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第八章
酶分子定向进化
一、酶分子定向进化的目的
为什么要研究酶的定向进化?
天然酶的局限性
在机体外复杂体系中,酶催化的精确性较低
存在产物抑制
稳定性差,活性低,催化效率低
有些缺乏有商业价值的催化功能及其它性质
现代生物工程的要求
能具备长期稳定性和活性
能适用于水及非水相环境
能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底物
能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物的原材料
利用基因工程、蛋白质工程的原理和计算机技术对天然酶进行改造或构建新
的非天然酶具有重要研究意义和应用前景。
二、酶分子的改造
酶分子的理性设计:在研究天然酶及其突变株时,通常先获得酶分子特征、
空间结构以及结构与功能的关系等方面信息,这些用各种生物化学、晶体
学光谱学等方法来解决,然后根据这些信息进行酶分子的改造,这就是酶
分子的理性设计。
酶分子的非理性设计:不需准确知道酶蛋白结构与功能等信息,直接通过
随机突变、基因重组、定向选择或筛选等方法进行酶分子的改造,称为酶
分子的非理性设计。
问题:定向进化是不是定点突变?
澄清一个事实:定向进化不是定点突变
定向进化:突变
筛选
突变位点是随机的,不确定的;
突变位点的数目也是不确定的;
突变的效应更是不可预知的;
理论上讲,凡是能够引起突变的因素(物理的、化学的、生物的)都可以应
用于定向进化中突变体的产生。
定点突变:
突变位点是确定的,突变的个数也是预知的;
突变的效应可能是已知的,也可能是未知的;
定点突变的方法一般是以 PCR 技术为基础的。
什么是酶的定向进化?
从一个或多个已经存在的亲本酶(天然的或人为获得的)出发,经过基因的
1
突变和重组,构建一个人工突变酶库,通过筛选最终获得预先期望的具有某些特
性的进化酶。
酶分子定向进化研究的历史
萌芽阶段:20 世纪 60 年代 Sol Spiegelman 利用 RNA 噬菌体 Q 巧妙地在体外模
拟了自然进化的过程
奠基阶段:20 世纪 80 年代建立了一种在基因水平上、用非合理设计方法改造酶
分子的新思想
发展阶段:20 世纪末期易错 PCR 和 DNA 改组方法被成功开发,标志着酶分子
定向进化技术的成熟
如何使酶分子定向进化?
定向进化=随机突变+正向重组+选择或筛选
三、酶分子定向进化的基本策略和方法
定向进化的基本策略
一般而言,定向的分子进化有三种方法:
(1)连续随机突变继之筛选出最佳改进的单一突变体,使每个循环含 1-2 有益
突变的积累。
(2)随机突变继之筛选两个或更多的改进的突变体重组,使有益突变组合并消
除有害突变。
(3)同源基因顺序重组(族改组) 产生功能嵌合蛋白质,并且允许一步完成许多
有益突变的组合,包括非累加突变。
定向进化的两个重要环节
多样性基因文库的构建
文库中所期望的进化酶的挑选
定向进化的基本过程
酶定向进化通常分 3 步进行:
通过随机突变和(或)基因体外重组创造基因多样性
导入适当载体后构建突变文库
通过灵敏的筛选方法,选择阳性突变子。这个过程可重复循环,直至得到
预期性状的酶
定向进化的基本方法
无性进化
易错 PCR、定点饱和突变、化学诱变剂介导的突变、致突变株产生随机突变
和随机寡核苷酸突变等
有性进化
DNA 改组(DNA shuffling)、外显子改组(exon shuffling)、随机引物体外重
组法(RPR)、交错延伸法(StEP)等。
易错 PCR(error-prone PCR)技术为代表的无性进化
2
一种相对简单、快速廉价的随机突变方法。
通过改变 PCR 反应条件,使扩增的基因出现少量碱基错配,从而导致目
的基因的随机突变。
关键是控制 DNA 的突变频率。
易错 PCR 技术的特点
优点
操作简便,随机突变丰富
缺点
正突变的概率低,中性突变较多,突变基因文库较大,文库筛选工作量大,
一般适用于较小基因(800bp)
连续易错 PCR(Sequential error-prone PCR
将第一轮 PCR 扩增得到的有益突变基因作为下一次 PCR 扩增的模板,连续
反复进行随机突变,使每一轮获得的少量突变累积而产生重要的有益突变。
e.g. 1993 年
DNA 改组技术(DNA shuffling)为代表的有性进化
又称 DNA 重排技术或有性 PCR,指 DNA 分子的体外重组,是基因在分
子水平上进行有性重组。
通过改变单个基因(或基因家族)原有的核苷酸序列,创造新基因,并赋
予表达产物以新功能。
分子育种
DNA 改组技术
基本过程:
从两种以上同源正
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