四、药用蛋白的化学修饰位点预测、结构优化策略

wumingshi

随着基因工程、蛋白质化学及生物信息学等学科的发展，对许多药用蛋白质进行结构上的优化和修饰都能显著改善其成药性。目前，药用蛋白质结构优化主要采用定点突变和体外定向进化等策略。定点突变是选择性地对蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基进行改变，以改善目标蛋白的成药性，主要用于蛋白质结构和功能明确的情况。蛋白质体外定向进化的方法很多，包括易错PCR（error-prone PCR）、DNA 改组技术（DNA shuffling）、随机引物体外重组、交错延伸、杂合蛋白法等，主要用于不明确结构和功能关系的蛋白质。将体外定向进化的各种DNA重组手段和分子文库筛选的方法结合，也是药用蛋白质分子工程的有效策略。另一方面，对药用蛋白质采用亲水聚合物进行修饰，也是改善其成药性的重要手段。但通常药用蛋白质进行修饰后药理活性下降，故优化这些修饰位点以保障药理作用而改善其他成药性特征是重要环节。

（一）药用蛋白质化学修饰位点预测

目前，常用聚乙二醇(PEG)、葡聚糖等对药用蛋白质进行化学修饰，这些修饰剂通常分子量很大。经过化学修饰的药用蛋白质一般在热稳定性、溶解度、免疫原性等方面有显著改善。所用修饰剂通常需要活化，以便与蛋白质分子中残基侧链上的巯基、氨基或羧基发生反应形成共价键。预测这些修饰位点，不仅需考虑这些位点所在蛋白质三维结构空间的分布位置，还需考虑其所参与的相互作用在药用蛋白质药理活性中的作用。因此，药用蛋白质进行亲水聚合物修饰的位点，应该位于三维空间的表面，修饰尽可能不影响该药用蛋白质的药理活性，但需要尽可能改善所需要的成药性特征。

通常，用分子动力学模拟可考察药用蛋白质分子的带电状况和长程静电相互作用、范德华力、库伦相互作用、氢键、反应基团的溶剂以及表面积等性质，确定易于与修饰剂反应但修饰尽可能不降低其药理活性的位点，或通过定点突变引入符合要求的修饰位点。这些亲水聚合物修饰药用蛋白质的主要目的通常是减弱其免疫原性，故对不影响药理活性的药用蛋白质抗原表位进行修饰是优选的修饰位点。

（二）药用蛋白质结构优化的策略

1. 提高蛋白质药物稳定性的结构优化策略  蛋白质构象异变且相互之间的能量差异较小，但通常认为最低能量构象为最稳定构象且是发挥活性的主要构象。已有不少方法可用来优化蛋白质结构，使之具有更好的热稳定性。

（1）优化β转角序列：尽管具体的机制还不清楚，通过将蛋白质表面β转角处的氨基酸序列进行优化已经获得了热稳定性增加的产物。蛋白质结构中的β转角一般由相邻的4个氨基酸残基组成，且含有较多的脯氨酸和甘氨酸残基。Trevino1等应用模体识别程序PROMOTIF和蛋白质结构展示程序Swiss-PdbViewer program共同识别出蛋白质RNase Sa的β转角序列，再结合Guruprasad 及Rajkumar收集的β转角序列的资料，搜索序列中优选残基为脯氨酸或甘氨酸但在实际序列中却不是的位点。在尽量不改变其他相互作用的前提下，将野生型RNase Sa的这些位点上突变成优选残基，显著提高了RNase Sa的稳定性。

（2）突变蛋白质内部被包埋的带电荷残基：如包埋于凝血因子Ⅷ分子内部的A1和A2或A3结构域交界处的带电残基Glu272、Asp519、Glu665及Glu1984被丙氨酸或缬氨酸替代后，其中一个突变体的热稳定性提高了2倍，其活化形式Ⅷa的稳定性提高了4～8倍。

（3）优化蛋白质内部连接多肽的长度：胰岛素是小分子的球蛋白，包含A和B两条链，分别由21和30个残基组成。胰岛素的前体是一种由A、B两条链连接的单链多肽。两种分子有相似的二硫键（A6-A11、A7-B7及A20-B19）。除此之外，胰岛素前体A1和B29之间有一个35氨基酸残基组成的连接多肽。已有的资料显示，人工合成的各种胰岛素单链同义物中，B29-A1之间的连接多肽的长度，即B29的α碳原子与A1的α碳原子之间的原子数（包括B29侧链在内）对其活性有很大影响，而B29的α碳原子与A1的α碳原子之间的原子数为22即连接肽长度相当于为六个氨基酸时能获得最佳的活性。包含由六个氨基酸残基（GGGPRR）组成的连接子的胰岛素单链同义物其稳定性相对于相应的双链同义物显著提高，同时其与受体的亲和力也提高了约30%。

（4）利用分子表面电荷避免单体聚合：采用电荷替代的方法，可能提高蛋白质药物单体的稳定性，减少单体间形成的多聚体。将胰岛素分子上LysB28突变为AspB28，从而改变了分子表面电荷，使它们带上同种的负电荷，避免了单体间的聚合作用，由此获得的胰岛素药物Novalog具有更高的吸收效率和单体在治疗有效浓度下的稳定性。

2. 提高蛋白药物-靶蛋白亲和力的优化策略  蛋白药物和靶蛋白间的相互作用对药效的影响至关重要。通过计算机辅助设计，点突变可以根据实际需要增加蛋白质间相互作用的亲和力。有些软件可用于优化蛋白质间亲和力，如RosettaDesign、FOLDEF等。RosettaDesign采用模拟退火法和蒙特卡罗优化方法，搜寻能更好地结合靶分子的配体蛋白质的氨基酸突变方式。通过这种方式，可对药物蛋白质进行优化，提高它与靶分子的亲和力。

3. 提高酶催化效力的生物信息学策略  药用酶蛋白通常作用于体内的低分子物质。基于酶催化的过渡态理论，利用量子力学和分子力学杂合模型模拟酶催化的过渡态结构并计算活化能，可用于预测和虚拟筛选酶蛋白的突变体，辅助设计活化能更低而催化活性更高的酶蛋白突变体，这是酶蛋白分子工程合理设计的关键策略。通过对应的分子模拟过程计算酶蛋白突变体同底物的亲和力高低也是提高酶催化能力的有效手段。

（三）蛋白质结构优化相关生物信息学工具

一些常用的蛋白质结构优化生物信息学工具见表17-3。

表17-3 蛋白质结构优化相关生物信息学工具

功能	名称	网址
β转角序列预测	BetaTurns	http://www.imtech.res.in/raghava/betaturns/
分子表面分析	CASTp	http://cast.engr.uic.edu
提高稳定性	POPMUSIC2.0	http://babylone.ulb.ac.be/popmusic/
	CUPSAT	http://cupsat.uni-koeln.de
	I-Mutant2.0	http://gpcr.biocomp.unibo.it/cgi/predictors/I-Mutant2.0/I-Mutant2.0.cgi
蛋白质间接触面分析及亲和力优化	RosettaDesign	http://rosettadesign.med.unc.edu/index.html
	InterProSurf	http://curie.utmb.edu/prosurf.html
	iMolTalk	http://i.moltalk.org
	FOLDEF3.0beta3	http://fold-x.embl-heidelberg.de

单点突变预测工具POPMUSIC（http://babylone.ulb.ac.be/popmusic/）是由Dehouck等开发的蛋白质结构优化设计的有效工具。POPMUSIC能够向蛋白质结构中引入所有可能的单点突变并计算由该突变造成的稳定性变化。可以提交三种方式的查询输入：单点预测，预测给定点突变带来的稳定性变化；系统预测，计算所有可能的突变带来的稳定性变化，返回最稳定、最不稳定和不影响稳定性突变的清单报告；文件预测，计算由用户在上传文件中编辑的突变带来的结构稳定性变化。POPMUSIC通过计算折叠自由能改变来估算单点突变带来的稳定性变化。POPMUSIC主要考虑扭曲势能和Cμ-Cμ势能，并根据突变残基的溶剂可及性采用不同的势能组合计算自由能改变。

生物信息学还是李霞厉害啊