抗体酶简介及研究进展

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免疫是人类和脊椎动物最重要的防御机制,它是在生物进化过程中逐步发展并完善起来的。免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”,进而破坏“非我”的分子。由此既能保护自身的组织免受免疫系统的侵犯,又能消灭外来的物质。免疫系统就是以这种方式消灭病毒、细菌等病原以及对生物体造成威胁的大分子。在免疫系统中,免疫球蛋白起着关键性的作用。

免疫球蛋白或称抗体,是一类可溶性的血清糖蛋白,是血清中最丰富的蛋白质之一。抗体具有两个特点:一是高度的特异性,而是巨大的多样性。特异性是指抗体一般只能与引起免疫反应的抗原进行专一反应。多样性是指抗体可以和大量的抗原(人工和合成)进行反应。

新陈代谢是生命活动的基础,是生命活动最重要的基本特征。而在生物体中进行的各类物质代谢和能量代谢,都是需要酶的参与。生物的生长、发育、生殖、神经活动、运动等都是和酶紧密相关的。可以说,缺少了酶,生命活动就无法进行。

人类对于酶的认识,最早起源于生活和生产实践。近十几年来,生物化学和分子生物学的研究有了很大的进展,因此酶学研究也是硕果累累。酶工程已成为当代生物工程的重要支柱。酶作为生物催化剂和普通的化学催化剂相比,有着共同性。酶和其他催化剂都能显著加快反应达到平衡的时间,大大地提高了反应速率,但却不能改变化学平衡常数。酶和其他催化剂在反应前后,其自身的化学性质不改变。显然,酶作为细胞产生的生物催化剂,还有着独特之处。首先,酶容易失活。凡能使生物大分子变性的因素,如高温、强碱、强酸、重金属盐等都能使酶失活。因此酶的作用条件是常温,常压和接近中性的酸碱条件。其次,酶还具有很高的催化效率。重要的是酶具有高度的专一性。

如上所述,酶系统和免疫系统在生物体中占据着重要的位置。酶的化学本质除了具有催化活性的RNA外几乎都是蛋白质。类似的是,抗体的本质也是蛋白质。这不禁让我们突发灵感。每种免疫球蛋白的的L链都含有可变区或V区和恒定区或C区。可变区内的氨基酸序列各抗体之间是不同的;恒定区内的残基序列任何抗体之间几乎相同。诸多相似之处,使得酶和免疫球蛋白的结合成为可能。

抗体酶是20世纪80年代后期才出现的一种具有催化能力的蛋白质,其本质上是免疫球蛋白,但是在可变区赋予了酶的特性,因此又称“催化性抗体”。抗体酶是生物化学和化学的研究成果在分子水平上的交叉结合的成果,是把抗体的多样性和酶的强大的催化能力融合的产物。人类很早就认识到,酶与抗体这两种蛋白质尽管功能有着很大的差异,但是在分子水平上,却有着惊人的相似之处。特别是在和各自的配基的结合过程中,以着相同的方式进行并且显现出相似的动力学过程。

酶具有高度催化效力的原因之一,就在于过渡态原理。过渡态底物是指底物和酶结合成中间复合物后被活化的过渡形式,由于能障小,和酶结合就紧密得多。由于酶作用机制研究的进展,目前已报道了各种酶反应的几百种过渡态底物类似物,它们都属于竞争性抑制剂,其抑制效率比其基态底物类似物高的多。

借此,我们可以用过渡态底物的类似物作为半抗原来免疫动物将有可能产生有催化活性的抗体。我们可以通过多种途径来获得抗体酶,方法如细胞融合法、抗体结合点位化学修饰法、引入辅助因子法、用生物工程的方法产生抗体等。在此我们着重介绍生物工程法。

生物工程用于抗体酶技术正在大大加速其研究进展。Scripps研究院的研究人员开创了一项革命性的技术——在体外制造抗体片段即Fab片段。Fab片段由轻链和重链的VH及CH1部分组成,作为一种催化剂,抗体酶有这样的片段就行,无须完整的抗体分子。有了这种新技术,科学家们就无须在要得到一种新的抗体时,就要用抗原给老鼠注射一次,而是从人或动物的抗原中抽取基因,然后用酶反应复制基因的聚合酶链反应(PCR)技术重新铸造轻链和重链,这样就可以把这些基因组合成100万个含有成对轻链和重链的基因库。这些基因库是存储在细菌病毒里,通过随机地将基因和轻重链结合的方法,就可大量制造Fab片段了。片段里的基因是通过细菌的形式表达出来的。这样就可在细菌培养中繁殖数百万计不同抗体,将它们用于催化反应比使用老鼠杂交细胞更快更方便。

在制备抗体后,抗体酶的筛选是很重要的,常见的筛选方法有以下几点。

(1)ELISA法:用ELISA法筛选对半抗原有亲和力的单克隆抗体,然后大量培养分析单克隆抗体的酶学活性。

(2)酶学活性检查法:直接用反应底物检测细胞培养液中抗体的酶活性。此法比上述方法更简单,但需要抗体具有可观测的酶活力。

(3)短过渡态类似物法:以过渡态类似物中含有的必须基团的基本结构单元作为筛选单克隆抗体的标准。这是一种快速鉴定与过渡态结合抗体的方法,这样对该化合物亲和力越强的化合物,其催化效率越高。

(4)基因筛选法:应用基因探针,对基因抗体库进行分析和筛选。

抗体酶的研究不仅有重要的理论价值,为酶的过渡态理论提供了有力的实验证据,而且抗体酶有令人鼓舞的应用前景。如果能制备出按照人们的设计对特定的肽键进行水解的抗体酶,则将为蛋白质结构的研究提供新的手段。在医学上这种抗体酶将有可能用来专一地破坏病毒蛋白质及专一地清除心血管病人血管壁上的血液凝块。

目前,国家自然科学基金委员会已把对抗体酶的研究列为高技术新概念新构思课题中。抗体酶的研究对酶学、医学、生物工程学、工业应用都具有潜在的重大影响。

参考文献

[1] 周永新.中国药理通报,2003,20(3):11.

[2] 王镜岩.生物化学.

[3] 郭勇.酶工程.