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1、第三节 重组DNA药物,一、重组DNA技术与基因工程的基本定义,重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。,基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。,优点：1、可大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽；去除内源性物
2、质的不足之处2、提供足够数量的生理活性物质，以进行生理生化、结构的研究3、利用基因工程技术可发现、挖掘更多内源性生理活性物质4、获得新型化合物,主要基因工程产品的研制、开发、上市时间,产品,人生长激素释放抑制素（SRM),人胰岛素,首次克隆表达时间,国家,用途,首次进入市场时间,国家/地区,1977,日本,治疗巨人症,1978,美国,治疗糖尿病,1982,欧洲,人生长激素（HGH),1979,美国,治疗侏儒症,1985,美国,人干扰素（IFN),1980,美国,治疗病毒感染症,1985,美国,乙肝疫苗,1983,美国,预防乙型肝炎,1986,欧洲,人白细胞介素2,1984,日本,治疗肿瘤,19
3、89,欧洲,人促红细胞生成素,治疗贫血,1988,欧洲,人粒细胞集落刺激因子,治疗中性白细胞减少症,1991,美国,人组织纤溶酶原激活剂（t-PA),治疗血栓症,1987,美国,DNA重组药物制造的主要步骤,获得目的基因,DNA的体外重组（切与连）,载体的选择受体细胞的选择,重组DNA分子转化（转）,转化子的筛选与鉴定（选）,外源基因的大规模表达和分离纯化,产品的检验和制剂制备,二、基本过程,上游阶段：实验室 获得目的基因、酶切和酶连、插入适当载体、转入宿主细胞、复制、目的基因分析确证、表达、筛选合适表达系统等下游阶段：将实验室成果产业化 发酵参数确定、新型生物反应器研制、高效分离介质及装置开
4、发、生物传感器设计制造、电子计算机优化控制、产品质量控制,注意：上游DNA重组的设计必须以简化下游操作工艺和装备为指导思想；而下游过程则是上游基因重组蓝图的体现和保证，这是基因工程产业化的基本原则。,1、目的基因的获得,1）、鸟枪法（基因文库）基因组DNA提取 限制性内切酶部分水解与载体连接转化、扩增与筛选2）、逆转录法（cDNA文库）mRNA纯化cDNA第一合成第二链合成 cDNA克隆将重组体导入宿主细胞 cDNA文库鉴定目的cDNA克隆的分离和鉴定3）、合成法4）、PCR法,4、PCR法或逆转录PCR（RT-PCR）典型PCR反应包括 模板变性 94以上（12）退火 5055（12）延伸
5、72（12）在高温聚合酶作用下，以DNA单链为模板，由引物起始从53 延伸。,PCR用于基因突变,化学合成法 在已知DNA序列或多肽的一般结构时，如链长在 60bp100bp可用化学合成法直接合成DNA。,2、基因表达,1）、选择宿主细胞 原核 大肠杆菌：生长快；遗传研究深入；产品多为胞内（包含体）或周质中；不能糖基化修饰。需注意内毒素污染。枯草芽孢杆菌：分泌力强，不形成包含体；不修饰；胞外酶可能会降解产物 链霉菌：分泌能力强；不致病，安全；有糖基化能力。,优点：易大量生产，成本低，周期短 缺点：多为胞内表达、提取困难，易生成包含体、含起始密码Met(AUG)，有内毒素毒性,真核酵母：研究基因
6、表达调控最有效的单细胞真核微生物；基因组小，仅为大肠杆菌4倍；传代时间短；无毒；有分泌功能和修饰功能；已用于干扰素、乙肝表面抗原等重组DNA药物的生产。丝状真菌：有很强的蛋白质分泌能力，能正确加工，糖基化方式与高等生物相似，有成熟发酵和后处理工艺哺乳动物细胞：类似天然产物，但培养条件苛刻,大肠杆菌与真核细胞表达系统比较,大肠杆菌:发酵 包含体 复性 纯化 目的蛋白真核细胞:发酵 上清液 纯化 目的蛋白,大肠杆菌表达的重组蛋白易形成包含体,高效表达的目的蛋白 在大肠杆菌内形成大 量无活性包含体。因无法有效的解决复 性问题，在美国每年 造成的经济损失就达 几十亿美元,包含体电镜图,蛋白质复性概念,
7、将蛋白质从结构不规则、无 活性的状态，恢复到有唯一 立体结构、有生物活性的 状态的过程称为蛋白质复性。,2）、表达载体 要求：a、能独立复制b、有灵活的多克隆位点和方便的筛选标记c、具有有效运载外源基因的能力，能携带大小不同的外源基因d、容易控制，在细胞内稳定性高，安全可靠。,如大肠杆菌的pBV220系统，为温度诱导表达载体，已成功用于IL-2，IL-3，IFN等 pET系统，最有潜力的系统，可用乳糖代替IPTG（异丙基硫代-D-半乳糖），产物可达细胞总蛋白2030%，表达量可达总蛋白50%。,pET载体,3）、构建工程菌 目的基因与载体DNA的连接重组DNA向宿主细胞内转移筛选与鉴定带有目的
8、基因的阳性克隆影响目的基因表达的因素,三、重组药物的分离纯化,A 重组蛋白分离纯化方法选择的基本原则 针对不用的产物表达形式采取不同的策略针对不同性质的重组蛋白选择不同的层析类型多种分离纯化技术的联合运用合适分离纯化介质的选择分离纯化过程的规模化,针对不同的产物表达形式采取不同的策略 采用分泌型战略表达重组蛋白，通常体积大、浓度低，因此应在纯化之前采用沉淀或超滤等方法先进行浓缩处理；采用包涵体型战略表达重组蛋白，应先离心回收包涵体；采用融合型战略表达重组蛋白，一般是胞内可溶性的，拟首先选用亲和层析进行纯化 表达在细胞膜和细胞壁之间的间隙中的蛋白质，应用低浓度的溶菌酶处理，然有再用渗透压休克法释
9、放重组蛋白。,针对不同性质的重组蛋白选择不同的层析类型 等电点处于极端区域（大于8或小于5）的重组蛋白应首选离子交换法进行分离，这样很容易除去几乎所有的杂蛋白；重组蛋白特异性的配体、底物、抗体、糖链等都是首选亲和层析纯化方法的重要条件，原则是它们与目标蛋白之间的解离常数应在合适的范围内（108104mol/L）;疏水层析和反相层析是根据蛋白质的疏水性差异进行分离的；凝胶过滤层析是根据蛋白的分子量和体积差异进行分离的；径向层析是近年来发展起来的集层析分离和膜分离于一体的一种复合技术，在流量、负荷量等参数方面显示出极大的优越性。,多种分离纯化技术的联合运用 在进行重组蛋白的纯化时，通常需要综合使用
10、多种技术，一般来说，在选择分离纯化方法时应遵循下列原则：应选择不同分离纯化机理的方法联合使用 应首先选择能除去含量最多杂质的方法 应尽量选择高效的分离方法 应将最费时、成本最高的分离纯化方法安排在最后阶段,合适分离纯化介质的选择常用的蛋白质分离纯化介质有Sephadex和Sepharose。理想的分离纯化介质应具有下列性质：对目标蛋白具有较高的分辨效率 对目标蛋白不会造成变性 化学性能和机械性能稳定，重复性好 价格低廉,分离纯化过程的规模化 蛋白质分离纯化的实验室工艺、技术、方法在大规模产业化过程未必合适，如：实验室方法在工程上可能难以实现（超声波破细胞壁）实验室方法在大规模生产中可能成本过高
11、（超速离心）因此，在很多情况下，实验室的技术路线不等于生产工艺。,四、质量控制,1、原材料质量控制：2、培养过程质量控制 3、纯化工艺质量控制 4、目标产品质量控制,保证编码DNA序列正确 要了解以下特性：A、目的基因来源、克隆过程、序列 B、表达载体名称、结构、遗传特性及酶切图谱、抗生素标记等 C、宿主名称、来源、传代历史、检定结果及生物学特征 D、载体引入宿主方式、及载体再宿主中状态 E、插入基因于表达载体两侧控制区核酸序列 F、启动和控制克隆基因表达的方法及水平,种子克隆纯而且稳定，在培养工程中工程菌不应出现无突变或质粒丢失的现象种子批系统工作细胞库,尽量去除污染病毒、核酸、宿主细胞杂蛋
12、白等杂质，并避免在纯化过程带入有害物质 纯化每一步应测定纯度、计算提纯倍数、收率等等,1）、产品的鉴别氨基酸组成分析：肽图分析：N末端和C末端氨基酸测序：蛋白质二硫键的分析：重组蛋白相对分子量：等电点的测定：2）、纯度分析：SDS-PAGE,CE,IEF,HPLC3）、生物活性测定4）、残余杂质检测 宿主细胞蛋白含量、宿主细胞DNA、残余抗生素等5）、安全性检测 无菌实验、热原实验、毒性实验、免疫原性检查,A 体内生物学活性测定方法 生物学模型 生长激素 大鼠 脑垂体B 体外生物学活性测定方法 如：MTT法:MTT formazan(蓝紫色)干扰素类蛋白：可用细胞毒抑制试验来测定干扰素的体外活
13、性。,琥珀酸脱氢酶,五、重要的重组DNA药物,（一）利用重组大肠杆菌生产医用蛋白或多肽 代表产品：重组人胰岛素、重组人生长激素、重组人干扰素、重组人白细胞介素、重组人集落刺激因子、重组抗体及其片断等。,效率高、产量大 周期短、成本低 工艺稳定、质量可控 缺点是易形成包含体,1）、干扰素（IFN-、）1957年Isaccs等发现病毒干扰现象，即病毒感染的细胞能产生一种因子，作用于其他细胞干扰病毒复制，因而命名为干扰素。根据产生干扰素细胞的来源、理化性质和生物活性等差异，可分为、等3种，其中IFN-为多基因产物，有23种以上的亚型。,1986年，FDA批准Roch公司的重组IFN-2a和Scher
14、ing公司的重组IFN-2b，重组IFN-、分别在1990年和1993年上市。我国中国预防医学科学院病毒学研究所侯云德等发现中国人受病毒攻击产生的干扰素主要为IFN-1b型，1992年我国第一个基因工程药物IFN-1b获得国家一类新药证书。,2）胰岛素(Insulin,Ins)1921年，Banting FG等从胰脏中分离1955年，Sanger F测序1965年，我国完成结晶牛胰岛素全合成1979年，Rutter W等克隆了胰岛素基因1982年，第一个重组人胰岛素批准上市,胰岛素的结构及生物合成胰岛素原与胰岛素人胰岛素的生产方法 产人胰岛素大肠杆菌工程菌的构建策略,(a)AB链分别表达法 体
15、外折叠成功率低，通常只有1020(b)人胰岛素原表达法 由于C肽的存在，胰岛素原在复性条件下能形成天然的空间构象，为三对二硫键的正确配对提供了良好的条件，使得体外折叠率高达80以上 目前Ely Lily用这种工艺路线年产几十吨的重组人胰岛素，其经济效益相当可观。(c)AB链同时表达法,3）生长激素1944年，李卓浩等从牛垂体中分离出牛生长激素1956年，从人垂体中分离出hGH1969年，hGH序列报道 临床上用于垂体性侏儒症。19561985年，只能从人尸体垂体中分离纯化。但至1985年，共发现50多例克-雅氏症，5人病亡，研究结果证实由垂体来源的生长激素污染有朊病毒。1985年，垂体来源的被
16、禁用，同年，rhGH上市。,1985年，美国FDA批准由大肠杆菌发酵生产的重组人生长激素上市，随后各种途径生产的重组人生长激素迅速充斥市场。1997年，仅美国Genentech和Ely Lily两家公司的重组人生长激素年产量已达20kg，年销售额超过3.5亿美元。人生长激素的结构与性质重组人生长激素工程菌的构建,（二）利用重组酵母生产医用蛋白,优势：1.最简单的真核生物，基因表达调控机理较清楚，并且遗传操作相对较为简单；2.具有原核无法比拟的真核生物蛋白翻译后修饰加工系统3.不含有特异性的病毒，不产生毒素，有些酵母菌在食品工业当中有着几百年的应用历史，属于安全型基因工程受体系统；4.大规模发酵
17、工艺简单，成本低廉5.能将外源基因表达产物分泌至培养基中劣势：虽然拥有完整的蛋白质糖基化修饰系统，但其修饰方式不用于高等真核生物。举例：重组乙肝疫苗 重组人血清白蛋白,重组HAS的制备,人血清白蛋白HAS是血浆中的主要成分 载体蛋白。成熟的人血清白蛋白为一非糖基化的单一多肽链，由585个氨基酸组成，含有17对二硫键，由此维系的空间构象是血清白蛋白的生物功能所必需的。巴斯德毕赤酵母是迄今为止最为优良的重组人血清白蛋白的表达分泌系统。产率可高达15g/L,（三）利用转基因动物或细胞生产生物大分子,1.利用动物乳腺组织生产蛋白药物 酪蛋白、tPA、IL22.利用哺乳动物细胞大规模培养技术生产复杂的人
18、体蛋白例如 EPO,促红细胞生成素（EPO）由肾脏分泌的一种唾液酸蛋白，它能促进红细胞系的增值、分化和成熟.由166个氨基酸残基组成的高度糖基化蛋白，其糖基对其生物活性至关重要 目前用哺乳动物细胞表达系统如CHO细胞生产。临床为治疗肾衰导致贫血的首选药物，全世界销售额超过10亿美元。,1957年Jacobson等证实，肾脏是血清EPO的主要来源，含量极微小，无法分离纯化获得纯品。直到1985年，Jacobs等才先后成功克隆出人、猴、小鼠的EPO基因，随后重组人EPO在CHO细胞中获得表达，并通过层析纯化技术制备出rHuEPO纯品，于1989年获得美国FDA批准后首次投放市场。,EPO制备工艺,
19、根据已知天然EPO的氨基酸序列，合成相应的寡聚核苷酸探针，筛选出人EPO基因，引入真核生物质粒表达载体PD11,用磷酸钙微量沉淀法转染CHO细胞，克隆培养后，检测培养上清中EPO的生物学活性，筛选出高效表达EPO的细胞株，按照中国生物制品规程要求建立种子库，检定合格后用于生产。CHO工程细胞在条件培养基中培养时，表达的EPO分泌到培养上清中，上清液中除了EPO外，还含有培养基成分和其他杂蛋白，利用EPO 本身的物理化学性质，将培养上清液加热至80，或用6mol/L盐酸胍、8mol/L尿素沉淀，可以除去大多数杂蛋白。上清液超滤浓缩后，经过一系列的凝胶过滤层析，如Sephadex G25，Sephacryl S200及Biogel P 等多步凝胶过滤，其EPO的纯度可达到90以上。进一步纯化可用Sepharose 4B偶联EPO单克隆抗体或多克隆抗体亲和层析或经高压液相层析，其EPO纯度可达99以上。,根据氨基酸序列,合成寡聚核苷酸,筛选出,EPO基因,与真核载体连接转化,重组质粒,转染CHO,筛选,高表达CHO工程细胞,建立种子库,CHO工程细胞,培养,培养液,去杂蛋白,初提取液,80 盐酸胍,凝胶层析,EPO 纯度达90,HPLC 或亲合层析,EPO纯度达99,
