第八章 酶定向进化
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第八章定向进化
第八章 酶的定向进化
• • 第一节 定向进化简介 第二节 定向进化的应用
第一节 定向进化简介
• • • • 一．理论来源 二．概念 三．定向进化的选择策略 四．杂合酶
一．理论来源
• 利用基因工程原理可以在实验室中模拟生 物进化过程
– 化学进化 – 生物进化
二．概念
• 酶分子改造,基于序列的合理化设计， sequential rational design
– 化学修饰，定点突变
• 定向进化，非合理设计 irrational design
酶分子的合理设计： 酶分子的合理设计： • 利用各种生物化学，晶体学，光谱学等方 法对天然酶或其突变体进行研究，获得酶 的分子特征、空间结构、结构和功能之间 的关系以及氨基酸残基功能等方面的信息， 以此为依据对酶分子进行改造。 酶分子的非合理设计： 酶分子的非合理设计： • 不需要准确的酶分子结构信息而通过随机 突变，基因重组，定向筛选等方法对其进 行改造。
• functional lipase secreted by Recombinants screened with BMMY plates
SDS-PAGE analysis of lipase on expression and purification
Model Chiral Reaction Catalyzed by Lipase B52
酶分子存在进化潜力的原因
1.天然酶在生物体内存在的环境和酶实际应 用的环境的不同。如非水相作为筛选压力。 2.生命体内的单个酶的进化受到整体调节， 进化机会有限。 3. 非生物体内所涉及的酶或蛋白质的性质， 如蛋白类药物改造消除其副作用。
三．定向进化的选择策略
定向进化=随机突变 正向重组 选择（或筛选） 定向进化 随机突变+正向重组 选择（或筛选） 随机突变 正向重组+选择 – 关键：突变和筛选 – 突变，采用回交法消除不利突变和中性突变 – 筛选，筛选方法必须灵敏，至少与目的性质有 关。 例：蛋白酶选择平板初选，配合活性染色和X 光片消化分析，44000个突变株筛选
• • 第一节 定向进化简介 第二节 定向进化的应用
第一节 定向进化简介
• • • • 一．理论来源 二．概念 三．定向进化的选择策略 四．杂合酶
一．理论来源
• 利用基因工程原理可以在实验室中模拟生 物进化过程
– 化学进化 – 生物进化
二．概念
• 酶分子改造,基于序列的合理化设计， sequential rational design
– 化学修饰，定点突变
• 定向进化，非合理设计 irrational design
酶分子的合理设计： 酶分子的合理设计： • 利用各种生物化学，晶体学，光谱学等方 法对天然酶或其突变体进行研究，获得酶 的分子特征、空间结构、结构和功能之间 的关系以及氨基酸残基功能等方面的信息， 以此为依据对酶分子进行改造。 酶分子的非合理设计： 酶分子的非合理设计： • 不需要准确的酶分子结构信息而通过随机 突变，基因重组，定向筛选等方法对其进 行改造。
• functional lipase secreted by Recombinants screened with BMMY plates
SDS-PAGE analysis of lipase on expression and purification
Model Chiral Reaction Catalyzed by Lipase B52
酶分子存在进化潜力的原因
1.天然酶在生物体内存在的环境和酶实际应 用的环境的不同。如非水相作为筛选压力。 2.生命体内的单个酶的进化受到整体调节， 进化机会有限。 3. 非生物体内所涉及的酶或蛋白质的性质， 如蛋白类药物改造消除其副作用。
三．定向进化的选择策略
定向进化=随机突变 正向重组 选择（或筛选） 定向进化 随机突变+正向重组 选择（或筛选） 随机突变 正向重组+选择 – 关键：突变和筛选 – 突变，采用回交法消除不利突变和中性突变 – 筛选，筛选方法必须灵敏，至少与目的性质有 关。 例：蛋白酶选择平板初选，配合活性染色和X 光片消化分析，44000个突变株筛选
2011酶工程 第八章 酶的定向进化
普通筛选方式
常见的96孔板高通量筛选技术
1 平板筛选技术
1）根据细胞生长情况筛选突变基因 热 抗生素 pH 高渗透压 低温 有毒物及抑制剂
OD-Monitor OD值测定传感器
2） 依据颜色变化筛选
颜色变化是最简便的追踪酶反应的方法，如用对硝 基苯基衍生物检测水解酶的活性。根据水解释放出的 黄色对硝基苯酚或对硝基苯胺来进行检测。下图显色 底物可检测葡萄糖苷酶。 碱性条件显色pH8 大多数酶并不能直接引起颜色变化，为了检测一个没 有生色集团的底物的反应，需要将反应产物转变为一 个有色化合物。
Stemmer W P C. , Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91: 10747- 10751
二 酶稳定性-耐有机溶剂
2001年，Song 和Rhee利用随机突变和重组的方法筛选得到 三株磷脂酶A1 突变体,可以在有机溶剂存在的条件下有效的 发挥作用, 其稳定性和活性都得到较大的提高。 Song J K, Rhee J S. Biochim Biophys Acta , 2001 , (1547) : 370～ 378. Arnold 等用定向进化方法提高P450 BM3对有机溶剂ＤＭＳ Ｏ耐受力提高了６倍，对ＴＨＦ的耐受力提高了１０倍。
基因型
表达型
融合蛋白
PIII
Lead
Hv
Link
Lv
E
PIII
4 酵母细胞表面展示技术
S. cerevisiae 易培养、安全、适用范围广
适用于真核生物蛋白库的构建，有较高的库容量
（ 105 -106 )
展示可溶性蛋白（104 -105 protein copies/cell），
酶定向进化
天然酶的局限
天然酶的稳定性差,活性低使催化效率很低,还
缺乏有商业价值的催化功能
天然酶的局限性源于酶的自然进化过程.
现代生物工程的要求
能具备长期稳定性和活性 能适用于水及非水相环境 能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底 物 能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物 的原材料 如何利用相对简单的方法以达到对天然酶的改造 或构建新的非天然酶就显得非常有研究意义和应 用前景.
1.平板筛选法
平板筛选法所依据的重组细胞的表型包括细
胞生长情况、颜色变化情况、透明圈情况。 1）依据细胞生长情况筛选突变基因 在提高酶的热稳定性、抗生素耐受性、pH稳 定性和对其他极端环境条件的耐受能力等方 面有广泛应用。
2）依据颜色变化筛选突变基因
片断 （lacZ′）插入到噬菌体DNA的间隔区域中，当它 感染了相应的大肠杆菌宿主细胞时，在含有IPTG和 底物X－gal的平板培养基上可以形成蓝色噬菌斑。 （2）在对磷酸酯酶进行定向进化的过程中，可以在 平板培养基中加入硝基酚磷酸，接种重组细胞培养 一段时间后，有些重组细胞周围出现黄色（硝基 酚）。
二、突变基因的筛选
（一）定向选择环境条件的设定 （1）提高酶的稳定性，高温筛选重组细胞，每一次 突变－筛选的循环中逐步提高重组细胞的培养温 度。 （2）如果定向进化的目的是提高β－内酰胺酶的活 性，从而提高对β－内酰胺酶类抗生素的耐受性， 可以通过在含有一定浓度的β－内酰胺酶类抗生素 的培养基中培养重组细胞，并在每一次突变－筛 选循环中逐步提高抗生素的浓度。 （二）高通量筛选技术P217表8－2
特点 正突变的概率低，突变基因较大，筛选的工作量大，一般适用于较小基因的定 向进化。
实例
枯草杆菌蛋白酶:洗涤剂合成、鞣革和医药领域的重 要工业酶制剂。 Chen 等采用易错PCR 对该酶进行了体外进化研究。 他们通过降低反应体系中dATP 的浓度, 对编码该酶 从第49 位氨基酸到C 端的DNA 片段进行易错PCR , 经筛选得到的几个突变株在高浓度的二甲基甲酰胺 (DMF) 中酶活性明显提高 突变体PC3 在60 %的DMF 中, 酶活力是野生型的 256 倍。将PC3 再进行两个循环的定向进化, 得到的 突变体13M酶活力比PC3 还要高3 倍。
天然酶的稳定性差,活性低使催化效率很低,还
缺乏有商业价值的催化功能
天然酶的局限性源于酶的自然进化过程.
现代生物工程的要求
能具备长期稳定性和活性 能适用于水及非水相环境 能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底 物 能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物 的原材料 如何利用相对简单的方法以达到对天然酶的改造 或构建新的非天然酶就显得非常有研究意义和应 用前景.
1.平板筛选法
平板筛选法所依据的重组细胞的表型包括细
胞生长情况、颜色变化情况、透明圈情况。 1）依据细胞生长情况筛选突变基因 在提高酶的热稳定性、抗生素耐受性、pH稳 定性和对其他极端环境条件的耐受能力等方 面有广泛应用。
2）依据颜色变化筛选突变基因
片断 （lacZ′）插入到噬菌体DNA的间隔区域中，当它 感染了相应的大肠杆菌宿主细胞时，在含有IPTG和 底物X－gal的平板培养基上可以形成蓝色噬菌斑。 （2）在对磷酸酯酶进行定向进化的过程中，可以在 平板培养基中加入硝基酚磷酸，接种重组细胞培养 一段时间后，有些重组细胞周围出现黄色（硝基 酚）。
二、突变基因的筛选
（一）定向选择环境条件的设定 （1）提高酶的稳定性，高温筛选重组细胞，每一次 突变－筛选的循环中逐步提高重组细胞的培养温 度。 （2）如果定向进化的目的是提高β－内酰胺酶的活 性，从而提高对β－内酰胺酶类抗生素的耐受性， 可以通过在含有一定浓度的β－内酰胺酶类抗生素 的培养基中培养重组细胞，并在每一次突变－筛 选循环中逐步提高抗生素的浓度。 （二）高通量筛选技术P217表8－2
特点 正突变的概率低，突变基因较大，筛选的工作量大，一般适用于较小基因的定 向进化。
实例
枯草杆菌蛋白酶:洗涤剂合成、鞣革和医药领域的重 要工业酶制剂。 Chen 等采用易错PCR 对该酶进行了体外进化研究。 他们通过降低反应体系中dATP 的浓度, 对编码该酶 从第49 位氨基酸到C 端的DNA 片段进行易错PCR , 经筛选得到的几个突变株在高浓度的二甲基甲酰胺 (DMF) 中酶活性明显提高 突变体PC3 在60 %的DMF 中, 酶活力是野生型的 256 倍。将PC3 再进行两个循环的定向进化, 得到的 突变体13M酶活力比PC3 还要高3 倍。
第八章酶分子的定向进化概要
张今等为解决空间结构未知酶的蛋白质工程问题 以天冬氨酸为模型通过控制DNA合成的碱基底物 种类和浓度比例实现碱基对的错配，向目的基因 引入突变同时限制突变减少筛选突变体的工作量， 探索了一种称为酶法体外随机、定向改造酶分子 的途径。
9
三、发展阶段
易错PCR(error-prone PCR)和DNA改组方 法成功开发标志着酶分子定向进化技术的成 熟。 在酶分子的定向进化改造中，易错PCR和 DNA改组技术配合使用通过随机突变和优势 重最早使用的载体系统，在载体本身的设计方面
已经相当成熟。 优点：
插入片段的载容量大，适合于大片段的克隆。 感染效率高、鉴定容易，有较好的质量控制指标。 基因质量高、代表性好，稳定性好，适合长期
▪ 酶分子的定向进化（directed evolution）即属于 蛋白质的非合理设计。
3
三、发展方向
酶催化的精确性和有效性往往并不能满足通常的工业 化要求，天然酶通常缺乏有商业价值的催化功能及其 他性质。因此，对天然酶分子水平上的改造，显得十 分重要。
酶分子仍具有巨大的进化潜力，是酶的体外定向进化 的基本先决条件。
关于外显子在蛋白质进化中的作用有两种观点：
“原生内含子”假说：认为当前所有的蛋白质都 经过外显子改组；
“后生内含子”假说：认为外显子改组仅出现在 真核细胞中，以提高这些生物基因的韧性。
两种假说都承认外显子改组是蛋白质进化的重要 机制，因此人为模拟此自然进化过程定向进化酶 分子将是获得新酶的颇具吸引力的途径。
21
七、突变库的构建及应用（一）构建理想的基因要考虑的因素1.基因的质量
（1）基因的代表性中包含的DNA分子应能完整地反映来源基因
（2）突变基因片段的序列完整性中重组或突变DNA片段应尽可能完整地反映出天然 基因的结构。
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三、发展阶段
易错PCR(error-prone PCR)和DNA改组方 法成功开发标志着酶分子定向进化技术的成 熟。 在酶分子的定向进化改造中，易错PCR和 DNA改组技术配合使用通过随机突变和优势 重最早使用的载体系统，在载体本身的设计方面
已经相当成熟。 优点：
插入片段的载容量大，适合于大片段的克隆。 感染效率高、鉴定容易，有较好的质量控制指标。 基因质量高、代表性好，稳定性好，适合长期
▪ 酶分子的定向进化（directed evolution）即属于 蛋白质的非合理设计。
3
三、发展方向
酶催化的精确性和有效性往往并不能满足通常的工业 化要求，天然酶通常缺乏有商业价值的催化功能及其 他性质。因此，对天然酶分子水平上的改造，显得十 分重要。
酶分子仍具有巨大的进化潜力，是酶的体外定向进化 的基本先决条件。
关于外显子在蛋白质进化中的作用有两种观点：
“原生内含子”假说：认为当前所有的蛋白质都 经过外显子改组；
“后生内含子”假说：认为外显子改组仅出现在 真核细胞中，以提高这些生物基因的韧性。
两种假说都承认外显子改组是蛋白质进化的重要 机制，因此人为模拟此自然进化过程定向进化酶 分子将是获得新酶的颇具吸引力的途径。
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七、突变库的构建及应用（一）构建理想的基因要考虑的因素1.基因的质量
（1）基因的代表性中包含的DNA分子应能完整地反映来源基因
（2）突变基因片段的序列完整性中重组或突变DNA片段应尽可能完整地反映出天然 基因的结构。
第八章 酶定向进化
其基本操作过程如下 : 靶基因经随机突 变产生含不同突变类型的亲本基因群, 用 DNase I 随机切割; 得到的片段经过不加 引物的多次PCR 循环, 在该过程中, 这些 片段之间互为引物和模板进行扩增, 直至 获得全长基因; 再加入基因的两端引物进 行常规PCR, 最终获得发生改组的基因库。
2.1交错延伸重组(Stagger extension process)
图给出最常用的大肠杆菌克隆用质粒pUC19的图 谱，此质粒的复制起点处序列经过改造，能高频 率起动质粒复制，使一个细菌pUC19的拷贝数可 达500-700个； 质粒携带一个抗氨芐青霉素基因，编码能水解β内酰胺环，从而破坏氨芐青霉素的酶，当用 pUC19转化细菌后放入含氨芐青霉素的培养基中， 凡不含pUC19者都不能生长，结果长出的细菌就 是都含有pUC19的。
它是由两个相互独立的关键技术组成. 一个是随机基因文 库的构建, 另一个是特定酶( 特别是增加催化活性、增强 选择性或稳定性) 的筛选策略。
第二节 定向进化的方法
一、酶基因的随机突变
1.易错PCR技术 (Error prone PCR)
易错PCR 是指从酶的单一基因出发，通过 改变PCR 的反应条件 , 使碱基在一定程度上 随机错配而引入多点突变, 构建 行全面的筛选。为此要求构建 可能完变基库容量。
所有的质粒载体都有三个 共同的特征：一个复制子、一 个选择性标志和一个克隆位点。 复制子是含有DNA复制起始 位点的一段DNA（ori），也包 括表达由质粒编码的复制必需 的RNA和蛋白质的基因。 选择性标志对于质粒在细 胞内持续存在时必不可少的。 克隆位点是限制性内切酶 切割位点，外源性DNA可由此插 入质粒内，而且并不影响质粒 的复制能力，或为宿主提供选 择性表型。
酶工程 第八章 酶的定向进化 (1)
7
酶的定向进化
• 基于序列的理性设计：分子修饰
利用已知酶分子的空间结构、结构和功能之间关系， 以及氨基酸残基功能等信息，对酶分子进行改造； • 利用基因操作模拟自然进化的非理性设计：定向进化 不需要准确的酶分子结构信息而通过随机突变、基 因重组等方法模拟自然进化机制在体外改造酶基因， 并定向筛选出所需突变酶；
• 缓冲液中另加0.5mmol/L Mn2+ • 提高Mg2+浓度
15
1、易错PCR
• 优点：操作简便，随机突变的定向进化
• 难点：要控制好突变率
16
1、易错PCR
连续易错PCR： 将一次PCR扩增得到的有用突变基因作为下一 次PCR扩增的模板，连续反复地进行随机诱变。
8
酶的定向进化
酶定向进化的概念： 模拟自然进化（随机突变和自然选择） 的过程，在体外进行酶基因的人工随机突 变，并在人工控制条件的特殊环境下进行 定向选择，得到具有优良催化特性的酶的 突变体。所得到的酶称为进化酶。
9
酶的定向进化
• 主要过程： 1、随机
DNA 改组 (DNA shuffling)
交错延伸PCR 随机引物体外重组 基因家族重排
12
PCR
13
1、易错PCR
• Taq酶不具有3’5’ 方向的 外切酶活性，有一定的错配 几率（5×10-5） • 易错PCR：提高PCR过程 的错配几率
14
1、易错PCR
方法：
• 改变4种底物的浓度比，或降低一种dNTP的量（降 至5％-10％），同时加入dITP来代替被减少的 dNTP；
• 基因重组（of chapter 8
8.1进化的应用
34
第八章酶的定向进化
➢ 缺点：正突变基因少，需多次PCR。 定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。
结果对单基因进化得到的突变酶中，对头孢羟羧氧胺的抗性最高的增加了8倍，而用家族同源重组进化的方法使抗性比其中两种微生物 来源的天然酶提高270倍，比段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱因与载体重组，再转入 适宜的细胞或包装成重组λ黏粒载体
➢ 转化 ➢ 噬菌粒载体
➢ 转导
2、突变基因的筛选 （1）定向选择环境条件的设定 （2）高通量筛选技术
定向进化的特点 ➢ 适应面广； ➢ 目的性强； ➢ 效果显著。
定向进化的原理 ➢ 以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构建突
变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化 酶(或蛋白质)，从而排除其他突变体。 ➢ 定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。 ➢ 定向进化=随机突变+定向选择。
2、DNA重排技术为代表的有性进化 DNA重排技术：又称DNA改组技术，有性PCR片段，经过不加引物的 多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引 起基因突变的技术突变频率高，进化速度快。 ➢段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引起 突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化酶(或蛋白质)，从而排除其他突变 体。
定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。
改变四种底物浓度比等。
2、DNA重排技术为代表的有性进化 定义：将各种不同突变基因与载体重组，再转入适宜的细胞或包装成重组λ噬菌体的技术过程。 1、突变基因的构建 适用：较小基因的定向进化。
属于蛋白质的非合理设计，它不需事先了解酶的空间结构和催化机制。
酶分子的定向进化（directed evolution）：模拟自然进化过程（随机突变和自然选择），在体外进行酶基因的人段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引起
结果对单基因进化得到的突变酶中，对头孢羟羧氧胺的抗性最高的增加了8倍，而用家族同源重组进化的方法使抗性比其中两种微生物 来源的天然酶提高270倍，比段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱因与载体重组，再转入 适宜的细胞或包装成重组λ黏粒载体
➢ 转化 ➢ 噬菌粒载体
➢ 转导
2、突变基因的筛选 （1）定向选择环境条件的设定 （2）高通量筛选技术
定向进化的特点 ➢ 适应面广； ➢ 目的性强； ➢ 效果显著。
定向进化的原理 ➢ 以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构建突
变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化 酶(或蛋白质)，从而排除其他突变体。 ➢ 定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。 ➢ 定向进化=随机突变+定向选择。
2、DNA重排技术为代表的有性进化 DNA重排技术：又称DNA改组技术，有性PCR片段，经过不加引物的 多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引 起基因突变的技术突变频率高，进化速度快。 ➢段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引起 突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化酶(或蛋白质)，从而排除其他突变 体。
定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。
改变四种底物浓度比等。
2、DNA重排技术为代表的有性进化 定义：将各种不同突变基因与载体重组，再转入适宜的细胞或包装成重组λ噬菌体的技术过程。 1、突变基因的构建 适用：较小基因的定向进化。
属于蛋白质的非合理设计，它不需事先了解酶的空间结构和催化机制。
酶分子的定向进化（directed evolution）：模拟自然进化过程（随机突变和自然选择），在体外进行酶基因的人段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引起
酶定向进化
基因家族重排技术改组效果
第三节 酶突变基因的定向选择
• 在人工控制条件的特殊环境下，按照人们
所设定的进化方向对突变基因进行选择，
以获得具有优良催化特性的酶的突变体的
过程
反复进行 基因 随机突变 构建基因 定向筛选 正突变基因一、 突变或包装成重组λ 噬菌体的技术过程。 反复进行 随机突变
基于比色法和荧光检测的高通量筛选
微量滴定板
比色法
微孔板分光光度计
荧光检测
荧光检测器
3.噬菌体表面展示法
噬菌体展示技术是将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外 壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而 表达，同时，外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面 的生物技术。
用固相化抗原 经“亲和结合 一洗脱一扩增” 数个循环直接、 方便、简捷、 高效地筛选出 表达特异性好、 和力强的抗体 噬菌体库。
2.载体的特点
具有自主复制起点 两种以上易于检测的选择性标记 多种限制性内切核酸酶的单一位点
2. 基因重组
• 在体外通过DNA连接酶的作用，将基因与载 体DNA连接在一起形成重组DNA的技术过程。
• 1）黏性末端连接 • 2）平头末端连接 • 组DNA转入受体细胞或包 装成有感染活性的重组噬将带有外源基因的重组质粒 DNA印染受体细胞的技术过程。）
P212
• 将各种不同的突变基因与载体重组，再转入适宜
突变基因
含突变基因的细胞或 重组λ噬菌体基因正突 变基因基因重组
筛选
载体的选择 含有正突变基因的重完整性（二）构建基因的主要过程• 1. 载体的选择
质粒载体
噬菌体DNA载体 黏粒载体 噬菌粒载体
2、高通量筛选方法
酶定向进化
• 细胞定向进化是在细胞水平上进行定向进化
的过程，以各种细胞为进化对象，通过人工随机
突变，改良细胞的各种特征，主要包括微生物细
胞的定向进化、动物细胞的定向进化、植物细胞
的定向进化等。
分子定向进化
• 分子定向进化是在分子水平上进行定
向进化的过程。通过从细胞内提取或者通
过PCR等方法获得目标分子的基因，在体
• 概念断，经过不加引物的多次PCR循环， 使DNA的碱基序列重新排布而引起基因突 变的技术过程。
DNA重排技术的基本过程
两条以上正突变基因
酶切
DNA随机片断
无引物PCR
酶切
突变本过程
基因家族若干同源基因 酶切 DNA随机片断 无 酶切
进化酶
DNA家族重排技术与DNA重排技术的异同点
• 相同点：DNA家族重排技术与DNA重排技术的过 程大致相同，都要经过基因的随机切割、无引物 PCR等步 • 不同点： DNA家族重排技术从基因家族的若干同 源基因出发进行DNA序列的重新排布，而DNA重 排技术则从采用易错PCR等技术所获得的两个以上 的正突变基因出发进行DNA序列的重新排布。
三、基因家族重排技术
• 概念：又称为基因家族改组技术，是从基 因家族的若干同源基因出发，用酶(DNase Ⅰ)切割成随机片断，经过不加引物的多次 PCR循环，使DNA的碱基序列发生重新排 布而引起基因突变的技术过程。
基因家族：是来源于同一个祖先，由一个基因通过基因重复而产生两 个或更多的拷贝而构成的一组基因，它们结构相似、功能相关、进化 上同源。
•
特点
• 基因突变发生在单一分子内，为无性进化。
• 操作简便、随机突变丰用于较小基因
的定向进化。
• 因此要控制好突变率，一般一个目的基因错配碱基数目应 控制在2~5个
的过程，以各种细胞为进化对象，通过人工随机
突变，改良细胞的各种特征，主要包括微生物细
胞的定向进化、动物细胞的定向进化、植物细胞
的定向进化等。
分子定向进化
• 分子定向进化是在分子水平上进行定
向进化的过程。通过从细胞内提取或者通
过PCR等方法获得目标分子的基因，在体
• 概念断，经过不加引物的多次PCR循环， 使DNA的碱基序列重新排布而引起基因突 变的技术过程。
DNA重排技术的基本过程
两条以上正突变基因
酶切
DNA随机片断
无引物PCR
酶切
突变本过程
基因家族若干同源基因 酶切 DNA随机片断 无 酶切
进化酶
DNA家族重排技术与DNA重排技术的异同点
• 相同点：DNA家族重排技术与DNA重排技术的过 程大致相同，都要经过基因的随机切割、无引物 PCR等步 • 不同点： DNA家族重排技术从基因家族的若干同 源基因出发进行DNA序列的重新排布，而DNA重 排技术则从采用易错PCR等技术所获得的两个以上 的正突变基因出发进行DNA序列的重新排布。
三、基因家族重排技术
• 概念：又称为基因家族改组技术，是从基 因家族的若干同源基因出发，用酶(DNase Ⅰ)切割成随机片断，经过不加引物的多次 PCR循环，使DNA的碱基序列发生重新排 布而引起基因突变的技术过程。
基因家族：是来源于同一个祖先，由一个基因通过基因重复而产生两 个或更多的拷贝而构成的一组基因，它们结构相似、功能相关、进化 上同源。
•
特点
• 基因突变发生在单一分子内，为无性进化。
• 操作简便、随机突变丰用于较小基因
的定向进化。
• 因此要控制好突变率，一般一个目的基因错配碱基数目应 控制在2~5个
第八章 酶分子定向进化(提纲)2013
第八章酶分子定向进化一、酶分子定向进化的目的为什么要研究酶的定向进化?天然酶的局限性在机体外复杂体系中，酶催化的精确性较低存在产物抑制稳定性差，活性低，催化效率低有些缺乏有商业价值的催化功能及其它性质现代生物工程的要求能具备长期稳定性和活性能适用于水及非水相环境能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底物能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物的原材料利用基因工程、蛋白质工程的原理和计算机技术对天然酶进行改造或构建新的非天然酶具有重要研究意义和应用前景。
二、酶分子的改造酶分子的理性设计：在研究天然酶及其突变株时，通常先获得酶分子特征、空间结构以及结构与功能的关系等方面信息，这些用各种生物化学、晶体学光谱学等方法来解决，然后根据这些信息进行酶分子的改造，这就是酶分子的理性设计。
酶分子的非理性设计：不需准确知道酶蛋白结构与功能等信息，直接通过随机突变、基因重组、定向选择或筛选等方法进行酶分子的改造，称为酶分子的非理性设计。
问题：定向进化是不是定点突变？澄清一个事实：定向进化不是定点突变定向进化：突变筛选突变位点是随机的，不确定的；突变位点的数目也是不确定的；突变的效应更是不可预知的；理论上讲，凡是能够引起突变的因素（物理的、化学的、生物的）都可以应用于定向进化中突变体的产生。
定点突变：突变位点是确定的，突变的个数也是预知的；突变的效应可能是已知的，也可能是未知的；定点突变的方法一般是以PCR 技术为基础的。
什么是酶的定向进化?从一个或多个已经存在的亲本酶（天然的或人为获得的）出发，经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过筛选最终获得预先期望的具有某些特性的进化酶。
酶分子定向进化研究的历史萌芽阶段：20 世纪60 年代Sol Spiegelman 利用RNA 噬菌体Q 巧妙地在体外模拟了自然进化的过程奠基阶段：20 世纪80 年代建立了一种在基因水平上、用非合理设计方法改造酶分子的新思想发展阶段：20 世纪末期易错PCR 和DNA 改组方法被成功开发，标志着酶分子定向进化技术的成熟如何使酶分子定向进化?定向进化=随机突变+正向重组+选择或筛选三、酶分子定向进化的基本策略和方法定向进化的基本策略一般而言，定向的分子进化有三种方法：（1）连续随机突变继之筛选出最佳改进的单一突变体，使每个循环含1-2 有益突变的积累。
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酶定ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ进化的特点
1 适应面广 2 目的性强 3 效果显著
第二节 酶基因的随机突变
• 体外随机突变的方法：PCR技术、DNA重 排技术、基因家族重排技术 • 基因随机突变方法的特点P207表8－1 • 随机突变方法可以联合使用，交叉进行， 通过多次试验，反复筛选，以完成对酶的 定向进化。
一 易错PCR技术
• 1）交错延伸PCR技术：在同一个反应体系中以两 个或多个相关的DNA片断为模板进行PCR反应， 把PCR反应中常规的退火和延伸合并为一步，并 且大大缩短了反应时间（55℃，5s)。在反应过程 中，引物先与一个模板结合，进行延伸，随之进 行多次变性和短时的退火－－延伸反应循环，在 每个循环中，不同长度的延伸片断在变性时与原 先的模板分开，退火时与另一个模板结合，再进 行延伸。通过在不同的模板上交替延伸，所合成 的DNA片断中包含有不同模板上的信息，直到获 得全长的突变基因为止。
天然酶的应用
• 利用酶作为催化剂进行生物催化与生物转 化,已成为生产精细化学品,手性药物,食品添 加剂等的重要工具,获得了广泛应用. 随着酶催化应用范围的不断扩大和研究的 逐步深入,研究者发现,酶催化的精确性和有 效性常常不能很好地满足酶学研究和工业 化应用的要求,而且天然酶的稳定性差,活性 低使催化效率很低,还缺乏有商业价粒载体：微生物细胞染色体外，闭合环状双链 DNA分子。 2）噬菌体DNA载体：由噬菌体DNA改造而成的具 有自我复制能力的载体。 3）黏粒载体：是一类人工构建的含有λDNA黏性 末端和质粒复制子的质粒载体，又称为柯斯质粒。 4）噬菌粒载体：是一类人工构建的由M13噬菌体单 链DNA的基因间隔区与质粒载体结合而成的基因 载体。
二突变基因的筛选
• （一）定向选择环境条件的设定 • （1）提高酶的稳定性，高温筛选重组细胞，每一 次突变－筛选的循环中逐步提高重组细胞的培养 温度。 • （2）如果定向进化的目的是提高β－内酰胺酶的 活性，从而提高对β－内酰胺酶类抗生素的耐受性， 可以通过在含有一定浓度的β－内酰胺酶类抗生素 的培养基中培养重组细胞，并在每一次突变－筛 选循环中逐步提高抗生素的浓度。 • （二）高通量筛选技术P217表8－2
• 2）随机引物体外重组技术 • 采用单链DNA为模板，配合若干条随机序 列的引物进行PCR反应，产生若干个与模板 不同部分的序列互补DNA小片断，然后除 去模板，这些DNA小片断互为模板和引物 进行扩增，通过碱基序列的重新排布而获 得全长突变基因。
三基因家族重排技术
• 概念 • 又称为基因家族改组技术，是从基因家族 的若干同源基因出发，用酶(DNase Ⅰ)切割 成随机片断，经过不加引物的多次PCR循环， 使DNA的碱基序列发生重新排布而引起基 因突变的技术过程。
基因重组
在体外通过DNA连接酶的作用，将基因与载 体连接在一起形成重组DNA的技术过程。 黏性末端连接 平有感染活 性的噬菌体的过程。 重组质粒载体：转化 重组噬菌体DNA载体：需要用噬菌体外壳蛋 白将重组DNA进行包装， 随机突变、构建突变基因、定向选择 • 酶定向进化的基本过程：
酶基因
随机突变 反复进行构建突变基因 筛选 正突变基因 进化酶负突变基因
• 随机突变的策略 易错PCR技术(error-prone PCR) DNA改组(DNA shuflling):由美国Stemmer 于1994 年首次提出 一项体外重组技术 随机引发重组(RPR) 1998 年,Arnold 提出了 一种有效的新方法 交错延伸技术(StEP):由Zhao 等 提出, 是一种 简化的DNA shuffling 技术 基因家族重排技术 •
DNA重排技术的基本过程
两条以上正突变基因
酶切
DNA随机片断
无引物PCR
酶切
突变筛选
正突变基因
进化酶
• DNA重排技术将两条或多条正突变基因通过脱氧 核糖核算酶Ⅰ（DNase Ⅰ)等酶的作用，随机切割 成若干DNA片断，然后将这些随机片断在不加引 物的条件下经过多次PCR循环，使这些DNA随机 片断互为模板和引物进行扩增、延伸，再加入适 宜的引物进行PCR反应，获得全长基因。 • 这些全长基因由于是在不加引物的条件下由DNA 随机片断互为模板和引物扩增而成的，其碱基序 列经过重新排布而形成众多的突变基因。
3）依据透明圈情况筛选突变基因
依据透明圈情况筛选突变基因是在平板培养 基中加入目的酶的作用底物，然后接种重 组细胞，在一定条件下进行培养，培养一 段时间后，在一些重组细胞的菌落周围会 出现较大的透明圈。
第四节 酶定向进化的应用
• P221表8－3 一、提高酶的催化效率 二、增加酶的稳定性 三、改变酶的底物特异性
天然酶的局限
• 天然酶的局限性源于酶的自然进化过程.
现代生物工程的要求
• 能具备长期稳定性和活性 能适用于水及非水相环境 能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底 物 能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物 的原材料 • 如何利用相对简单的方法以达到对天然酶的改造 或构建新的非天然酶就显得非常有研究意义和应 用前景.
分子定向进化
• 分子定向进化是在分子水平上进行定向进 化的过程。 • 分子定向进化首先要通过从细胞内提取或 者通过PCR等方法获得目标分子的基因，在 体外采用易错PCR 、ＤＮＡ重排、基因家 族重排等技术进行人工突变，然后进行定 向选择而获得所需突变体。
酶分子定向进化
• 简称酶定向进化，是模拟自然进化过程 （随机突变和自然选择），在体外 得到具有优良催化特征的酶的突变体的技 术过程。
基因家族重排技术的基本过程
基因家族若干同源基因 酶切 DNA随机片断 无 进化酶 酶切
DNA家族重排技术与DNA重排技术的异同点
• 相同点：DNA家族重排技术与DNA重排技术的过 程大致相同，都要经过基因的随机切割、无引物 PCR等步。 • 不同点： DNA家族重排技术从基因家族的若干同 源基因出发进行DNA序列的重新排布，而后者则 从采用易错PCR等技术所获得的两个以上的正突 变基因出发进行DNA序列的重新排布。
• 细胞定向进化是在细胞水平上进行定向进 化的过程，以各种细胞为进化对象，目的 是改良细胞的各种特征，主要包括微生物 细胞的定向进化、动物细胞的定向进化、 植物细胞的定向进化等。 • 随机突变方法有全基因组重排技术。 • 基因组重排技术通过把诱变与细胞融合技 术相结合，对细胞进行基因组重排，从而 大幅度增加细胞的正突变频率。
一 平板筛选法
• 平板筛选法所依据的重组细胞的表型包括 细胞生长情况、颜色变化情况、透明圈情 况。 1）依据细胞生长情况筛选突变基因 在提高酶的热稳定性、抗生素耐受性、pH稳 定性和对其他极端环境条件的耐受能力等 方面有广泛应用。
2）依据颜色变化筛选突变基因
片断 （lacZ′）插入到噬菌体DNA的间隔区域中，当 它感染了相应的大肠杆菌宿主细胞时，在含有 IPTG和底物X－gal的平板培养基上可以形成蓝色 噬菌斑。 （2）在对磷酸酯酶进行定向进化的过程中，可以在 平板培养基中加入硝基酚磷酸，接种重组细胞培 养一段时间后，有些重组细胞周围出现黄色（硝 基酚）。
思考题
1 何谓酶的定向进化？有何特点？
2 酶基因随机突变的三种方法？ 3 易错PCR技术的概念及其主要过程。 4 DNA重排技术的概念及其主要过程。 5 基因家族重排技术及其主要过程。
小基因 的定向进化。
二 DNA重排技术
• 概念片断，经过不加引物的多次PCR循 环，使DNA的碱基序列重新排布而引起基 因突变的技术过程。
第三节 酶突变基因的定向选择
• 突变基因的定向选择基本过程
突变基因的结构和功 能信息，以便通过筛选得到的突变基因能 够通过表达获得完整的具有催化功能的进 化酶。
• 在PCR技术的基础上，通过改变反应条件， 增加碱基配对错误的出现频率，就成为易 错PCR技术。 • 可以通过提高镁离子浓度、添加一定浓度 的锰离子、改变4种底物（dAMP、dTMP、 dCMP、dGMP）的浓度比等反应条件，使 DNA聚合酶在催化基因扩增时，增加碱基 配对错误的出现频率，而引起基因突变。
• 1993年,美国科学家Arnold F H首先提出酶 分子的定向进化的概念,并用于天然酶的改 造或构建新的非天然酶.
定向进化
• 定向进化是模拟自然进化的过程，进行人 工随机突变，并在特定的环境条件下进行 选择，使进化朝着人们所需要的方向发展 的技术过程。 • 分为分子定向进化和细胞定向进化
细胞定向进化
第八章 酶定向进化
• 天然酶的应用及局限性 酶的定向进化的思想 酶的定向进化的策略和方法 酶的定向进化技术的展望
• 生物体系之所以能够相对独立地存在于自 然界中,并维持其独立性和生命的延续性,都 是因为生物体内的一系列酶在发挥着作用. 酶保证了生物体内组成生命活动的大量生 化反应得以按照预定的方向有序,精确而顺 利地进行,几乎所有生物的生理现象都与酶 的作用紧密相关,可以这样说,没有酶的存在, 就没有生物体的一切生命活动.