蛋白质的复性
丁香园论坛
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蛋白质复性
史晋辉
(天津大学化工学院生物化工系，天津 300072)
关键词：蛋白质复性；环糊精；分子伴侣
重组DNA技术为大规模生产目标蛋白质提供了崭新的途径。但人们在分离纯化基因工程表达产物时却遇到了意想不到的困难：很多利用大肠杆菌为宿主细胞的外源基因表达产物如尿激酶、人胰岛素、人生长激素、白介素-6、人γ-干扰素等，不仅不能分泌到细胞外，反而在细胞内聚集成没有生物活性的直径约0.1～3.0μm的固体颗粒棗包含体［1］。这些基因表达产物的一级结构(即氨基酸序列)虽然正确，而其立体结构是错误的，所以没有生物活性。因此，为获得天然状态的目标产物，必须在分离回收包含体后，溶解包含体并设法使其中的目标蛋白质恢复应有的天然构象和活性。这就向生物化学家的蛋白质折叠机制研究提出了新课题。
1. 蛋白质复性机制研究
分离包含体并复性蛋白质的操作步骤并不复杂，从破碎细胞开始，然后将细胞匀浆离心，回收包含体后，加入变性剂溶解包含体，使之成为可溶性伸展态，再除去变性剂使表达产物折叠恢复天然构象及活性。但在实际研究中发现，在体外折叠时，蛋白质分子间由于存在大量错误折叠和聚合，复性效率往往很低。究其原因，蛋白质的立体结构虽然由其氨基酸顺序决定，然而伸展肽链折叠为天然活性结构的过程还受到周围环境的影响。
为了有的放矢地开发辅助蛋白质复性的技术，研究工作者纷纷开展了对蛋白质折叠机制的探讨。目前有两种不同的假设：一种假设认为，肽链中的局部肽段先形成一些构象单元，如α螺旋、β折叠、β转角等二级结构，然后再由二级结构单元的组合、排列，形成蛋白质三级结构；另一种假设认为，首先是由肽链内部的疏水相互作用导致一个塌陷过程，然后经逐步调整，形成不同层次的结构。尽管是不同的假设，但很多学者都认为有一个所谓‘熔球态’的中间状态。在熔球态中，蛋白质的二级结构已基本形成，其整体空间结构也初具规模。此后，分子立体结构再做一些局部调整，最终形成正确的立体结构［2］。总之，蛋白质折叠的具体步骤可用下式描述：
U→I→N
↓
A
即伸展态U经过早期变化成为中间体I，然后由中间体过渡到最后的天然态N。但是从中间体折叠为天然态的同时，另有一条旁路，即中间体相互聚集为凝聚物A(包含体)。在折叠反应中，从伸展态到中间体的形成是非常快速的，一般在毫秒范围内完成，但从中间体转变为天然态的过程比较缓慢，是反应的限速步骤。当溶液中离子强度或变性剂浓度很低，又无其它辅助手段存在时，聚集趋势占主导地位，导致蛋白质的自发复性效率极低。
一般认为，蛋白质在复性过程中，涉及两种疏水相互作用，一是分子内的疏水相互作用，二是部分折叠的肽链分子间的疏水相互作用。前者促使蛋白质正确折叠，后者导致蛋白质聚集而无活性，两者互相竞争，影响蛋白质复性收率［3］。因此，在复性过程中，抑制肽链间的疏水相互作用以防止聚集，是提高复性收率的关键。
2. 蛋白质复性研究的初期成果
80年代后期，人们开展了广泛的蛋白质复性研究。例如，Carlson等发现，单克隆抗体具有协助蛋白质复性的作用［4］；Cleland等发现，向稀释的变性蛋白质溶液中加入适当浓度的聚乙二醇，可抑制蛋白质复性过程中的凝聚沉淀，使蛋白质复性收率提高两倍［5］；Hagen等利用反胶团萃取人工变性的蛋白质后去除变性剂进行复性，复性率可达100%［6］(但由于变性剂的存在，萃取率很低)；Batas等利用凝胶过滤色谱介质的分子筛作用可防止变性蛋白质间的接触和凝聚，辅助其正确折叠［7］；Zardeneta等利用去污剂及混合胶团，成功地辅助了脲变性硫氰酸酶复性［8］。
3. 环糊精与直链糊精辅助蛋白质复性的研究
1995年，Karuppiah 和Sharma发表文章，介绍了使用环糊精辅助碳酸酐酶B的复性［9］。环糊精由淀粉通过环糊精葡萄糖基转移酶降解制得，是由D-吡喃葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键相互结合成互为椅式构象的环状低聚糖，其分子通常含有6～12个吡喃葡萄糖单元。有实用意义的是含6、7、8个吡喃葡萄糖单元的α、β、γ-环糊精，但α-环糊精空腔较小，γ-环糊精价格昂贵，常用的是β-环糊精［10］。环糊精的特征是能形成包络化合物，客体分子从宽口端进入其分子空腔。包络物的形成主要靠非共价键相互作用如范德华力、氢键、疏水相互作用、几何形状匹配等。利用环糊精的疏水性空腔结合变性蛋白质多肽链的疏水性位点，可以抑制其相互聚集失活，从而促进肽链正确折叠为活性蛋白质。
1999年，Sundari等报道了用直链糊精辅助胰岛素、碳酸酐酶和鸡蛋白溶菌酶复性［11］，发现直链糊精基本上能够模拟环糊精在辅助蛋白质复性方面的作用，而且具有这样一些优点：直链糊精的螺旋结构形成一个疏水性空管，可以结合更多的蛋白质分子；在水中溶解度较高，有利于提高复性酶浓度和实验操作；价格比环糊精便宜，实际应用前景广阔。
史晋辉
(天津大学化工学院生物化工系，天津 300072)
关键词：蛋白质复性；环糊精；分子伴侣
重组DNA技术为大规模生产目标蛋白质提供了崭新的途径。但人们在分离纯化基因工程表达产物时却遇到了意想不到的困难：很多利用大肠杆菌为宿主细胞的外源基因表达产物如尿激酶、人胰岛素、人生长激素、白介素-6、人γ-干扰素等，不仅不能分泌到细胞外，反而在细胞内聚集成没有生物活性的直径约0.1～3.0μm的固体颗粒棗包含体［1］。这些基因表达产物的一级结构(即氨基酸序列)虽然正确，而其立体结构是错误的，所以没有生物活性。因此，为获得天然状态的目标产物，必须在分离回收包含体后，溶解包含体并设法使其中的目标蛋白质恢复应有的天然构象和活性。这就向生物化学家的蛋白质折叠机制研究提出了新课题。
1. 蛋白质复性机制研究
分离包含体并复性蛋白质的操作步骤并不复杂，从破碎细胞开始，然后将细胞匀浆离心，回收包含体后，加入变性剂溶解包含体，使之成为可溶性伸展态，再除去变性剂使表达产物折叠恢复天然构象及活性。但在实际研究中发现，在体外折叠时，蛋白质分子间由于存在大量错误折叠和聚合，复性效率往往很低。究其原因，蛋白质的立体结构虽然由其氨基酸顺序决定，然而伸展肽链折叠为天然活性结构的过程还受到周围环境的影响。
为了有的放矢地开发辅助蛋白质复性的技术，研究工作者纷纷开展了对蛋白质折叠机制的探讨。目前有两种不同的假设：一种假设认为，肽链中的局部肽段先形成一些构象单元，如α螺旋、β折叠、β转角等二级结构，然后再由二级结构单元的组合、排列，形成蛋白质三级结构；另一种假设认为，首先是由肽链内部的疏水相互作用导致一个塌陷过程，然后经逐步调整，形成不同层次的结构。尽管是不同的假设，但很多学者都认为有一个所谓‘熔球态’的中间状态。在熔球态中，蛋白质的二级结构已基本形成，其整体空间结构也初具规模。此后，分子立体结构再做一些局部调整，最终形成正确的立体结构［2］。总之，蛋白质折叠的具体步骤可用下式描述：
U→I→N
↓
A
即伸展态U经过早期变化成为中间体I，然后由中间体过渡到最后的天然态N。但是从中间体折叠为天然态的同时，另有一条旁路，即中间体相互聚集为凝聚物A(包含体)。在折叠反应中，从伸展态到中间体的形成是非常快速的，一般在毫秒范围内完成，但从中间体转变为天然态的过程比较缓慢，是反应的限速步骤。当溶液中离子强度或变性剂浓度很低，又无其它辅助手段存在时，聚集趋势占主导地位，导致蛋白质的自发复性效率极低。
一般认为，蛋白质在复性过程中，涉及两种疏水相互作用，一是分子内的疏水相互作用，二是部分折叠的肽链分子间的疏水相互作用。前者促使蛋白质正确折叠，后者导致蛋白质聚集而无活性，两者互相竞争，影响蛋白质复性收率［3］。因此，在复性过程中，抑制肽链间的疏水相互作用以防止聚集，是提高复性收率的关键。
2. 蛋白质复性研究的初期成果
80年代后期，人们开展了广泛的蛋白质复性研究。例如，Carlson等发现，单克隆抗体具有协助蛋白质复性的作用［4］；Cleland等发现，向稀释的变性蛋白质溶液中加入适当浓度的聚乙二醇，可抑制蛋白质复性过程中的凝聚沉淀，使蛋白质复性收率提高两倍［5］；Hagen等利用反胶团萃取人工变性的蛋白质后去除变性剂进行复性，复性率可达100%［6］(但由于变性剂的存在，萃取率很低)；Batas等利用凝胶过滤色谱介质的分子筛作用可防止变性蛋白质间的接触和凝聚，辅助其正确折叠［7］；Zardeneta等利用去污剂及混合胶团，成功地辅助了脲变性硫氰酸酶复性［8］。
3. 环糊精与直链糊精辅助蛋白质复性的研究
1995年，Karuppiah 和Sharma发表文章，介绍了使用环糊精辅助碳酸酐酶B的复性［9］。环糊精由淀粉通过环糊精葡萄糖基转移酶降解制得，是由D-吡喃葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键相互结合成互为椅式构象的环状低聚糖，其分子通常含有6～12个吡喃葡萄糖单元。有实用意义的是含6、7、8个吡喃葡萄糖单元的α、β、γ-环糊精，但α-环糊精空腔较小，γ-环糊精价格昂贵，常用的是β-环糊精［10］。环糊精的特征是能形成包络化合物，客体分子从宽口端进入其分子空腔。包络物的形成主要靠非共价键相互作用如范德华力、氢键、疏水相互作用、几何形状匹配等。利用环糊精的疏水性空腔结合变性蛋白质多肽链的疏水性位点，可以抑制其相互聚集失活，从而促进肽链正确折叠为活性蛋白质。
1999年，Sundari等报道了用直链糊精辅助胰岛素、碳酸酐酶和鸡蛋白溶菌酶复性［11］，发现直链糊精基本上能够模拟环糊精在辅助蛋白质复性方面的作用，而且具有这样一些优点：直链糊精的螺旋结构形成一个疏水性空管，可以结合更多的蛋白质分子；在水中溶解度较高，有利于提高复性酶浓度和实验操作；价格比环糊精便宜，实际应用前景广阔。
