 性的包含体,表达产物需经变性复性才恢 复活性。 n 蛋白质不能糖基化。 n 产物蛋白质N端多余一个蛋氨酸残基。 n 其内毒素很难除去。
子; n 激素: 胰岛素、生长激素; n 酶类: 尿激酶、链激酶、蚓激酶、超氧
化物歧化酶。
第二章基因工程制药
利用基因工程技术生产药物的优点
n 可以大量生产过去难以获得的生理活性蛋 白和多肽(如胰岛素、干扰素、细胞因子 等),为临床使用提供有效的保障;
n 可以提供足够数量的生理活性物质,以便 对其生理、生化和结构进行深入的研究, 从而扩大这些物质的应用范围;

第二章基因工程制药
基因表达的微生物宿主细胞
n 原核细胞:大肠杆菌、枯草芽孢杆 菌、链霉菌;
n 真核细胞:酵母菌、丝状真菌、哺 乳动物细胞。
第二章基因工程制药
原核细胞-大肠杆菌
n 因为大肠杆菌的分子遗传学研究深入, 生长迅速,所以目前仍是基因工程研 究中采用最多的原核表达体系。
n 特点:表达基因工程产物的形式多种 多样,有细胞内不溶性表达(包含 体)、胞内可溶性表达、细胞周质表 达等,极少数还可以分泌到细胞外表 达。
n 可获得新型化合物,扩大药物筛选来源。
第二章基因工程制药
二、基因工程药物生产的基本过程
基因工程技术就是将重组对象的目 的基因插入载体,拼接后转入新的 宿主细胞,构建成工程菌,实现遗 传物质的重新组合,并使目的基因 在工程菌内进行复制和表达的技术。
第二章基因工程制药
基因工程药物制造的主要程序

•获得目的基因 •产物分离纯化
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