1、酶分子定向进化酶分子定向进化 酶分子定向进化又称为酶分子体外进化，属酶分子定向进化又称为酶分子体外进化，属于蛋白质的非理性设计，是蛋白质工程的新策略，于蛋白质的非理性设计，是蛋白质工程的新策略，是在试管中模拟达尔文进化的过程，利用分子生是在试管中模拟达尔文进化的过程，利用分子生物学手段在分子水平创造分子的多样性，结合灵物学手段在分子水平创造分子的多样性，结合灵敏的筛选技术，迅速得到理想的突变体。与传统敏的筛选技术，迅速得到理想的突变体。与传统的理性设计相比，它不需事先了解蛋白质的空间的理性设计相比，它不需事先了解蛋白质的空间结构、活性位点、催化机制等因素，而是人为地结构、活性位点、催化机制等因
2、素，而是人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制（随机创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制（随机突变、基因重组和自然选择），在体外改造酶基突变、基因重组和自然选择），在体外改造酶基因，产生基因多样性，并结合定向筛选（或选择）因，产生基因多样性，并结合定向筛选（或选择）技术，获得具有某些预期特征的改构酶。技术，获得具有某些预期特征的改构酶。生物的自然进化生物的自然进化进化过程：突变突变自然选择自然选择遗传后代遗传后代进化结果：基因多样性基因多样性：为完成同一功能所表现出的：为完成同一功能所表现出的 多个多个 基因或同一个基因基因或同一个基因(同源性同源性)代谢途径的多样性代谢途径的多样性：同样
3、产物，多条途径：同样产物，多条途径 代谢产物的多样性代谢产物的多样性：同一底物，不同产物：同一底物，不同产物 生物多样性生物多样性：整个生态系统中的生物：整个生态系统中的生物酶的定向进化酶的定向进化 酶分子的合理设计酶分子的合理设计(rational design)(rational design)酶分子的定向进化酶分子的定向进化(directed evolution(directed evolution)酶的合理酶的合理设计设计 理论上，蛋白质分子蕴藏着很大的进化潜力，理论上，蛋白质分子蕴藏着很大的进化潜力，很多功能有待于开发，这是酶的体外定向进化很多功能有待于开发，这是酶的体外定向进化的基
4、本先决条件。的基本先决条件。所谓酶的体外定向进化，又称实验分子进化，所谓酶的体外定向进化，又称实验分子进化，属于蛋白质的非合理设计，它不需事先了解酶属于蛋白质的非合理设计，它不需事先了解酶的空间结构和催化机制，通过人为地创造特殊的空间结构和催化机制，通过人为地创造特殊的条件，模拟自然进化机制的条件，模拟自然进化机制(随机突变、重组随机突变、重组和自然选择和自然选择)，在体外改造酶基因，并定向选，在体外改造酶基因，并定向选择出所需性质的突变酶。择出所需性质的突变酶。酶的体外定向进化技术极大地拓展了蛋白质工酶的体外定向进化技术极大地拓展了蛋白质工程学的研究和应用范围，特别是能够解决合理程学的研究和
5、应用范围，特别是能够解决合理设计所不能解决的问题，为酶的结构与功能研设计所不能解决的问题，为酶的结构与功能研究开辟了崭新的途径，并且正在工业、农业和究开辟了崭新的途径，并且正在工业、农业和医药等领域逐渐显示其生命力。医药等领域逐渐显示其生命力。在待进化酶基因的在待进化酶基因的PCRPCR扩增反应中，利用扩增反应中，利用Taq DNATaq DNA聚聚合酶不具有合酶不具有3-53-5校对功能的性质，配合适当条校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构件，以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的建突变库，凭借定向的选择方法，选
6、出所需性质的优化酶优化酶(或蛋白质或蛋白质)，从而排除其他突变体。，从而排除其他突变体。定向进化的基本规则是定向进化的基本规则是“”。前者是人为引发的，后。前者是人为引发的，后者虽相当于环境，但只作用于突变后的分子群，起者虽相当于环境，但只作用于突变后的分子群，起着选择某一方向的进化而排除其他方向突变的作用，着选择某一方向的进化而排除其他方向突变的作用，整个进化过程完全是在人为控制下进行的整个进化过程完全是在人为控制下进行的又称有性又称有性PCR(sexual PCR)PCR(sexual PCR)，原理。，原理。该策略的目的是创造将亲该策略的目的是创造将亲本基因群中的突变尽可能组合的机会，导
7、致更大的变本基因群中的突变尽可能组合的机会，导致更大的变异，最终获取最佳突变组合的酶。通过异，最终获取最佳突变组合的酶。通过DNADNA改组改组,不不仅可加速积累有益突变，而且可使酶的仅可加速积累有益突变，而且可使酶的2 2个或更多的个或更多的已优化性质合为一体。已优化性质合为一体。类似于类似于DNADNA改组，两者都是在各自含突变的片段间进行交换，前改组，两者都是在各自含突变的片段间进行交换，前者尤其适用于真核生物。在自然界中，不同分子的内者尤其适用于真核生物。在自然界中，不同分子的内含子间发生同源重组，导致不同外显子的结合，是产含子间发生同源重组，导致不同外显子的结合，是产生新蛋白质的有效
8、途径之一。与生新蛋白质的有效途径之一。与DNADNA改组不同，外显改组不同，外显子改组是靠同一种分子间内含子的同源性带动，而子改组是靠同一种分子间内含子的同源性带动，而DNADNA改组不受任何限制，发生在整个基因片段上。改组不受任何限制，发生在整个基因片段上。1 1、定向进化中，突变具有随机性，但通过、定向进化中，突变具有随机性，但通过，加之控，加之控制实验条件，限定突变种类，制实验条件，限定突变种类，降低突变率，降低突变率，缩小突变库的容量，这不仅减少了工作量，缩小突变库的容量，这不仅减少了工作量，更重要的是加快了酶在某一方向的进化速度。更重要的是加快了酶在某一方向的进化速度。2 2、通常、
9、通常,。另有一些其他的筛选方法，如加入能。另有一些其他的筛选方法，如加入能产生可见光信号的底物或利用绿色荧光蛋白产生可见光信号的底物或利用绿色荧光蛋白的荧光性质等。的荧光性质等。高通量的筛选体系高通量的筛选体系酶酶性质性质突变方法突变方法枯草杆菌蛋白酶E有机相活性/稳定性易错PCR-内酰胺酶总活力/底物专一性DNA改组枯草杆菌蛋白酶BPN稳定性 盒式诱变对硝基苯酯酶底物专一性/有机相活性易错PCR/DNA改组 胸腺嘧啶核苷激酶底物专一性盒式诱变-半乳糖苷酶底物专一性DNA改组绿色荧光蛋白荧光DNA改组核酶底物专一性易错PCR/DNA改组天冬氨酸酶活性与稳定性随机/定位诱变药物和疫苗活性/专一性
10、/最佳表达DNA改组回本章目录分子进化工程的种类分子进化工程的种类人工获取新基因的方法人工获取新基因的方法常规的基因工程方法 生物功能生物功能 蛋白质蛋白质 基因基因新基因的理性设计和人工合成 根据已有基因的序列和功能进行设计根据已有基因的序列和功能进行设计基因的直接进化（directed evolution)可使已有基因获得新的特性可使已有基因获得新的特性 可获得自然界中不存在的基因可获得自然界中不存在的基因 可解决许多新的理论和应用问题可解决许多新的理论和应用问题基因直接进化的用途基因直接进化的用途提高酶活性提高酶活性天门冬氨酸氨基转移酶活性提高天门冬氨酸氨基转移酶活性提高30倍倍改变底物
11、特异性和对映异构体选择性改变底物特异性和对映异构体选择性 酯酶可水解非天然酯类酯酶可水解非天然酯类改善酶的工艺性改善酶的工艺性冷适应和热适应酶冷适应和热适应酶改变酶的拓扑结构改变酶的拓扑结构二体酶变为单体酶二体酶变为单体酶获取许多新的理论知识获取许多新的理论知识基因直接进化的用途基因直接进化的用途 提改变酶的特性提改变酶的特性-多功能或单功能酶多功能或单功能酶 高酶活性高酶活性-天门冬氨酸氨基转移酶活性提天门冬氨酸氨基转移酶活性提高高30倍倍 改变底物特异性和对映异构体选择性改变底物特异性和对映异构体选择性-酯酶可水解非天然酯类酯酶可水解非天然酯类 改变酶的工艺性改变酶的工艺性-冷适应和热适应
12、酶冷适应和热适应酶 改善酶的稳定性改善酶的稳定性-二体酶变为单体酶或二体酶变为单体酶或单体酶变为二体酶单体酶变为二体酶 获取许多新的理论知识获取许多新的理论知识TLPs 的失活曲线的失活曲线TLP-ste突变蛋白的三维结构突变蛋白的三维结构酶拓扑结构的变化酶拓扑结构的变化蛋白质的耐热机制蛋白质的耐热机制 天然耐热蛋白质特性：天然耐热蛋白质特性：减少内腔体积；引入盐桥束；减少表面积减少内腔体积；引入盐桥束；减少表面积/体积比；体积比；除去氧化还原活性基；埋藏暴露的疏水基；除去除去氧化还原活性基；埋藏暴露的疏水基；除去-支链氨基酸；除去能脱氨基的氨基酸。支链氨基酸；除去能脱氨基的氨基酸。所有耐热蛋
13、白质的氨基酸同源性低至所有耐热蛋白质的氨基酸同源性低至36%，最高不，最高不超过超过75%。分子进化耐热蛋白质特性：分子进化耐热蛋白质特性：邻邻-硝基苯酯酶（硝基苯酯酶（p-nitrobenzyl esterase）突变）突变体体8g8的了稳定性提高了的了稳定性提高了17 C，但突变的氨基酸数，但突变的氨基酸数仅有仅有13个，与天然酯酶同源性高达个，与天然酯酶同源性高达97%。基因直接进化的步骤基因直接进化的步骤 突变突变 基因突变库的建立基因突变库的建立 筛选筛选 基因突变库的活体或离体筛选基因突变库的活体或离体筛选 基因复制与遗传基因复制与遗传建立基因突变库的方法建立基因突变库的方法定向诱
14、变：点突变碱基删除、增补和替换随机诱变：易错PCR法(Error-prone PCR)v 降低一种dNTP的量（降至5-10）v 加入dITP来代替被减少的dNTPv 缓冲液中另加0.5mmol/L Mn2+易错PCR 同序法（consensus approach）v对一组同源蛋白质的氨基酸序列进行比较，以一定的标准程序计算出各氨基酸序列的共有序列；v人工合成同序基因后重组表达。Martin Lehmann等（20002002）把这种方法应用在真菌植酸酶家族设计合成了同序植酸酶基因，并表达出具热稳定性的同序植酸酶。真菌植酸酶真菌植酸酶aa序列的同序比较序列的同序比较 同序植酸酶-1的最适温度为
15、71，而亲代植酸酶的最适温度为45-55，增加了16-26,同序植酸酶-1Tm为78，比亲代植酸酶增加了15-22，而催化性质与大多数亲本植酸酶相似。DNA Shuffling:v外显子、单基因和基因家族的重组装v随机引物延伸法v交错延伸法随机片段活体突变:线状基因和随机片段共转化酵母细胞基因突变库的筛选方法基因突变库的筛选方法Screening the Library and Selecting the Right Clone 平板分析使抗生素失效的酶类(如头孢菌素酶，b-乳糖酶）提高耐热性易于观察的菌落表型（如菌落颜色等）营养缺陷型的辅助筛选 噬菌体展示、细胞表面展示 根据所需要的特性，对
16、经Shuffling后的DNA文库在噬菌体或细菌细胞表面（细菌、纤毛虫细胞表面）的表现特征进行筛选，获得提高目的底物亲和力的突变子。减少筛选工作量 突变文库大的突变子库小的突变子库单克隆噬菌体表面展示噬菌体表面展示(phage surface display)将外源基因或随机序列的将外源基因或随机序列的DNA分子群与噬菌体外壳蛋白基分子群与噬菌体外壳蛋白基因相连接，使外源因相连接，使外源DNA所编码的所编码的蛋白质以融合蛋白形式表达在噬蛋白质以融合蛋白形式表达在噬菌体外壳表面的方法。易于用免菌体外壳表面的方法。易于用免疫反应或配体特异性结合等方法疫反应或配体特异性结合等方法筛得目的克隆。筛得目
17、的克隆。噬菌体展示筛选模式DNA Shuffling技术DNA ShufflingDNA改组改组DNA洗牌洗牌DNA搅乱重排搅乱重排19941994年，年，StemmerStemmer等，用等，用DNA ShufflingDNA Shuffling技术体外快技术体外快速进化蛋白速进化蛋白有性有性PCRPCR法法19971997年年 ，France AronldFrance Aronld研究组将研究组将DNA ShufflingDNA Shuffling技技术做了改进术做了改进交错延伸法交错延伸法What happens after DNA shuffling Generation of a l
18、arge library of novel genes(chimeras)Selection for improved/desired bio-functions v crossovers,v deletions,v insertions,v inversions,v point mutationsDarwinian EvolutionNatural selection of existing mutationsDirected Evolution Targeted selection of created mutationsWhat is DNA shuffling?DNA Shufflin
19、g的内涵DNA Shuffling：指指DNADNA分子的体外重组，是分子的体外重组，是基因在分子水平上进行基因在分子水平上进行有性重组有性重组(Sexual(Sexual Recombination)Recombination)。通过改变单个基因。通过改变单个基因(或基因家或基因家族，族，gene family)gene family)原有的核苷酸序列，创造原有的核苷酸序列，创造新新基因基因，并赋予表达产物以，并赋予表达产物以新功能新功能。DNA Shuffling的内涵项目项目进化速度进化速度进化对象进化对象进化进化周期周期影响对象影响对象突变效率突变效率常规定向常规定向进化进化缓慢进化缓
20、慢进化整个基因组整个基因组多年多年完整基因组完整基因组高高DNAShuffling快速进化快速进化特定基因特定基因/操纵子操纵子/病毒病毒几天几天部分基因组部分基因组低低DNA ShufflingDNA Shuffling与常规定向进化的比较与常规定向进化的比较How DNA shuffling works-1How DNA shuffling is done in the tubev Random fragmentation of a pool of related genes;v Self-priming polymerase reaction and template switching
21、(causing crossovers);v PCR amplification with primers of reassembled products How DNA shuffling works-2Similar mutants generated byerror-prone PCR,random and site-directed mutagenesis.Single gene shufflinglibrary of point mutantsFamily gene shufflinglibrary of chimerasGenerating chimeras with crosso
22、vers of large blocks of sequencesDNA 重组装的过程随机引物PCR和重组装 连续易错连续易错PCR(sequential error prone PCR)策略即策略即将一次将一次PCR扩增得到的扩增得到的有用突变基因作为下一次有用突变基因作为下一次PCR扩增的扩增的模板，连续反复地进行随机诱变。模板，连续反复地进行随机诱变。易错易错PCR方法方法 交错延伸PCR突变法磷脂酶热稳定催化活性的分子进化（Jae Kwang Song等，2000）DNA Shuffling技术的应用枯草杆菌蛋白酶E热稳定性的分子进化（Huimin Zhao等，等，1999）进化后的枯
23、草杆菌蛋白酶E正面反面耐热p-硝基苯酯酶的分子进化(Lori Giver等，1998）-葡糖苷酶耐热性的提高(Mar a Jesu s Arrizubieta等，2000）部分部分DNA Shuffling技术的研究成果技术的研究成果类 型示 例特 性活性增加倍数 潜在应用领域蛋 白 绿色荧光蛋白荧光强度45基础研究重组蛋白RecA重组率100基础研究抗 体 人源抗体亲和性400生物制药酶天冬氨酸转氨酶催化特异性10，000生物制药-内酰胺酶抗生素抗性32，000抗生素枯草杆菌蛋白酶E耐热性65耐热时间17200工业酶细胞因子人类干扰素抗病毒285，000基因治疗肿瘤抑制因子P5337半衰期1
24、2基因治疗代谢途径砷酸盐代谢途径砷酸盐解毒40生物制药汞代谢途径汞解毒12生物制药绿色荧光蛋白（green fluorescence protein;GFP;green fluorescent protein）从水母从水母(Aequorea victoria)体内发现的发光蛋体内发现的发光蛋白。分子质量为白。分子质量为26kDa，由，由238个氨基酸构成，个氨基酸构成，第第6567位氨基酸位氨基酸(Ser-Tyr-Gly)形成发光团，形成发光团，是主要发光的位置。其发光团的形成不具物种是主要发光的位置。其发光团的形成不具物种专一性，发出荧光稳定，且不需依赖任何辅因专一性，发出荧光稳定，且不需依
25、赖任何辅因子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白基因转化子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白基因转化入宿主细胞后很稳定，对多数宿主的生理无影入宿主细胞后很稳定，对多数宿主的生理无影响，是常用的报道基因。响，是常用的报道基因。2008年年 诺贝尔化学奖得主诺贝尔化学奖得主 2008年的诺贝尔化学奖授予了从事有关年的诺贝尔化学奖授予了从事有关“绿色荧光蛋白质的发现绿色荧光蛋白质的发现,表达和发展表达和发展”并并取得重要成就的三位科学家取得重要成就的三位科学家:下村修、马下村修、马丁丁查尔菲和钱永健。查尔菲和钱永健。荧光蛋白在三大领域荧光蛋白在三大领域“发光发光”目前，荧光蛋白在很多领域都发挥着重大作用，目前
26、，荧光蛋白在很多领域都发挥着重大作用，包括有包括有毒物质检测、神经生物分析及转基因动物研究等。毒物质检测、神经生物分析及转基因动物研究等。比如，可比如，可用荧光蛋白检测水井中是否含有砷用荧光蛋白检测水井中是否含有砷(俗称砒霜俗称砒霜)。砷中毒问题。砷中毒问题在东南亚地区较为严重，常使很多人集体中毒。研究人员已在东南亚地区较为严重，常使很多人集体中毒。研究人员已经研发出带有荧光蛋白的抗砷性细菌，只要水中含有砷，细经研发出带有荧光蛋白的抗砷性细菌，只要水中含有砷，细菌就会发出荧光并被仪器检测到，提醒人们不要饮用。菌就会发出荧光并被仪器检测到，提醒人们不要饮用。GFP还可用作检测还可用作检测TNT(
27、一种烈性炸药一种烈性炸药)、重金属等。、重金属等。荧光蛋白在荧光蛋白在神经生理学神经生理学上的应用也很受人关注，在它的上的应用也很受人关注，在它的帮助下，研究人员能看到以前所不能见的新世界，包括大脑帮助下，研究人员能看到以前所不能见的新世界，包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。荧光蛋白的另一种重要应用就是荧光蛋白的另一种重要应用就是转基因动物转基因动物。近年来，。近年来，美国、韩国、日本等国曾多次培养出美国、韩国、日本等国曾多次培养出“发光的动物发光的动物”，我国，我国也在去年也在去年12月首次培养出绿色荧光转基因猪。转基因动物是月首次培养出
28、绿色荧光转基因猪。转基因动物是指，将一种动物基因在另一种动物体内表达的过程，在遗传指，将一种动物基因在另一种动物体内表达的过程，在遗传研究、器官移植、特种改良等领域具有重大意义。荧光蛋白研究、器官移植、特种改良等领域具有重大意义。荧光蛋白由于结构简单可作为由于结构简单可作为“报告基因报告基因”(一种编码可被检测的蛋白一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因质或酶的基因)，大大简化了转基因动物的培养过程。，大大简化了转基因动物的培养过程。Random-priming recombination(RPR)随机引物重组法随机引物重组法随机挑取枯草杆菌蛋白酶随机挑取枯草杆菌蛋白酶RPR库中库中10个克隆序列
29、个克隆序列DNA重组装原理图重组装原理图(DNA shuffling)1.DNaseI产生随机片段；产生随机片段；2.随机片段变性；随机片段变性；3.随机片段复性；随机片段复性；4.延伸延伸 反复重复反复重复2-4步后，可获得全长步后，可获得全长DNA片段片段 随机挑取枯草杆菌蛋白酶随机挑取枯草杆菌蛋白酶DNA重组装库中重组装库中10个克隆序列个克隆序列Table 1 Frequency of active clones obtained after DNA shuffling under different conditionsa As suggested in ref.7.b Clones
30、 exhibiting 10%wild-type subtilisin E activity.DNA重组装过程重组装过程多重组和随机多重组多重组和随机多重组PCR原理图原理图RM-PCR法构建法构建随机重组装库随机重组装库(A)和剪接库和剪接库(B)基因突变库的筛选基因突变库的筛选方法方法 活体筛选法活体筛选法 遗传互补筛选法遗传互补筛选法 活体活体-离体筛选法离体筛选法 噬菌体显示法；细胞表面显示法（细菌、噬菌体显示法；细胞表面显示法（细菌、纤毛虫细胞表面）纤毛虫细胞表面）离体筛选法离体筛选法 1）核糖体显示技术）核糖体显示技术 2）RNA-蛋白质融合技术蛋白质融合技术(RNA显示技术）显示
31、技术）丝状噬菌体的生活周期丝状噬菌体的生活周期噬菌体显示筛选模噬菌体显示筛选模式式噬菌体显示的几种类型噬菌体显示的几种类型M13噬菌体噬菌体pIII和和pVIII的显的显示示核糖体显示技术核糖体显示技术RNA-蛋白质融合技术蛋白质融合技术RNA-蛋白质的融合蛋白质的融合寡霉素与核苷酸的连接寡霉素与核苷酸的连接Myc ds-DNA的富集的富集交错延伸交错延伸PCR突变法突变法质粒肽库的设计和筛质粒肽库的设计和筛选选LacIDNArandomlac Olac OLacIlac Olac Orandompeptideimmobilizedreceptor（引自Schatz等，1996）I m m u
32、 n iz e w ith A n tig e n H u m a nP e r ip h e r a l B lo o dI s o la te L y m p h o c y te sI s o la te m R N AA A AA A AA A AA A AA A AA A AA A AA m p lify c D N A w ith P C RL ig a te in to H e a v y C h a in Ve c to r HLS c r e e n fo r A n tig e n B in d in gH e a v y&L ig h t C h a in I m m u n o Z a p L ib r a r ie sR a n d o m ly C o m b in e H&L L ib r a r ie sHH LH LC o m b in a to r ia l L ib r a r yH L L ig a te in to L ig h t C h a in V e c to r抗体库的构建和筛选抗体库的构建和筛选分子进化工程的应用分子进化工程的应用单基因的定向改造单基因的定向改造序列相关基因的重排序列相关基因的重排生物代谢途径的改造生物代谢途径的改造对整个基因组的改造对整个基因组的改造药物的筛选药物的筛选
