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1、第五章 几类特殊的酶,核 酶 端粒酶抗体酶,第二节 端粒和端粒酶,衰老是一个极为复杂的不可抗拒的生理过程，是人类进化发展的必然,分子生物学研究表明，细胞内染色体端粒缩短过程，是人体衰老的决定因素（端粒结构和端粒酶）在人体中，幼年期细胞内的端粒长度远远长于老年期；从细胞的体外培养中发现，随着细胞的分裂，其端粒逐渐缩短。端粒缩短是触发衰老的分子钟。,端粒的发现,1930，著名的遗传学家 B.Mcclintock 和HJ.Mller发现：染色体的末端可维持染色体的稳定性Mller将它定义为“telomere”，这是由希腊语“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的。染色体失去了这些片段，就
2、会互相粘连到一块，发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分裂与生长,端粒的发现,1970，EH.Blackburn 利用四膜虫（Tetrahymena）揭示了端粒的初步结构由几个核苷酸组成的 DNA 重复片段，富含G（TTGGGG）n，重复的次数由几十到数千不等,分裂中期染色体结构-端粒,端粒下区subtelomeric region与端粒DNA相邻，由一些退化的端粒DNA片断的重复组成,端粒DNA序列,人的端粒DNA序列长约515kb序列：（TTAGGG）n，串联重复,不同生物端粒DNA长度,酵母 200 400 bp尖毛虫 20 bp小鼠 5 80 kb大鼠 150 kb,DNA缠绕成的
3、染色体末端，有称做端粒（telomere）的区域。控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂5060次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短，就可使细胞保持年轻，人就像吃了“唐僧肉”一样实现长生不老的梦想。,端粒(telomere),真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。结构特点：1.由末端单链DNA序列和蛋白质构成2.末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列如：单细胞纤毛生物四膜虫（Tetrahymena）端粒是由重复序列TTGGGG多次重复而成人的端粒
4、是由重复序列5TTAGGG3不断重复而成。3.单链3末端能形成 G-quadruplex结构 4.各种不同生物端粒的结构和功能都非常保守。,G-quadruplex结构,G-quadruplex结构的稳定功能,端粒的功能I-维持染色体的稳定性,保护真核生物的染色体免遭破坏。细胞中存在核酸酶等破坏DNA的外界因素。,端粒的功能II-DNA末端复制问题,真核生物DNA复制过程中存在“末端复制问题”，即依赖DNA的DNA聚合酶（复制酶）在每次复制后，都在5末端留下一段空隙(RNA引物降解后留下的空隙)，若细胞无法填补这些空隙，染色体将随着每一次细胞分裂而不断缩短，直至细胞消亡。端粒的存在不但可以避免
5、外界因素对DNA的破坏，而且可以在复制过程中，通过牺牲自我而避免染色体DNA受损，以维护染色体结构和功能的完整性。,示意图,端粒的功能 III-可能肿瘤抑制靶点,端粒自身的鸟嘌呤四联体(guanine-quadruplex)和一些端粒特异性结合蛋白对端粒长度、端粒稳定甚至对端粒酶活性都有调节作用，在肿瘤形成和生长中发挥重要作用。以此为靶点抑制肿瘤，直接作用于端粒，不依赖端粒酶的存在，对端粒酶阴性肿瘤亦有作用。因此，端粒可能成为新的肿瘤抑制靶点。,端粒酶的发现,72年，JD.Watson发现：DNA 聚合酶不能够完整地复制线性染色质5末端的引物脱落后，DNA聚合酶不能完成最后的复制，留下一个单链
6、的间隙如果这一间隙不能够被填充，染色体DNA将失去这一DNA片断每经过一次复制、分裂，染色体就将丢失一部分的端粒结构，影响到与端粒相邻的一些重要基因科学家们考虑：可能存在着一种不同于DNA 聚合酶的酶来完成单链间隙的复制,端粒酶的发现,1984，CW.Greider和EH.Blackburn发现：将一段单链的末端寡聚核苷酸加至四膜虫的提取物中后，端粒的长度延长了，这就说明了切实有这样的一种酶存在将它命名为：“端粒酶”（telomerase）进一步的研究揭示了端粒与端粒酶在细胞的生长及肿瘤发生中有非常重要的意义，现正成为一个研究的热点,端粒酶(telomerase),特点：1.由RNA和蛋白质构
7、成的复合物2.端粒酶是真核细胞内染色体完全复制的关键酶，是一种RNA依赖的DNA聚合酶。为特殊的逆转录酶，能以自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA3.其活性取决于它的RNA和蛋白质亚基。端粒酶至少包含两个功能性相互作用的RNA分子，两者都可充当DNA聚合作用的模板。,4.端粒酶至少包含两个活性位点端粒酶除了具有反转录活性外，还具有核酸内切酶的活性。功能：1.合成端粒DNA，维持端粒的长度 2.合成串联重复的TTAGGG序列为TRF2提供结合位，防止染色体的末端融合。,端粒酶(telomerase),端粒酶的结构,人的端粒酶由三部分组成：端粒酶相关蛋白（telomerase-associate
8、d protein，TP1/TLP1）the human RNA subunit(hTR)5-CUAACCCUAAC-3The human telomerase reverse transcriptase(hTERT),端粒酶的结构,端粒酶作用模式,端粒酶作用模式,爬行模型,端粒理论,端粒及端粒酶的意义,端粒的长短及端粒酶活性变化与细胞水平的老化(aging)及肿瘤的发生有一定关系。端粒酶活性存在于 85%-95%肿瘤细胞中，而在正常细胞中不存在。可成为肿瘤的诊断标记和治疗靶点。,抗端粒酶疗法,即“研制端粒酶的专一性抑制剂”，对肿瘤的治疗有着非常广阔的前景。进一步研究探索端粒酶和端粒与衰老和癌
9、变的关系，无疑有着重要的理论意义和实用价值。国内近来用砒霜治癌取得一定的临床疗效。有研究发现，砒霜能够抑制肝癌血管的形成，还能抑制端粒酶的活性，因此能起到高效的抗癌作用。,端粒作为肿瘤治疗靶点的可能作用方式,针对端粒酶中RNA功能部分的治疗方法,Antisense oligodeoxynucleotides(ODN)Consist of short stretches of DNA that are complementary to a target RNAFirst report:Feng,J.et al.(1995)Science 269,1236Reverse transcriptase
10、 inhibitorsIncorporate into DNA and block chain elongation 3-azido-3deoxythymidine(AZT)Hammerhead ribozymesSmall RNA molecules that possess specific endoribonuclease activity,稳定G-quadruplex的化合物,以端粒酶为治疗靶点的问题,A significant lag-phase and prolonged inhibition in order to reduce telomeres to critical len
11、gthsPossible side-effects because of the telomerase activity in some normal cells such as stem cellsThe possibility of drug resistance to inhibitors,第三节抗体酶,抗体酶(catalytic antibody)，又称催化抗体或程控酶(programmable enzyme)，是指能够模拟酶的作用，特异性地与化学反应的过渡态或高能中间体结合，并能够加速化学反应进行的抗体分子，通常泛指各种具有催化活性的抗体。,什么是抗体酶？,1948年Pauling的
12、预言：抗体酶的理论基础早在1948年就曾被Pauling所预言。他指出：酶的催化作用是由于酶在催化化学反应过程中，活性中心同底物的过渡态（transition state）或高能反应中间体（high-energy reaction intermediates)产生互补，从而加速化学反应的进行。,抗体酶出现的历史背景,抗体酶出现的历史背景,Jencks1969年的假设：受Pauling理论的启发,Jencks于1969年提出:抗体若能与化学反应的过渡态结合,则这样的抗体必具有催化性能。这意味着,抗体一旦能与过渡态结合,它就具有酶的性质在温和条件下高效专属地催化化学反应。以此推理,抗体若能与过渡态
13、类似物结合,则它也会与化学反应过程中的过渡态结合,这样的抗体亦具有催化性能。1976年,Kohler和Milsten发明了杂交瘤技术，为催化抗体的制备铺平了道路。1986年，Lerner和Schultz两个研究小组独立发表了关于芳香酯和碳酸酯的抗体催化水解的报道，首次人工制得催化抗体。,1986年制得的第一个催化抗体,设计过渡态类似物,作为半抗原结合载体分子免疫动物,得到催化抗体,抗体酶(催化抗体)的制备原理,抗体酶的催化特征,与天然酶相比抗体酶的特点能催化一些天然酶不能催化的反应有更强的专一性和稳定性催化作用机制不同抗体酶和非催化性抗体作用的比较更高的反应特异性反应的可逆性反应的量效性反应过
14、程,抗体酶的催化作用机理,1、过渡态理论与抗体酶2、抗体酶催化的三种重要反应机制水解作用机制基团转移连续反应机制3、抗体酶催化反应的介质效应酯解反应：抗体酶在有机溶剂中具稳定性。脱羧反应；有机溶剂引起脱羧反应速率增加。酰基转移反应：在疏水溶剂中，活性较高。,抗体酶的催化反应类型,1、转酰基反应2、水解反应3、Claisen重排反应4、酰胺合成反应5 Diels-Alder反应6、转酯反应7、光诱导反应8、氧化还原反应9、脱羧反应10、顺反异构化反应,抗体酶的制备方法 I,细胞融合法：用设计好的半抗原，通过间隔链与载体蛋白（如牛血清白蛋白）偶联制成抗原。然后对此抗原进行免疫，使宿主有机体针对抗原
15、产生抗体，产生抗体的脾脏细胞与骨髓细胞相融合。融合得到的杂交细胞既能产生抗体又能在体外培养。将杂交体克隆化，即能产生单一均匀的抗体。,细胞工程抗体杂交瘤-单克隆抗体,抗体酶的制备方法 II,抗体结合位点化学修饰法：抗体酶和酶一样也可以用化学修饰法加以改造。对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基团。游离巯基就是适合的基团之一，它具有高亲核性，易于氧化，及能通过二硫化物进行交换反应或亲电反应而选择性修饰的特点,抗体结合部位修饰法,用可裂解亲和标记试剂将催化基团引入到抗体结合部位的示意,抗体酶的制备方法 III,引入辅助因子法：很多天然酶活性中心都含有
16、金属离子。Lerner等将金属离子引入抗体酶，成功地催化了肽键的选择性水解。他们用三乙撑胺Co3+盐作为金属离子辅因子，所用半抗原分子带有一肽键。且通过羧根及仲胺基与金属离子相连。将此半抗原通过共价键连接在载体蛋白免疫动物产生的抗体，在金属离子复合物作为辅因子的参与下，这些抗体酶能选择性水解甘氨酸和丙氨酸之间的肽键。,抗体酶的制备方法 IV,用生物工程的方法产生抗体：Fab片断由轻链和重链的VH及CH1部分组成，作为一种催化剂，抗体酶有这样的片断就行，无须完整的抗体分子。从人或动物的抗原中抽取基因，然后用酶反应复制基因的聚合酶链反应（PCR）技术重新铸造轻链和重链，这样就可以把这些基因组合成1
17、00万个含有成对轻链和重链的基因库。这些基因库是存储在细菌病毒里，通过随机地将基因和轻重链结合的方法，就可大量制造Fab片断了。片断里的基因是通过细菌的形式表达出来的。这就可在细菌培养中繁殖数百万计不同抗体。,基因工程抗体,通过基因重组改良抗体性能通过噬菌体抗体库技术研制新的抗体,小分子抗体,鼠单抗人源化,基因工程改造的抗体,抗体库技术产生的三项技术基础,RT-PCR：能够克隆全套抗体可变区基因 抗体基因片段在大肠杆菌的功能性表达 噬菌体展示技术（phage display),噬菌体抗体图示,抗体库的构建,抗体库的富集筛选,抗体酶的制备方法 V,拷贝法：用酶作为抗原免疫动物得到抗酶的抗体，再将
18、此抗体免疫动物并进行单克隆化，获得单克隆的抗抗体。对抗抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。,抗体酶的制备方法 VI,共价抗原免疫法：这是在亲和标记抑制剂基础上发展起来的新的抗体酶制备方法。以亲和标记剂为半抗原，则抗体结合部位将产生与亲和基团电荷性质相反的基团，如亲核性，亲电性氨基酸，酸性氨基酸，碱性氨基酸等。,抗体酶的筛选,ELISA法：用ELISA法筛选对半抗原有亲和力的单克隆抗体。酶学活性检测法：直接用反应底物检测细胞培养液中抗体的酶活性。短过渡态类似物法：以过渡态类似物中含有的必需基团的基本结构单元做为筛选单克隆抗体的标准。基因筛选法：应用基因探针，对基因抗体库进行分析和筛选。,酶
19、 联 免 疫 分 析,酶联免疫吸附分析(enzyme-linked immunosorbent assay ELISA)：是将酶作为标记物质，使之和抗原（或抗体）结合形成酶与抗原（或抗体）复合物，然后再根据待测抗体（或抗原）与复合物专一且定量的结合关系，通过测定待测抗体（或抗原）结合的标记酶活力，从而计算出抗原或抗体的量。,酶标免疫分析示意图,抗体酶的应用,在帮助戒毒方面的应用：Landry等用可卡因水解的过渡态类似物-磷酸单酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，其催化活性和血液中催化可卡因的丁酰胆碱酯酶差不多，水解后的可卡因片断失去可卡因刺激功能。因此，用人工抗体酶的被动免疫也许能
20、阻断可卡因上瘾，达到戒毒目的。,催化抗体3B9 催化可卡因水解,抗体酶的应用,抗体酶用于肿瘤治疗：目前正在发展一种称为抗体介导前药治疗（ADEPT）技术，即将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。当然交药只能被抗体酶水解而不能被内源性酶水解，抗原还要尽量减少免疫原性。,酰胺水解,化合物9作为半抗原，免疫产生了与之对应的抗体43C9（目前为止最有效的水解抗体之一），
21、该抗体就会诱导化合物10极化产生与9相似的结构，从而发生水解反应。,Claisen重排,模拟反应的过渡态我们设计了半抗原4，免疫产生了具有催化活性的抗体IF7，它可以加速反应达200倍。IF7可以立体选择性地催化Claisen重排反应，其Kcat/Kuncat=10010000,酮的选择性还原反应,这一反应涉及反应中心的碳由sp2杂化至sp3。我们选择与化合物相似的结构来作为半抗原，设计主要仍是模拟反应过渡态类似物的四面体构型，并加以静电诱导，抗体就会诱导相应位点的羰基发生极化实现由sp2重杂化至sp3的转化。,偏爱的反式消除,非偏爱的顺式消除,消除反应（烯烃的异构化反应）,Cravatt等用
22、两个五环结构的过渡态类似物产生的抗体1D4，抗体诱导使转变成重叠构象，从而催化底物从重叠构象顺式消除生成顺式烯烃。在半抗原的结合位点引入氨基，产生氢键，可以诱导底物脱氢。在抗体的存在下，顺式消除几乎是绝对的（唯一的）。,O,抗体酶与天然酶相比差别在哪里？,多数抗体酶的绝对效率仍比相应的酶低几个数量级。大部分催化抗体与进化优化的酶的催化活性相差甚远。,设计的半抗原类似物并不能与反应的过渡态完全吻合,因此与这种不完善类似物互补的抗体也就不能提供对真正过渡态的最适稳定化。对多底物的多步反应来说，我们要想设计出很难一种合适的过渡态类似物比较困难。Pauling的结合过渡态的思想只能说是部分正确的。在酶
23、催化理论中底物有2个部位:结合部位和反应部位。使底物结合部位稳定化固然可以加速反应进行，但同时使底物反应部位不稳定化(通过在反应部位的增加距离和去溶剂化作用)也是直接的催化潜力。而我们放在后者上的注意力却并不够。,如何提高抗体酶的催化活性？,克隆免疫反应因子的基因：通过扩增免疫动物的脾细胞或杂交细胞的,得出单独产生重链和轻链的噬菌体文库,再通过载体中存在的非对称限制点位使它们重新组合。这样的含有上百万个高水平表达的轻链和重链片断的文库可能在大肠杆菌中表达和组装。这样的文库在保留亲本单克隆识别和亲合特性的基础上利用了免疫因子的多样性,使我们可从多得多的可能性中选择催化抗体。改变半抗原的抗体结合点
24、位的亲水/疏水性质：在半抗原中引入一个带电荷残基,它在抗体中诱导出的互补性功能团对底物产生协同作用;半抗原上中性氨基酸的存在可诱导氢键的生成;抗原上大片非极性表面可使抗体中产生疏水袋。所有这些,都可在不同程度上提高催化抗体的性能。,如何提高抗体酶的催化活性？,催化抗体的结合位点的遗传和化学修饰：通过抗体结合点位的有选择的化学衍生,把天然的或人工合成的催化基团引入;或是利用点位专一性突变,引起抗体结合点位氨基酸的改变,提高了催化抗体的性能。多种半抗原的综合应用：过渡态相似物与过渡态总是存在差异,但是要做到过渡态相似物的某一部分与过渡态的这一部分相同却是可能的,可以合成多种的过渡态相似物,每一相似物分别与过渡态的某一部分相同。以这样的过渡态相似物作为半抗原逐一免疫动物,多次地采用细胞杂交技术,最后所得的催化抗体的性能优于单一半抗原所诱导的催化抗体。,
