过敏荨麻疹症状图片:什么叫做“表达文库”

抗体及免疫细胞受体是典型得生物文库. 在免疫系统中, 文库设计, 合成以及优化的整个过程都由生物体自己控制. 只有抗原结构和形成胚胎因子的遗传信息是外部的条件, 其余均是由内在因素自发控制. 因为免疫系统使用蛋白质结构文库, 它们将氨基酸作为文库的基本因素.

因为肽或以含氨基酸形成的蛋白质都是通过翻译遗传信息而合成的初产品, 需要序列的蛋白质能容易地藉由向微生物如细菌或病毒体内插入修改后的遗传信息来获得. 微生物文库合成有几大优点. 可以克隆微生物使每种微生物只制造一种蛋白质, 而且即使只有一个细胞也可以利用细胞增殖简单克隆出足够数量. 使用生物的最大好处是他们能自我繁殖, 只需给予充足的补给.

这是对使用微生物的蛋白质合成过程的简短描述. 在合成用于制造目的蛋白质序列的DNA链之后, 合成其互补链, 如果需要的话使用酶. 为使合成的DNA在微生物中恰当的复制并翻译, 需要用病媒动物(vector)压缩它然后进入微生物之内. 蛋白质在微生物的表面上被表达, 下一步是寻找目的蛋白质.

制造文库需要多种遗传信息. 随机DNA合成或切片cDNA或某种生物全基因组DNA都可使用. 制造特定蛋白质的 DNA序列片断能被修改以制造突变蛋白质文库. 考虑到体积限制和微生物繁殖的表达速率, 可以制得109(十亿)种文库. 与106到107种合成文库相比, 这可是个大数. 5单元肽的数量是205(320万)种, 6单元的是6400万, 7单元肽的数量超过10亿. 因此, 如果改变了超过7氨基酸的肽, 就仅能制出没有包含全部可能组合的不完全文库. 但这并不意谓着我们不能制造超过7氨基酸的蛋白质. 对于长链蛋白质, 7个不同的氨基酸能被单独选择而且替换. 当DNA随机合成的时候, 可以重复DNA密码而指定相同的氨基酸, 并且改变产生的频率. 因此, 为得到所有可能的组合, 需要更多的克隆体.

::::抗菌素文库::::

抗菌素文库是最著名的蛋白质文库法之一. 抗菌素寄居宿主体内, 是一种含有衣壳和遗传物质的病毒. 这种方法在80年代中期发明, 在90年代开始用于多种领域.

M13和Lambda病毒是最著名的.

M13和lambda病毒

<http://www.cvm.msu.edu/courses/mic569/docs/parasite/>
<http://www.hal.rcast.u-tokyo.ac.jp/genome/Present.htm>

M13 是一种薄长的病毒, 由于它的基因组体积小, 可以容易地制出多种文库. 不同于其他病毒, 它能到宿主细胞的外面而不损坏它们或抑制它们的生长. 已知M13在宿主细胞中增殖其遗传信息并且以包着衣壳的形式出现, 它能制造10种类型的蛋白质, 而且通常在pVIII, pIII衣壳中合成文库.

pVIII蛋白质包围其整个身体, 含有约50个氨基酸. 通常每一病毒表达2700个. 因为它的氨基端伸出衣壳, 可以修饰它以在其上表达一个不同的肽. 通常一个长肽不能够表达, 但是6单位的肽是可能的. 由于同时表达大量相同的文库分子, 尽管相对较短, 用它于多种配体反应是可以的.

pIII 蛋白质在病毒末端表达, 而且通常是含有406个氨基酸的3到5种蛋白质. 它能表达相当大的蛋白质因而可以将它用在全蛋白质或抗体文库种. 正常的抗体使用Fab, 即抗原识别区域, 或者说Fvs链. 抗菌素文库和杂种细胞是制造抗体的最著名的方法. M13是制造随机肽文库的理想材料, 而且病毒能够足够稳定的被沉淀和浓缩, 因而在1-10mL体积中筛选109种文库成为可能.

不同于M13, Lambda病毒在细胞质中包裹着衣壳, 当有足够数量后穿出衣壳而不是总是戴着衣壳出现. 换句话说, 如果表达不同的蛋白质, 它将会折叠的形状出现并具有恰当的功能. pV和D蛋白质普遍用于文库合成.

如同能在抗菌素表面表达蛋白质一样, 还有随机肽, 天然蛋白质碎片, 特异性突变蛋白质文库和部份抗体碎片, 他们可用于色谱材料, 蛋白质-蛋白质反应, 受体结合位搜索和药物发现.

::::细菌及酵母文库::::

不仅带有衣壳的病毒, 还有带有细胞壁和细胞膜的细菌也能用于文库表达. 革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都能用来在细胞表面表达蛋白质, 还有大肠杆菌(E. coli), 一种革兰氏阴性菌, 也普遍使用. 大肠杆菌是如此有名, 以致于外行如我者也知道两种细菌: 一是大肠杆菌, 另一种是其余的. 细菌文库可以找出一种能够与抗体紧密结合的抗原, 然后将其用作疫苗. 细菌文库也可用于表达诊断抗体或受体文库, 以用于特定材料的分析.

革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌

<www.meddean.luc.edu/.../DeptWebs/ microbio/med/gram/tech.htm>

<http://www.hhmi.org>

高等动物的蛋白质被蛋白质合成后的磷化作用或糖加成修饰的功能称为翻译修饰翻译修饰. 但是细菌作为一种原核生物 没有这种功能, 因而合成了一个蛋白质后要么它由于溶解度低而沉淀, 要么失活. 因此, 酿酒酵母, 一种真核细胞就被利用. 尽管酿酒酵母如细菌一般是单细胞, 它有翻译修饰功能并且能够使合成的蛋白质与原始的极为相似.

酵母

<news.bbc.co.uk/hi/english/health/ newsid_761000/761884.stm>

与病毒不同, 由于它有微米大小的细胞所以可以使用FACS(萤光活性细胞分类)技术. 文库中的蛋白质在细胞表面表达, 然后经过FACS机的细管, 这样萤光标记的目标分子就被加到其上. FACS根据萤光颜色和活性强度分类每个细胞. 分类不同颜色的目标分子并分类不同活性和选择性的细胞是可能的. 另外的优点是液相筛选, 它不必分离紧密附着的分子. 分类后的细胞再一次繁殖, 然后再筛选.

::::淘洗(Biopanning)::::

下面是一个合成的微生物文库的实例. 它的目的是寻找一种能够跟特定分子紧密连接的酶.

<http://www.hort.purdue.edu/CFPESP/Hasegawa/ha00002.htm>

首先，目标分子平均地被置于检光板上. 制备了的微生物文库被加到板上. 只有与目标分子紧密结合的微生物能够存留, 其余的都到了溶液中. 一段时间后, 除去没有结合的微生物, 然后以恰当的溶液洗涤弱结合或偶然结合的微生物. 目标分子结合的紧密程度决定了洗涤过程. 仍然存留的微生物可通过加入低pH或高浓度的目标分子而分离, 通过繁殖增加数量. 有时结合程度太强时分离它们而不致死细菌是困难的. 如果它是噬菌体, 而不是分离, 那就可以直接感染宿主细胞. 由于存在偶然未考虑的微生物种类, 第一次增殖的微生物直接进行重复筛选－增殖的过程以增加含有活性蛋白质的克隆体数量. 最后在低浓度下培养后, 每个克隆体得以分离. 通常选出几十个克隆体用于DNA序列分析. 如果从DNA信息得到的肽结构是可识别的而且大多数克隆体表现出相同的肽序列, 那就意味着成功了. 然而, 因为蛋白质可能对多种克隆体表现出毒性而且 DNA表达率能改变, 总是有一种可能性存在, 即克隆体增殖速度和表达效果均好于期望的筛选结果. 因此, 通过测量肽合成及键强度的证实步骤是必需的.

即使在被获得的DNA或肽中有重要的药物候选者, 它们也将在蛋白质激酶的作用下在体内迅速水解. 因此, 用具有相似肽结构的人造分子取代它们是必需的, 尽管这个步骤非常困难. 几年以前麻州理工学院的Peter Kim小组报道了一个有趣的实验, 他们用D-氨基酸取代其光学异构体天然L-氨基酸以降低水解率. 他们使用人造D-氨基酸作为靶分子, 用天然L-氨基酸筛选发现了高亲合的肽. 因为真正的受体是由L-氨基酸构成, 也即其镜像, 于是他们合成了已发现的L-肽的镜像, 即D-肽. 当D-肽被用于天然受体的时候, 它仍然表现了高活性. Perter Kim, 过去一直作HIV感染途径和治疗方面的工作, 现在正在Merk工作, 他是在Sung-ho Kim博士那一代之后最强有力的韩国诺贝尔奖候选人.

::::DNA, RNA 文库::::

微生物蛋白质文库技术基本基于活体生物的自我再生能力. 那就是, 通过放大(饲养)少量已获得的候选分子来提高纯度和数量. 蛋白质是活体生物利用遗传信息的产物这一点也非常重要. 如果用DNA或RNA而不是蛋白质可以吗? PCR(DNA扩增技术)的发展, 使得自90年代早期以来使用核酸做文库成为可能.

因为DNA和RNA是由4种单位构成, 10长度的低聚体有410(约106=一百万)种, 20长度的低聚体文库有约1012种. 通过使用自动固相DNA合成机, 序列中的5'端和3'端被修饰, A, T, C和G随机放置, 每个约占序列的25%. 当有了一条链后, 就通过使用酶或PCR扩增复制它. 通常约1014-15个分子被合成和使用, 但是时常存在大约40个随机引入位(1024种), 有时他们以不完全文库系列开始. 对于DNA文库, 基本使用DNA本身, 而对于RNA文库, 需要T7 RNA 聚合酶转录.

制备的文库按照与靶分子结合程度筛选;用PCR扩增DNA, 用RT-PCR扩增RNA. 蛋白质, 不同的核酸, 糖类和小分子都可用作靶分子. 放大了的文库的筛选和扩增过程被重复直到1014-15 的起始数量降至几百, 然后分析获得的候选分子的序列, 并且测量每个的亲合强度.

SELEX

<http://web.uvic.ca/sciweb/Courses/B300/B300.Outline.html>

这些已获得的DNA和RNA叫做智能配体(aptamers), 它们表现出对蛋白质靶分子的强亲合性, 高1nM Kd. 智能配体抑制靶分子在体内的功能, 但是它很快地被体内的核酸酶破坏. 为了解决这个问题, 文库的一些部份用人造核酸取代以增强对核酸酶的抵抗性. 在他们之中, 核酶(ribozymes), 一种可以催化其它化学反应的催化剂, 也被发现而且可以确认RNA界假说.