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第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
情境视频一:从社会中来
右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
用细菌“画画”（视频）
问题1: 科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
问题2: 科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？
一、蛋白质工程崛起的缘由
（一）基因工程的实质和不足：
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
问题3: 什么是蛋白质工程呢？
一、蛋白质工程崛起的缘由
（二）蛋白质工程概念：
以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
基础
操作方法及对象
结果
目的
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
一、蛋白质工程崛起的缘由
（三）实例：提高玉米赖氨酸含量：
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
问题4: 蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？
二、蛋白质工程的基本原理
目标
实质
结果
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。
生产出自然界没有的蛋白质。
问题5:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
（一）实质、目标和结果：
二、蛋白质工程的基本原理
（二）天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定氨基酸序列的多肽链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
转录
翻译
二、蛋白质工程的基本原理
（三）蛋白质工程的基本设计思路：
①预期的蛋白质功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
⑤获得所需蛋白质
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
思
路
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来。
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
则：
共___种可能序列
32
4*1*2*2*2=32
思路：①找到氨基酸对应的密码子，②推测出(可能的)mRNA序列,
③根据碱基互补配对原则，推出脱氧核苷酸序列(DNA序列)（中心法则反推？）
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
操作流程
结果
实质
联系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
2024/4/14
5.蛋白质工程和基因工程的比较
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
蛋白质工程与基因工程的比较
问题5: 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？
①产生速效胰岛素
②产生易保存的干扰素
③生产人鼠嵌合抗体
（一）医药工业方面
定点突变
三、蛋白质工程的运用
（一）医药工业方面
(1)研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20～29位氨基酸组成
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
定点突变
三、蛋白质工程的运用
2.延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
延长保存时间
（一）医药工业方面
定点突变
(2)延长干扰素体外保存时间
三、蛋白质工程的运用
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
（一）医药工业方面：
基因融合
3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
三、蛋白质工程的运用
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
医学问题:
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。
解决办法:
（二）他工业方面的运用：
三、蛋白质工程的运用
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
枯草杆菌蛋白酶
枯草杆菌
三、蛋白质工程的运用
（二）农业方面的运用：
第二
设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
第一
改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；
(1)面临的问题：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。
四、蛋白质工程的运用
(2)前景展望：要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
《金》P107例1
胰岛素的预期功能
载体
受体细胞
蛋白质工程
基因工程
根据新的胰岛素模型中的氨基酸序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用 DNA合成仪合成新的胰岛素基因。
找到第6位氨基酸中的碱基所在的基因位置，参照密码子表，将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基
mRNA
逆转录酶
PCR
T-DNA
整合到叶肉细胞的染色体DNA上
1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因(AmpR)、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
⑴在第②步中，应怎样选择限制酶？
P98：复习与提高
应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
⑵在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
加入DNA连接酶。
⑶选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？
⑷含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于 LacZ 基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不会被分解。

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