抗体酶的研究与应用进展

药物生物技术

PharIllaceu6calBiotechnology2003,lO(5):329—335

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抗体酶的研究与应用进展

陈年根,刘新泳

(1f』东大学药学院药物化学所,济南250012)

摘要抗体酶是一类以过渡态类似物为半抗原通过诱导免疫系统产生的具有类似天然酶催化活性的免疫球蛋白。它可促进许多用普通化学方法很难完成,或者天然酶尚未能催化的新奇转变。最近,抗体酶也显示出在许多领域的潜在应用价值。文章扼要介绍了抗体酶的设计策略,制备力法及应用前景。

美键词抗体酶;催化抗体;半抗原;过渡态类似物

中图分类号:Q55

文献标识码:A

文章编号:l【m_8915(2003J05一03批邮

抗体酶又称催化抗体.是一类免疫系统产生的、具有催化活性的抗体。自从1986年Schul乜和kmer首次证实由过渡态类似物为半抗原,通过杂交瘤技术产生的抗体具有类似酶的催化活性以来,短短卜几年,抗体酶已显,下:¨在许多领域的潜在应用价值,包括许多困难和能量不利的有机合成反应,前药设计,I临床治疗,材料科学等多个方面。抗体酶和天然酶在功能上有许多相似之处,如催化效率高,具有专一性、区域和立体选择性,可进行化学修饰和具有辅助幽子等,并且在饱和动力学与竞争性抑制方面也极其相似。抗体酶的发现打破了只有天然酶才有的分子识别和加速催化反应的传统舰念,为酶工程学开创了新的领域”1。同时也为验证天然酶的催化机制,进行酶的人工摸拟,眦发研究天然酵催化作用的起源提供了很好的帮助。l抗体酶的设计策略

最早的设计策略涉及运用过渡态类似物来选择对限速步骤的过渡态有最大亲和力的抗体酶,随后,生物催化剂的

位可由过渡态中间体椎知,但通常过渡态都檄不稳定,难以进行直接的结构分析。因而人们没想一个过渡态中问体类似物也有可能和酶有很强的亲和力,能阻l卜酶和底物的结合.以达到抑制酶的催化作用。

免疫系统的一个再要特征是能产生对・个特异的抗原有最大亲和力的抗体。与酶一样,抗体也是一种蛋白质,二

者都能特异忭和其靶分子结合。h。岫认为酶和抗体所利

用的结合能基本上是一样的,然而酶能够利用这种结台能使

化学反应的过渡态稳定,促进反麻的发生,而抗体通常结台

处于基态的抗原。如果抗体和酶一样,也能和一个反应的过渡态特异性结合,那么它就有可能催化这种反应的发生。基于对酶催化抑制机理的研究和免疫系统的认识,以过渡态类似物作为半抗原,利用免疫系统的分子多样性,则有可能诱导产生对过渡态类似物特异性结合的抗体。这种抗体含有同底物反应过渡态互补的结合空睦,因而和酶一样,也能艇生催化反应。抗体酶第一次用于有机酯的水解,四面体过渡态类似物磷酸盐和磷酸酯作为免疫原诱导产牛的单克隆抗体催化水解反应比未催化反应快l矿倍,如图1。

基础概念如张力,趋近效应(舯商“母e‰t),普通酸碱催

化,』}价催化等也用于抗体酶的殴计。目前,抗体酶的设计

策略有:过渡态类似物(咖*mons诅k皿丑lo祭|IsA),“诱导和

转换”(bait衄dswikh),反应免疫(reacnvei皿nIl呻tion),互补

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电荷(cha肾∞【Ilple咖nt日rity)”J,异源免疫(hd哪岫啷i删u—

Ili盟don)”1以及“潜过渡态”半抗原等。

1过渡态类似物设计

过渡态理论认为,酶之所以能够催化加速化学反应,在于它能够和底物结台形成过渡态中间体,释放出一部分结合能,从而降低了反应的活化能,使反应加速进行。酶和底物过渡态的亲和力比和底物直接的亲和力大,酶的活性部

图1酯酶催化反应的过渡态类似物设计(方框内为半抗原)

收稿日期:啦—09_12修回日期:2002—11—16

作者简介:陈年根,1卯1年生,男,江西临川人,在读硕士,从事抗病毒药物的研究。通讯联系人:刘新泳,1963年生,男,山东青岛人,博士,教授,从事抗病毒药物的研究。

Tel:t鹄1墙382005BⅡmd:dl啦由“舭@16a.T时

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药物生物技术第10卷第5期

1.2诱导和转换设计(h出a【ld稍把h)

诱导和转换设计的原理是用一个带有电荷的半抗原作为免疫原,在免疫进化过程中诱导抗体结台部位的一个氨基酸残基带有瓦补的电荷,使其具有酸、碱或亲梭催化的能力。所渭的“诱导”是指带电的半抗原作为“诱饵”使抗体产生催化功能,“转换”是指产生的抗体再催化和半抗原结构类似的不带电的底物转变“J。J蛐da等根据此原理,以带电的半抗原l为诱导,得到7个能催化和半抗原1结构类似的底物3水解的单克隆.而结构相同但小带电的半抗原2(作为比较)却未得到有催化活性的单克隆,化合物的结构

见图2..

叶奴。

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图2诱饵和转换设计

1.3反应免疫(删iveiH硼urliz鲥毗)‘51

人们对酶抑制剂抑制作用的机理研究发现,抑制剂的抑制作用主要是通过与酶的活性部位的必需基团发生相互作用而引起酶的失活。撒据以上研究推断,直【l果一个化台物能够反应抑制一个机理,那么它同样能湃导一个类似机理的产生。通过使用一个能和抗体发生反应的化合物作为免疫原,促使抗体结合部位在免疫过程巾发生特定的化学反应,诱导产生的抗体同样也可能催化类似的反应。B舡b螭等根据天然醛缩酶形成烯胺的催化机理,以1,3-二酮化合物为半抗原,诱导产生的33F12和38幔抗体酶催化醛酮化台物的醇醛缩合反应,并且底物的范嗣也比灭然酶宽得多。

这个方法使得免疫系统不再局限于和卟预先设计的抗原

紧密结合来产生抗体,化学反应也可作为抗体诱导过程的一部分。而传统的免疫过程多为抗体和抗原的非共价相瓦作用的诱导过程,刚而这种方法扩大了抗体酶的设计范围。

4“潜过渡态”半抗原设计…1

副设计一些半抗原,它们在近似生理条件下能互变异

构化,或者产生一些易于进行的化学转变,形成一系列在结

构和电子性质上均类似丁目标反应过渡态中闸体或过渡态的化台物。并没想生物体能够对这些中问体或过渡态作出适当的免疫应答,从而产生理想的催化抗体。

2抗体酶的制备方法

抗体技术的发展经历3个阶段。一是通过免疫动物产

生血清多克降扰体;二是细胞工程阶段,即用杂交瘤技术生

产单克隆抗体;三是利用基因工程途径表达和改造抗体。

2.1

杂交瘤技术(体内免疫法)

杂交瘤技术的基本原理是用能产生抗体但不能在培养

液中生长繁殖的B细胞,与能在培养液中生长繁殖的骨髓瘤细胞进行融台,经过反复筛选,以获取能产生单克隆抗体的杂交瘤细胞。再把这些细胞单克隆化,用单克隆化的杂交瘤细胞进行单克隆抗体的扩人生产。在抗体酶的制备中,由于大多数反应过渡态类似物的分予量都较低,即所谓的半抗原,它们本身免疫原性根弱,必须与某种载体耦联才能表现免疫原性。最常见的载体蛋白包括牛血清蛋白(b旷

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n啪v蚵n,KlJ|I)。丽抗体酶单克隆的筛选方法也不断发展,

现有酶联免疫吸附法(EusA),竞争性酶联免疫吸附法(c㈣1)eⅡve

EI腮A)”】,催化酶联免疫吸附法(c日删sA)”。以

及用短过渡态类似物片段进行筛选”1等多种方法。2.2噬茵体展示技术”…

随着1)NA重组技术的进展和人们对抗体分子认识的

深化,抗体技术由细胞上程抗体(杂交瘤单克隆抗体)发展刘基因工程抗体。尤其是噬菌体抗体库技术的出现,将抗体工程推向r‘个新的发展阶段。随后在噬菌体抗体库技术的基础上,人们叉发展丁噬菌体展示技术。这种技术将组建亿万种不剐特异性抗体可变区基因库和抗体在大肠杆茸功能性表达与高效快速的筛选手段结合起来,彻底改变了抗体的传统途径,使抗体酶的制备和性能的改良进入了新的阶段。噬菌体展示技术不需要进行细胞融合以获得杂交瘤细胞,并且可筛选具有特定功能的未知结构,具有生产简单,价格低,降低抗体的免疫原性,易获得稀有抗体的优点,因而显示出有取代杂交瘤技术的趋势。

其它的制备方法还有杂交瘤体外免疫法”“,化学修饰

和定位诱变”2I(目te_di唧吲mu‘岬n商s)等。

3抗体酶的应用

3.1在有机合成中的应用

迄今为止,科学家们已成功开发fn能催化所有6种类型的酶促反应和几十种类型的化学反应的抗体酶,包括水解、消除、缩合、氧化还原、重排、光分解和聚合,周环反应,异构化、环氧化””等。最近人们叉对抗体酶用于催化萘烷“4以及环肽的形成”“进行了研究。以下列f}.儿例抗体

陈年根等:抗体酶的研究与应用进展

酶催化的反应。

331

反应如a日is即重排和DiekAld汀等反应中已得到证实。Bra诂led和sch脚d删根据此原理和酶的趋近教应(PTo血itye野献).以环己烷衍生物4为半抗原,模拟cope重排高度有序的椅式过渡态,诱导产生的抗体酶能催化。矸.c0畔重排反应(图3)。此反应和Diel铲Ald竹反应一样,在天然酶中尚

未见发生。

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3.1.2能量不利的反应抗体酶的一个重要方面是能选择性地稳定相对于普通化学反应来说能量上不利的高能过渡态,因而能够催化不利的化学反应。如顺式消除““,外

陶3抗体催化。旷olpe重排

式(ex0)DiekA№反应”“等。其中的一个例子是内式(哪一

dD)吡喃类衍生物7的形成”“(图4)。按照BaldwilI环合规

则.环氧醇类化合物5的分子内亲核取代的l鼢过渡态几

何构型的优势产物应是呋喃类衍生物6。】衄[1丑等以8为半抗原产生的抗体酶.催化5产生了反BaldwiⅡ规则(能量不利)的六元环7,而非有利的五元环6。

3.1.1=乏然酶不能催化的反应反直底物和抗体酶的结合能.可以减少反应的平动及旋转等运动,因而抗体酶可作为一种“墒陷阱”,催化某些反应的发生。这种情况在周环

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图4抗体催化反Ba】岫环合规则反应

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图5抗体酶选择性水解(s),酪氨酸衍生物

3.1.3肽类的修饰

选择性修饰肽类和蛋白质的氨基酸

很难高水平控制这些化学和区域性转变。Benedetti汹1等第一次描述了由半抗原9诱导而得的抗体酶5220能选择性水解(s).酪氨酸lO及其简单二肚ll,12的苯甲酸酚酯(图5)。

边链在有机合成、酶的不可逆抑制以及改善肽类药物的药动学性质中很重要。但是,应用普通的化学和酶催化方法

332药物生物技术第10卷第5期

3.1.4引入辅助因子很多天然酶或人工酶模型都含有金属辅助因子,而化学家们也开发了许多化学辅助剂,如金属氢化物,过渡态金属等。如果能融合金属辅助因子于抗体酶,将有助于扩大抗体酶的应用范围。Nicholas㈦1等受许

多金属酶的活性部位有组氨酸衍生的咪唑配基的启发,用两种方法把酸酐和二咪唑基的衍生物13,cucl:和抗体酶38皿连接起来组成新的复合物:38c2—5.“吨,能有效地催化酯14的水解,图(6,7),K瞳,k以为21×105,KⅢ=2

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图6酸酐和38位活性残基L一93作用模式图

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图7抗体酶38c2复合物催化酯水解

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16

图8抗体14D9催化不对称合成

总之,抗体作为催化剂的功能是提供特定的分子微环境,能够稳定关键的中间体,从而促进反应的发生。因此,我们可以根据明确的化学机理,通过精心设计半抗原,诱导免疫系统产生度身定制的、具有催化指定反应,特别重要的是那些天然酶中迄今尚未发现,或者用普通化学方法难以合成的反应的催化剂。3.2在天然产物合成中的应用

复杂天然产物的合成一直是有机合成中的热点之~。

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5s),催化抗体14D9能对映选择性地水解烯醇醚15

生成含有绝对构型(s)的酮16,取得合成成功关键性的第一步。所有四个不对称中心都来源于抗体酶催化烯醇醚的反应,并且尚未发现天然酶能催化此反应。最近,抗体酶也成

功地用于其它天然产物的合成,如he性鲫jrB和删md到

的合成。

3.3在前药设计中的应用

前药(呻dn骋)是指由具有生物活性的药物经化学修饰

后转变为体外无活性的化合物。这种化合物在体内经酶或非酶作用,脱去保护基,释放出母体药物而发挥治疗作用。

SinlIa忸3等第一次把抗体酶用于天然产物(一).小MLdd“a【h

的合成(图8)。(一)一a-Mul曲面血含有四个不对称中心(1s

陈年根等:抗体酶的研究与应用进展

抗体酶38c2是根据I型缩醛酶的烯胺机理.通过反应免疫方法得到的“J。通过位于底物结合部位疏水『:=I袋的活性赖氨酸残基,LYs嘲,抗体酶38呓可催化醇醛缩合,逆醇

醛和逆M-chad反应旧J,以及接受宽范围的底物,因而可用

333

时药物部分保持在抗体酶活性部位的外面。考虑到以上因素,s}mbm∞1等设计了一种令新的前药释放系统(图9),利用有次序的逆醛醇缩台和逆Mich艚I反应可除去前体药物中的保护基,释放出活性药物。这种策略已成功地用于喜(Eloposide)陆1等抗肿瘤药肚及降血糖药胰岛素(hlBubn)m1的前药设计(图11)。

作为前药的激活剂。为了避免抗体酶在识别和裂解修饰部分时对药物本身的影响,基于抗体酶结合部位具有催化活性的赖氨酸残幕的宰问结构考虑,前药的修饰部分的长度应泼适宜.以便能发生串联的逆醇醛和逆Mic}ml反应,同

树碱(Carr咖thecin)(图10),阿霉素(№Kcin),依托泊甙

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罔10喜树碱前药激活过程(抗体酶38呓催化串联的逆醛醇缩合和逆蛐d・ad反应,随后自发成环。)

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图1l抗体酶38c2催化IIIsuhn前药释放过程

抗体酶38也的显著特点是它在鼠体内的半衰期较长,以及在生理条件下就能催化反应的发生。并且通过基因工程技术进行改造,如制成鼠.人嵌合抗体,小分子抗体,双价及双特异抗体,抗体融合蛋白等㈨,可降低人体对抗体酶38c2的排斥反应以及更有利于其穿透血管壁(分子量小)

进入病灶的核心部位,因而这种方法有希望成为临床前药治疗策略的一个有力工具。

4在临床治疗中的应用

随着对抗体酶研究的深入进行,抗体酶越来越显示出

在临床中的潜在应用价值。人们除了对抗体酶用于治疗可

334

药物生物技术第10卷第5期

卡因成瘾性晒],有机磷毒剂的解毒汹。等实际问题进行研究外,同时叉发展了一些诸如抗体定向抗体酶前药治疗法”“

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t}l唧rADAPr),三部分前药释放系统∽1等新方法。最近,中国科学院长春应用化学

研究所的研究人员对抗体酶用于治疗甲状腺疾病进行了研

究‘圳。

甲状腺激素是维持正常代谢和生长发育所必需的激素。甲状腺激索有两种含碘氨基酸:甲状腺素(Td)和三碘甲状腺原氨酸(B)。B是主要活性物质,而T4要转变为T3才起作用,这个转变主要由含硒的碘甲状腺原氨酸脱碘酶同源家族来完成。其中I型碘甲状腺原氨酸脱碘酶(DI)起主要作用,缺乏DI将导致严重的甲状腺疾病。Ⅱan等以T4为半抗原,利用杂交瘤技术制备了一种单克隆抗体4c5,用硒半胱氨酸替换4c5结合口袋中的丝氨酸残基,得到抗体

酶s“c5。通过对s“C5所催化的反应研究结果表明,和

DI一样,它的作用机理也为二底物兵乓(pi呜_p0Elg)机制,并且至少涉及一个共价的酶中间体。硒半胱氨酸残基和T4

结合口袋是se_4c5催化活性的两种关键因素。s“c5与鼠

肝脏匀浆中的DI相比,具有更高的专一性。ⅫC5催化T4

生成B显示出很高的脱碘酶活性,因而对治疗甲状腺疾病有很高的应用价值。由于se一4c5能选择性脱碘,因而它也有希梁在有机合成中得到广泛的应用。

总之,抗体酶是化学和生物学的研究成果在分子水平交叉渗透的产物,是抗体的多样性和酶分子的巨大催化能力结合在一起的~种新策略。虽然抗体酶存在这样或那样的缺点,如进化过程过于仓促以及过渡态类似物和真实反应过渡态结构卜的差别等原因,大多数抗体酶的底物专一性、反应选择性和催化效率不如天然酶,以及由于制备过程过于复杂等原因而使得抗体酶至今未能大规模应用等。但可以相信,随着生物技术和化学学科的迅速发展,这些缺陷必将逐渐得到改善,抗体酶的研究和应用也将达到一个新的水平。

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欢迎订阅《中国临床药学杂志》

《中国临床药学杂志》(IssNl007.4406;cN31.1726)原名《临床药学》,创刊于1992年。由中国药学会主办、复旦大学药学院(原上海医科大学药学院)承办,是国内影响较大的全国性科技学术期刊。本刊被国家科技部“中国科技论文统计源期刊”(中国科技核心期刊)、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊收录;被国内诸多文摘和美国的《国际药学文摘》(IPA)摘录;并且2003年荣获《o蚺cD》执行优秀期刊:

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本刊为双月刊,大16开本,64酉:逢单月25日出版,每期定价7.00元,全年4200元。国内外公开发行(邮发代号:国内4.573.国外4726BM)。欢迎广大读者厦时向本地邮局订阅,漏订者请直接汇款至我刊编辑部,免收邮寄费。地址:上海市

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net。

抗体酶的研究与应用进展

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

陈年根, 刘新泳

山东大学药学院药物化学所,济南,250012药物生物技术

PHARMACEUTICAL BIOTECHNOLOGY2003,10(5)1次

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2. 吴文婷. 邹国林 抗体酶的制备与应用进展[期刊论文]-化学与生物工程2004,21(5)

3. 范立梅. 阮红. FAN Limei. RUAN Hong 抗体酶的研究及应用[期刊论文]-温州大学学报2005,18(4)4. 王梦阳. 陈海丽 简介抗体酶[期刊论文]-河南化工2010,27(8)5. 抗体酶技术在医学上的应用[期刊论文]-生命的化学2005,25(5)

范学院学报(自然科学版)2009,9(2)

7. 郑小莉. 罗波 抗体酶及其催化原理[期刊论文]-泸州医学院学报2004,27(3)8. 洪维剑. 蔡发国. 朱丽如 抗体酶研究的新进展[期刊论文]-饲料研究2009(10)

9. 罗贵民. LUO Gui-Min 催化抗体研究新进展[期刊论文]-生物化学与生物物理进展2000,27(4)10. 郭晓强. 米裕 抗体酶的发现者——舒尔茨[期刊论文]-化学教育2006,27(7)

引证文献(1条)

1. 吴文婷. 邹国林 抗体酶的制备与应用进展[期刊论文]-化学与生物工程 2004(5)

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