活性多肽和蛋白质的结构功能、分子设计和作用机理 多肽是蛋白质吗

生命科学中的重要课题如生长发育、细胞分化、大脑活动、新陈代谢、免疫防御、生殖控制、肿瘤病变、延缓衰老等无一不涉及蛋白质与活性肽。它们是生命活动的主要承担者,是沟通细胞间与器官间信息的化学信使, 从而发挥微妙的传讯功能, 使机体协调组合成一系列高度严密的控制系统,调节生长、发育、繁殖、代谢和行为等生命过程。因而多肽和蛋白质研究不仅在理论上，而且在实际应用上，都有重要意义，尤其是在医学方面,例如心血管病、胃肠道病、糖尿病、精神病、癌症、自身免疫或免疫功能低下症、性发育异常与性功能低下症、老年性痴呆症,以及骨质疏松症与畸形病的起因与治疗均直接与蛋白质和活性肽相关。理论与实际的结合开拓了多肽药物的领域。
　　根据蛋白质领域的发展方向及生化所现有的基础，大致可以归纳为结构生物学、蛋白质的相互作用与识别、蛋白质的生物调控等几方面内容:
结构生物学
　　尽管经过亿年的生物进化,种属差异，伴随着蛋白质的演变，万变不离其宗,蛋白质的生物功能依然取决于特定的三维结构。蛋白质分子的不同区域或称为模体(motif),有的在维持特定空间结构中起着关键作用(Structuralmotif),有的则与蛋白质的生物
功能密切相关(Functional motif)。结构生物学当今成为生命科学的热点之一。
　　蛋白质的纯化与结晶是结构生物学研究的关键，同时也是上海生化所的特长，诸如胰岛素及其类似物、蛇毒蛋白、蛋白酶抑制剂、酶蛋白等晶体蛋白质的结构与功能阐明,都首先在生化所创导的。生化所对活性肽与蛋白质研究有着光荣的历史，在酶蛋白、肌肉蛋白、蛋白酶抑制剂、蛋白质和肽类激素、蛋白质工程等领域，自50年代起就开始立足于国际前沿。尤其是在胰岛素研究方面有较强基础,如人工合成、结构和功能、结晶以及蛋白质工程等一系列重大成果，在国际上颇有声誉。阐明胰岛素超家族成员的结构与功能的关系对研究蛋白质与受体结合及其功能分析(Functionalanalysis)将推上一个新的台阶。
　　微量蛋白质的纯化、结晶、特异肽键的裂解与肽的鉴定，以及蛋白质在宇宙空间的结晶与电泳行为等新技术应尽速建立,配合新蛋白质的结构与功能研究可带动全局。生化所已系统地掌握了蛋白质纯度鉴定、一级结构微量分析等方法。随着分子生物学高技术的迅速发展，目前除了膜蛋白尚不能大量制备外，新蛋白的基因结构阐明后,几乎都可通过其基因表达取得足够量的蛋白质。
　　蛋白质的相互作用及识别
　　很多活性多肽与蛋白质的功能是通过与受体结合而表达出来,最突出的例子是多肽或蛋白质激素。各种细胞因子及神经多肽，蛋白质的相互作用与识别也是当前研究蛋白质的最核心问题之一。
　　将胰岛素受体的细胞外结构域(extracellulardomain)克隆、表达，并分别研究与胰岛素及其类似物结合的分子机理。这将对结构生物学与治疗糖尿病的药物分子设计将有突破性的贡献。
　　神经多肽是当前神经生物学中的活跃领域。系列脑肽的发现为神经生物学史上的又一重大突破。它们的结构一旦阐明，借助于化学途径，合成激动剂、拮抗剂与活性中心片段等类似物，有利于其功能的阐明。在这方面无论是研究基础还是技术力量上海生化所在国内都是处于领先地位的。研究神经多肽在生物合成的途径或降解代谢过程中的酶切位点，维持其构象的必要条件，以及它们与特异受体结合的主要部位和发动或传导信息的活性中心，从而可有意识地将整个分子改貌，制备出比天然肽效价更高和选择性更强的药物。
蛋白质的生物调控
　　体内的活性多肽及蛋白质，它们都是在特定的时间与空间发挥作用，也即生物调控,它的精确、有序、快速、灵敏是无与伦比的,它们往往自成体系形成联激反应(cascade)，例如凝血体系与补体体系，有复杂的正、负反馈系统。今以较简单的蛋白原转化酶为例:在细胞内专一裂解配对碱性氨基酸残基酶系称为激素原转化酶，包括Furin，后者的分布较广，作用对象的范围大，如从神经生长因子到爱滋病毒外壳蛋白Gp120的生成等。它们是调控脑肽的生物合成及其他生理过程的枢纽。在下丘脑、垂体与胰岛细胞中,该酶的基因表达甚为活跃,通过转化酶的作用相应地产生神经肽、肽类激素与胰岛素。该酶系对脑功能的调控尤为重要。Furin的核苷酸顺序已测定并已克隆，但尚未获得足够的表达量及酶的晶体。该酶自身的形成与激活亦需加工,是否有其内源性抑制剂的存在也值得探索。若能开发该酶系的特殊抑制剂，则有潜在应用前景，如治疗肽类激素的过盛分泌症，包括柯兴氏症、胰岛素瘤、胃泌素瘤及其他异位肿瘤等。由于上海生化所在蛋白水解酶及抑制剂方面的研究已有深厚的基础，开展这方面的领域是有利的。
　　基础研究与应用开发的结合¾ ¾ 药物设计
　　蛋白质研究趋势的另一特点是基础与应用的紧密结合，以细胞因子为例，从基因的发现，随着基因工程、蛋白质工程的发展到生物工程产品的开发，时间并不很长，但关键还是基础研究的突破。在世界各国加强知识产权保护的大环境下，没有自已基础研究的积累，很难想象能孕育出新产品的开发。众所周知,各类淋巴细胞并不孤立存在，而是以流动的实体周转于人体，相互制约，形成网络，在体内按应激式微量分泌，其作用方式往往是邻分泌或自分泌的。外源性药物在临床上应用于生理缺陷或病患时,必须通过基础研究肯定病理状态与特定蛋白的明确关系。因此，寻找合适的实验模型，即基于受体的或基于细胞的生物测定(receptor orcell-based bioassays)
是必须重视的内容。有关细胞因子研究与开发在本所均已有基础,结合蛋白质的结构、功能与作用机理可协调组织课题，发挥生化所学科综合实力较强的特点，联合攻关。
　　利用合成途径进行肽类药物的研究是一个高新技术发展方向。肽类激素的药物发展引人注目，诸如调节生育、促排卵与催精子成熟的促性腺激素释放激素(GnRH或LH-RH)、抑制肿瘤发展的生长激素抑制素(Somatostatin)、增强免疫力的胸腺肽等。
　　近年来人们热衷于发展肽模拟物(Peptido-mimetics)。结构生化学的目的之一是将具有生物活性的复杂分子逐步修饰、取代、改造、最终压缩至仅包含功能单位的小分子。这种战略称之为肽模拟物的合理设计(rationaldesign ofpeptidomi-metics)。因为相当多的活性肽具有多效性或与多向性，或亲多种组织(Pleiotropy),肽所蕴藏的信息量较大，分子构象的特征明显，易为受体识别，研究多肽分子信息的组合(Organizationof molecularinformation)、定量构效关系(QSAR)、以及它们与受体的相互作用是设计多肽药物的三个主要方面，寻找理论依据，提高药物与受体识别的高选择性,通过多位点的相互作用，使某些部位的信息要素整合于分子表面,得到适合的匹配,有专一性的紧密结合。因为蛋白质与肽的生物利用度差，又易降解，或稳定性不强，乃至有抗原性和副反应，只能配成针剂使用，不能口服。提高有效性与选择性，减少副反应，加强生物利用度，延长药效，抵制酶降解是研究的明确目标。根据计算机图象、NMR分析技术、X-光晶体衍射、药物设计与合成、生物测定等系统研究先研制一先导化合物、然后通过构效关系研究，优化组合，逐步改善。
　　多肽药物的有效设计依赖于计算机模拟、分子动力学研究、NMR分析技术、崭新的合成方法和保护基设计、实验模型(受体测试与活性测定)等。其中机算机辅助药物设计(CADD)依据药物与靶细胞(蛋白质受体或酶)的特征通过模拟、计算、预测来提示崭新的分子模型,如上所述,需与实验科学配合包括肽的结构分析、化学合成、功能测定、毒性及临床鉴定，通过几个回合的循环后，才能发现更好的类似物。
　　当然，日益发展的受体克隆、结构测定与功能表达将提供更多的信息、对肽类药物的设计与研制会有突破性的进展。
　　生物技术的问世是分子生物学研究的丰硕果实，它拓宽了药物工业的领域，促进了医学的发展，推广了农业的应用范围。生命科学的前沿处于已知与未知的交界，热衷于探索新的方向，科学的交叉渗透，相互促进，解决生命科学的重大课题尚需更多的人力资源与科技投资，如是才能跻身于国际先进行列。
　　1、主要研究课题和内容
　　根据蛋白质研究的发展趋势和生化所现有的工作基础与条件拟可开展如下几方面的内容:
　　(1)结构生物学
　　蛋白质的一级结构是高级结构及功能信息贮存的基础，任何具有新功能蛋白质的发现，首先要分析其一级结构。生化所过去虽然测定过一些蛋白质的氨基酸序列，如三种不同家族的蛋白酶抑制剂，蛇毒磷酸二脂酶，不同种属来源的胰岛素等，同时也具有测定蛋白质氨基酸序列所必需的设备与条件，但其水平与国外相比仍相差甚远，必须引起高度重视。目前可考虑的对象是丝瓜毒蛋白LuffinS 及蝎毒的抗癫痫肽,它们的分子量均较小,又都有潜在的实用意义。
　　蛋白质的晶体结构分析是研究蛋白质结构域(motif)不可缺少的手段，生化所有很多蛋白质样品，遗憾的是，由于生化所X-晶体衍射组的撤消，已无法开展，所幸可通过与所外及国外协作来解决。目前可考虑的对象有中性与碱性磷酸二酯酶、慈菇蛋白酶抑制剂A与B，前者与北京生物物理所协作，后者与北大及英国YorkUniversity协作，在阐明晶体结构的基础上，可探讨三种磷酸二酯酶中与酶活性，抑制血小板聚集、溶血及神经毒性有关的活性区域，可进一步了解蛋白酶抑制剂与蛋白酶相互作用的区域，抑制剂的专一性，及改造抑制剂的可能性。
　　对蛋白质二级结构的研究，由于生化所即将配备带有红外的CD仪，加上已有的荧光仪，已有条件可以开展，加上生化所特有的高压技术，可研究蛋白质亚基之间或不同蛋白质之间的解离聚合，它们的热力学与动力学参数。
　　(2)蛋白质的相互作用与识别
　　蛋白质的功能是通过与其相应配体相互识别，相互作用而体现出来，这是研究蛋白质功能的核心问题。蛋白质的功能繁多,例如酶、蛋白激素、病毒蛋白、肌内蛋白、免疫蛋白、毒蛋白等，它们表现的功能不同，与配体相互作用的方式也就不同。由于生化所以往在研究胰岛素、病毒、蛋白酶抑制剂方面有较雄厚的基础，可以从这些不同的侧面来探讨蛋白质的相互作用,它们的相互识别与结合。
a.胰岛素与胰岛素受体
　　比较已知9个胰岛素家族成员的氨基酸序列及其晶体结构的基础上，提出胰岛素的基本模体(motif)为:
n1-Cys-Gly-X10-Cys-n2-Cys-Cys-X3-Cys-X8-Cys-n3
　　利用蛋白质工程获得各种胰岛素突变体，通过它们与受体结合能力及生物活性测定，可了解胰岛素分子表面的不同功能区和肽链折叠的规律，同时用基因工程表达胰岛素受体α-亚基胞外的两个类似而又独立的结构域，它们对胰岛素分别具有高亲和与低亲和结合的特性。通过对胰岛素模体及其受体结构域的研究，可进一步了解受体与配基相互作用的机理。
b.病毒外壳蛋白的组装
　　病毒在复制时其外壳蛋白有一自动组装的过程，这同样牵涉到蛋白质分子的相互作用与识别，最后达到精确、有序地进行装配。生化所对水稻齿裂矮缩病毒RRSV(双链RNA病毒)已作了深入的研究，包括病毒的物化性质，转录翻译，病毒突起蛋白,RNA聚合酶，以及它们相应的编码基因，这为研究病毒外壳蛋白的组装打下基础。病毒包装是如何启动的?外壳蛋白又是如何识别,剪切最后完成包装。
c.蛋白酶与蛋白抑制剂
　　这一体系是研究蛋白质相互作用、识别的最好模型，因蛋白酶的结构与功能在所有蛋白质中是研究得最清楚的。它们相对应的抑制剂，一般分子量又都较小,便于研究,此外对专一蛋白酶抑制剂的研究又有重要的实际意义。典型的例子是当前认为治疗艾兹病最有效的药物之一,即是Asp蛋白酶抑制剂。正在开发用于治疗心血管病的凝血酶抑制剂,已处于第三期临床试验阶段。生化所研究蛋白酶抑制剂已有数十年历史,是国际上研究蛋白酶抑制剂的中心之一。对三种不同家族的蛋白酶抑制剂，从蛋白质到基因，都作了深入的研究。在进一步阐明它们的晶体结构后，研究上述抑制剂及其突变体与它们相应蛋白酶的相互作用与识别,将会提供很多重要的信息。
　　(3)蛋白质的生物控制
　　生物体内一些重要的生理活动,往往是自成体系,以严格的生物调控方式来完成,例如体内各种多肽或蛋白质激素的激活、凝血体系、补体质系、细胞分裂及凋亡等体系。它们除包括两个蛋白质分子间的相互作用与识别外,还形成一复杂的网络,有更高层次的正、负反馈调控。生化所以往在蛋白质生物调控方面的研究是薄弱环节，今后极需加强。为了便于起步,最好从较简单的胰岛素原激活体系开始，即Furin对胰岛素原的激活,这里包括Furin自身的激活，Furin激活胰岛素原后类羧肽酶B对胰岛素原的进一步加工，以及蛋白酶抑制剂的反馈调控(根据一般规律应有相似的抑制剂存在)。
　　(4)药物设计
　　药物设计是基础研究与应用开发相互渗透的典范,是当前学科发展的热点，特别是多肽药物的设计。生化所在过去人工合成胰岛素的基础上,有雄厚的多肽合成实力,对催产素、促黄体激素释放激素(LH-RH)的合成，早已开发成为多肽药物。今完全有能力对天然多肽进行改造，设计出更有效、更专一的多肽药物。可考虑的内容如下:
　　a.降钙素的改造鲑鱼降钙素的生物活性高于人降钙素40倍，但两者的结构差异达50%左右,随之也就有可能产生异体免疫反应，因而极需设计一高活力而无免疫原性的类人降钙素。在临床上将有极大的应用前景，因骨骼疏松是老年人的常见病。
　　2、工作基础
(1) 研究基础
　　本领域的研究工作自生化所建所以来就一直不曾中断，几十年来人工合成结晶牛胰岛素、蛋白酶抑制剂、蛇毒蛋白、多肽合成等方面都作出了非常出色的研究成果。近年来，我们在本领域的研究工作同样得到发扬光大，作出了不凡的成绩(见表1和表2)。

<图表略——编者注>

　目前，在生化所从事蛋白质研究的有10多个课题组,涉及的研究对象是多方面的,主要有:
　　a.激素蛋白
　　胰岛素的研究在生化所有着辉煌的历史和雄厚的基础。继人工合成结晶牛胰岛素之后，长期从事胰岛素结构与功能关系和胰岛素受体的研究,系统研究了B链C-端在表现生物功能中的作用，提出了胰岛素分子与其受体结合部位的实验证据。近年来成功地利用酵母表达，并分离纯化了猪胰岛素前体，进一步转化为重组人胰岛素。在此基础上,正在通过蛋白质工程开展胰岛素结构生物学的研究。人绒毛膜促性腺激素(hCG)，类胰岛素生长因子I(lGF-I)的结构与功能关系研究也在进行中;
　　b.病毒蛋白
　　鉴定、分离纯化了10几种植物病毒和2种动物病毒。对若干病毒进行了深入的研究.包括外壳蛋白一级结构测定(通过cDNA),它们的解离聚合和基因表达及蛋白质工程等;
　　c.肌肉蛋白
　　在生化所以往曾有着突出的成就和坚实的基础,近来侧重于河蚌闭壳肌中AOKD钙结合蛋白结构与功能的研究;
　　d.蛋白酶抑制剂
　　在生化所有很长的历史，成为国际上不断有所发现，有所创新的蛋白酶抑制剂研究中心之一。研究的内容广而深,包括三种不同家族的蛋白酶抑制剂(Bowman-Birk族的绿豆蛋白酶抑制剂、南瓜族的胰蛋白酶抑制剂和新家族的慈菇蛋白酶抑制剂),其中慈菇蛋白酶抑制剂是在我国发现，它是一双头多功能抑制剂，更具有中国特色;
　　e.毒蛋白
　　主要研究核糖体失活蛋白，它们的鉴定、分离和纯化,在丝瓜子中发现了一组新的小分子毒蛋白，分子量约10kD，正在进行结构分析与基因表达。此外对蝎素中的各种离子通道神经毒素也都有深入的研究;
f.酶蛋白
　　正在系统地研究浙江蝮蛇蛇毒中的三种磷酸脂酶PLA2，(酸性PLA2、中性PLA2和碱性PLA2)，包括分离纯化、一级和三级结构分析、基因表达和蛋白质工程等，非常有趣的是最近发现了一种天然杂交酶分子,其氨基酸序列的N端半分子与碱性PLA2相同,而其C端与酸性PLA2相同;
　　g.凝集素蛋白
　　在植物凝集素方面系统地研究了天花粉和半夏凝集素,包括分离纯化、糖结合专一性、结构分析及活性碎片的制备等,从随机六肽库中筛选到可以和豌豆凝集素相结合的六肽。此外也在开展动物凝集素的研究;
　　h.活性肽的合成、结构功能、分子设计和改造等的研究
　　在生化所有着很强的优势。此外还有很多蛋白质如蛋白激酶、与凝血纤溶有关的凝血因子Ⅷ、组织纤溶酶原激活剂(tPA)、生长激素受体、转铁蛋白等等。
　　通过上述工作形成的蛋白质研究体系有: 蛋白质--蛋白质,如病毒外壳的解离聚合,酶与抑制剂的结合等;蛋白质-糖,如凝集素与糖的相互作用;配体-受体,如胰岛素-胰岛素受体的复合物;蛋白质-核酸,如病毒蛋白外壳与病毒核酸,核糖体失活蛋白与核糖体的相互作用等。
　　除了蛋白质研究的一般方法外,在上述研究中建立和广泛使用了新的生物技术,拥有很多E.coli,酵母和昆虫细胞表达体系;利用蛋白质工程技术阐明蛋白质的功能区。
　　以上工作包括很多当前蛋白质研究的活跃领域，作为今后工作的基础是广泛而坚实的。
(2) 设备条件
　　各课题都具备蛋白质研究的基本实验条件，有些组属于分子生物学国家重点实验室。大型仪器有蛋白质序列测定仪，多肽和DNA合成仪，蛋白质C-端序列测定仪,毛细管电泳仪，时间分辨率光谱仪,电子显微镜，1立升发酵管以及即将装备的带有红外光谱的C.D仪等。
(3) 经费来源
　　当前本领域有关课题组承担的科研项目包括着国家自然科学基金委、八六三计划“九五”期间项目、中国科学院“九五”重大项目、国家空间计划项目、上海市科委基金项目、上海市新药办、国际合作项目等近三十项，现有科研经费700余万元。此外，我们现正在申请中科院重大项目。

3、 科研队伍与人才培养
　　本领域直接从事蛋白质研究的科研人员54人，其中中国科学院院士1人，研究员9人，付研究员3人，助理研究员19人，各类技术人员16人，初级研究人员6人。此外有一批博士生和硕士生。
　　根据生化所整体结构性调整目标，本领域对人材培养的目标是：每年培养出一批高水平的博士学位获得者(具体数目根据硕博连读生的招收情况而定)，逐步形成本领域研究人员的第二、第三梯队，同时也要积极努力地吸引海外学子回所参加工作，使生化所的蛋白质方面的研究工作后继有人，尤其在近三年要吸引培养2~3名年青学术带头人。
4、 国际合作

　　各课题组都在取长补短和互利的原则下积极开展不同形式的国际合作研究。主要有:联合申请经费，如水稻齿裂矮缩病毒与沃大利亚合作申请了洛克菲洛基金; 玉米粗缩病毒拟与以色列、意大利联合申请欧共体资助;蛋白质抑制剂得到ChineseCenter of The De.Montfort University 资助;胰岛素结构功能的研究获得中法先进研究计划(PRA)资助等。此外，是工作上的合作，例如胰岛素的三维结构研究分别与英国G.Dodson教授、美国芝加哥大学的M.Weiss教授实验室有密切的合作关系;有的课题与香港大学和香港中文大学有密切合作关系等。

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