蛋白复性（五）-蛋白质复性

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。

4. 分子伴侣辅助蛋白质复性的研究

近来，越来越多的有关蛋白质折叠的研究已转向利用分子伴侣GroE家族。有些学者已成功地利用分子伴侣在体内和体外辅助蛋白质复性［12、13］。但分子伴侣在实际应用中尚存在费用高并需要与复性蛋白质分离等缺点，因此研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性是实现其应用的关键。

GroEL具有结合蛋白质的作用，相当于变性蛋白质的亲和配基。固定化GroEL柱(固定床)相当于变性蛋白质的亲和吸附层析柱，从而可提高样品的处理量，并使蛋白质在复性的同时得到浓缩和纯化。其特点在于：①不仅可以解决分子伴侣的重复利用问题，而且由于固定床的利用(近于平推流)，可提高分子伴侣的利用效率；②由于采用连续操作，原料处理量大，产品可以得到浓缩、纯化；③易于建立相关的模型，对于放大生产具有重要的指导作用。Teshima等利用固定化分子伴侣，在体外辅助了淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶的折叠复性［14］。

还有报道利用“小分子伴侣”对目标蛋白质进行复性［15、16］。“小分子伴侣”是指GroEL的一个片段，而这个片段并不是GroEL的水解产物，而是由基因重组后包括GroEL191-345氨基酸残基片段(16.7kD)或191-376氨基酸残基片段(21kD)密码的基因片段在大肠杆菌中的表达产物。它们能有效地促进亲环蛋白A、硫氰酸酶以及芽孢杆菌RNA酶的复性。由于“小分子伴侣”分子较小，更适合于固定化，且不需另加复性辅助因子(如GroES和ATP等)，因此具有很大的应用前景。

5. 人工分子伴侣在蛋白质复性中的应用

受蛋白质分子伴侣辅助蛋白质复性的启发，Rozema和Gellman对人工分子伴侣体系(去污剂＋环糊精)辅助碳酸酐酶和鸡蛋白溶菌酶复性进行了研究［17、18］。与分子伴侣GroEL＋ATP辅助复性的作用机制相似，其复性过程分为两步进行：第一步捕获阶段，在变性蛋白质溶液中加入去污剂，去污剂分子通过疏水相互作用与蛋白质的疏水位点结合形成复合体，抑制肽链间的相互聚集；第二步剥离阶段，加入环糊精，由于环糊精分子对去污剂分子有竞争性吸附作用，去污剂分子被剥离下来，从而使多肽链在此过程中正确折叠为活性蛋白质［17、18］。其反应机制可用下式表示：

U→U-dn→→→U-dn-m→→→F→N

即伸展态U首先与去污剂d形成复合物U-dn，加入环糊精后，小分子去污剂被逐次剥离下来，变为部分折叠、不含去污剂分子的非活性状态F，进而折叠为天然活性蛋白质N。

与GroE等蛋白质分子伴侣相比，联合使用去污剂和环糊精作为人工分子伴侣辅助蛋白质复性具有明显的优点：①人工分子伴侣不属于蛋白质，不易受环境影响而失活，操作条件较为宽松；②去污剂和环糊精均可直接购买，省去分离纯化的步骤；③去污剂与环糊精的分子量较小，容易与蛋白质分离，有利于提高工业生产效率。

参考文献

［1］孙彦. 生物分离工程，北京：化学工业出版社，1998，23--24
［2］王克夷. 《生命的化学》，1999，19(5)：233--235
［3］Goldberg ME et al. Biochemistry，1991，30：2790--2797
［4］Carlson JD et al. Bio/Technol，1992，10：86--91
［5］Cleland JL. J Biol Chem，1992，267：13327--13334
［6］Hagen AJ. Biotechnol Bioeng，1990，35：955--965
［7］Batas B et al. Biotechnol Bioeng，1996，50：16--23
［8］Zardeneta G et al. J Biol Chem，1992，267(9)：5811--5816
［9］Karuppiah N et al. Biochem Biophys Res Commun，1995，211(1)：60--66
［10］靳惠等.《分析化学》，1996，24(12)：1387--1390
［11］Sundari CS et al. FEBS Letters，1999，443：215--219
［12］Smith KE et al. J Biol Chem，1995，270(37)：21517--21523
［13］Xu Z et al. J Biol Chem，1997，121：331--337
［14］Teshima T et al. Appl Microbiol Biotech，1997，48：41--46
［15］Zahn R et al. Proc Natl Acad Sci USA，1996，93：15024--15029
［16］Taguchi H et al. J Biol Chem，1994，269(11)：8529--8534
［17］Rozema D et al. J Biol Chem，1996，271：3478--3487
［18］Rozema D et al. Biochemistry，1996，35：15760--15771

(本文原刊登在《生命的化学》2000年第6期)