抗體酶簡(jiǎn)介及研究進(jìn)展

汪誠斌

免疫是人類和脊椎動(dòng)物最重要的防御機(jī)制,它是在生物進(jìn)化過程中逐步發(fā)展并完善起來的。免疫系統(tǒng)能在分子水平上識(shí)別“自我”和“非我”,進(jìn)而破壞“非我”的分子。由此既能保護(hù)自身的組織免受免疫系統(tǒng)的侵犯,又能消滅外來的物質(zhì)。免疫系統(tǒng)就是以這種方式消滅病毒、細(xì)菌等病原以及對(duì)生物體造成威脅的大分子。在免疫系統(tǒng)中,免疫球蛋白起著關(guān)鍵性的作用。

免疫球蛋白或稱抗體,是一類可溶性的血清糖蛋白,是血清中最豐富的蛋白質(zhì)之一。抗體具有兩個(gè)特點(diǎn):一是高度的特異性,而是巨大的多樣性。特異性是指抗體一般只能與引起免疫反應(yīng)的抗原進(jìn)行專一反應(yīng)。多樣性是指抗體可以和大量的抗原(人工和合成)進(jìn)行反應(yīng)。

新陳代謝是生命活動(dòng)的基礎(chǔ),是生命活動(dòng)最重要的基本特征。而在生物體中進(jìn)行的各類物質(zhì)代謝和能量代謝,都是需要酶的參與。生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖、神經(jīng)活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)等都是和酶緊密相關(guān)的。可以說,缺少了酶,生命活動(dòng)就無法進(jìn)行。

人類對(duì)于酶的認(rèn)識(shí),最早起源于生活和生產(chǎn)實(shí)踐。近十幾年來,生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究有了很大的進(jìn)展,因此酶學(xué)研究也是碩果累累。酶工程已成為當(dāng)代生物工程的重要支柱。酶作為生物催化劑和普通的化學(xué)催化劑相比,有著共同性。酶和其他催化劑都能顯著加快反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間,大大地提高了反應(yīng)速率,但卻不能改變化學(xué)平衡常數(shù)。酶和其他催化劑在反應(yīng)前后,其自身的化學(xué)性質(zhì)不改變。顯然,酶作為細(xì)胞產(chǎn)生的生物催化劑,還有著獨(dú)特之處。首先,酶容易失活。凡能使生物大分子變性的因素,如高溫、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、重金屬鹽等都能使酶失活。因此酶的作用條件是常溫,常壓和接近中性的酸堿條件。其次,酶還具有很高的催化效率。重要的是酶具有高度的專一性。

如上所述,酶系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)在生物體中占據(jù)著重要的位置。酶的化學(xué)本質(zhì)除了具有催化活性的RNA外幾乎都是蛋白質(zhì)。類似的是,抗體的本質(zhì)也是蛋白質(zhì)。這不禁讓我們突發(fā)靈感。每種免疫球蛋白的的L鏈都含有可變區(qū)或V區(qū)和恒定區(qū)或C區(qū)。可變區(qū)內(nèi)的氨基酸序列各抗體之間是不同的;恒定區(qū)內(nèi)的殘基序列任何抗體之間幾乎相同。諸多相似之處,使得酶和免疫球蛋白的結(jié)合成為可能。

抗體酶是20世紀(jì)80年代后期才出現(xiàn)的一種具有催化能力的蛋白質(zhì),其本質(zhì)上是免疫球蛋白,但是在可變區(qū)賦予了酶的特性,因此又稱“催化性抗體”。抗體酶是生物化學(xué)和化學(xué)的研究成果在分子水平上的交叉結(jié)合的成果,是把抗體的多樣性和酶的強(qiáng)大的催化能力融合的產(chǎn)物。人類很早就認(rèn)識(shí)到,酶與抗體這兩種蛋白質(zhì)盡管功能有著很大的差異,但是在分子水平上,卻有著驚人的相似之處。特別是在和各自的配基的結(jié)合過程中,以著相同的方式進(jìn)行并且顯現(xiàn)出相似的動(dòng)力學(xué)過程。

酶具有高度催化效力的原因之一,就在于過渡態(tài)原理。過渡態(tài)底物是指底物和酶結(jié)合成中間復(fù)合物后被活化的過渡形式,由于能障小,和酶結(jié)合就緊密得多。由于酶作用機(jī)制研究的進(jìn)展,目前已報(bào)道了各種酶反應(yīng)的幾百種過渡態(tài)底物類似物,它們都屬于競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,其抑制效率比其基態(tài)底物類似物高的多。

借此,我們可以用過渡態(tài)底物的類似物作為半抗原來免疫動(dòng)物將有可能產(chǎn)生有催化活性的抗體。我們可以通過多種途徑來獲得抗體酶,方法如細(xì)胞融合法、抗體結(jié)合點(diǎn)位化學(xué)修飾法、引入輔助因子法、用生物工程的方法產(chǎn)生抗體等。在此我們著重介紹生物工程法。

生物工程用于抗體酶技術(shù)正在大大加速其研究進(jìn)展。Scripps研究院的研究人員開創(chuàng)了一項(xiàng)革命性的技術(shù)——在體外制造抗體片段即Fab片段。Fab片段由輕鏈和重鏈的VH及CH1部分組成,作為一種催化劑,抗體酶有這樣的片段就行,無須完整的抗體分子。有了這種新技術(shù),科學(xué)家們就無須在要得到一種新的抗體時(shí),就要用抗原給老鼠注射一次,而是從人或動(dòng)物的抗原中抽取基因,然后用酶反應(yīng)復(fù)制基因的聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)技術(shù)重新鑄造輕鏈和重鏈,這樣就可以把這些基因組合成100萬個(gè)含有成對(duì)輕鏈和重鏈的基因庫。這些基因庫是存儲(chǔ)在細(xì)菌病毒里,通過隨機(jī)地將基因和輕重鏈結(jié)合的方法,就可大量制造Fab片段了。片段里的基因是通過細(xì)菌的形式表達(dá)出來的。這樣就可在細(xì)菌培養(yǎng)中繁殖數(shù)百萬計(jì)不同抗體,將它們用于催化反應(yīng)比使用老鼠雜交細(xì)胞更快更方便。

在制備抗體后,抗體酶的篩選是很重要的,常見的篩選方法有以下幾點(diǎn)。

(1)ELISA法:用ELISA法篩選對(duì)半抗原有親和力的單克隆抗體,然后大量培養(yǎng)分析單克隆抗體的酶學(xué)活性。

(2)酶學(xué)活性檢查法:直接用反應(yīng)底物檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)液中抗體的酶活性。此法比上述方法更簡(jiǎn)單,但需要抗體具有可觀測(cè)的酶活力。

(3)短過渡態(tài)類似物法:以過渡態(tài)類似物中含有的必須基團(tuán)的基本結(jié)構(gòu)單元作為篩選單克隆抗體的標(biāo)準(zhǔn)。這是一種快速鑒定與過渡態(tài)結(jié)合抗體的方法,這樣對(duì)該化合物親和力越強(qiáng)的化合物,其催化效率越高。

(4)基因篩選法:應(yīng)用基因探針,對(duì)基因抗體庫進(jìn)行分析和篩選。

抗體酶的研究不僅有重要的理論價(jià)值,為酶的過渡態(tài)理論提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù),而且抗體酶有令人鼓舞的應(yīng)用前景。如果能制備出按照人們的設(shè)計(jì)對(duì)特定的肽鍵進(jìn)行水解的抗體酶,則將為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究提供新的手段。在醫(yī)學(xué)上這種抗體酶將有可能用來專一地破壞病毒蛋白質(zhì)及專一地清除心血管病人血管壁上的血液凝塊。

目前,國家自然科學(xué)基金委員會(huì)已把對(duì)抗體酶的研究列為高技術(shù)新概念新構(gòu)思課題中。抗體酶的研究對(duì)酶學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程學(xué)、工業(yè)應(yīng)用都具有潛在的重大影響。

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