雜合酶是人工酶的一種，一般認為其由兩種或兩種以上酶成分構成，將來自不同酶分子中的結構單元（單個功能基、二級結構、三級結構或功能域）或整個酶分子進行組合或交換，可產生具有所需性質的最佳化酶雜合體。隨著蛋白質工程的發展，雜合酶已成為最佳化酶的結構和獲得具有期望性質的新酶的一種重要手段。
基本介紹
- 中文名：雜合酶
- 外文名：hybridization enzyme
- 本質：蛋白質
- 類別：人工酶
定義,意義,構建方法,發展前景,
定義
意義
雜合酶可用於改變酶學或非酶學性質，是了解酶的結構-功能關係、以及相關酶的結構特徵的有力工具，不僅如此，它還可以擴大天然酶的潛在套用，甚至可以產生催化自然界不存在的反應的新酶分子。
構建方法
雜合酶的構建方法是DNA 水平的基礎操作與酶學檢測方法的結合，其實質是組裝和驗證。在進化過程中，將來自不同酶分子的（亞）結構域組裝成為一個新的單一結構域，或將來自不同酶的模組重組，同時在一個進化體系中篩選，即可能獲得比親本具有更高效率或衍生出新功能的子代重組體。
1、改變非催化性質
具有高度同源性的酶之間雜交可將某一酶的催化特性（如耐熱性）賦予另一個酶，這種雜交是通過相關酶同源區域間殘基或結構的交換而實現的，獲得的雜交酶的特性值通常介於雙親酶特性值之間。已構建並表達了由纖維素酶與β-葡萄糖苷酶雜合而成的融合蛋白，新酶不僅保留了β-葡萄糖苷酶的催化性質，而且提高了熱穩定性，Tm值由原來的54.5℃提高至65.4℃。
2、調整或改變現有酶的特異性或催化特性
（1）改變特定胺基酸這是構建雜合酶最簡單的方式。單個胺基酸的改變也許即會對酶的催化活性產生很大影響。如分別突變昆蟲羧酸酯酶的151和271位胺基酸，不僅改變了酶的底物特異性，酶的催化活力也有很大變化。將膠原纖維中的甘氨酸分別突變為丙氨酸、天冬氨酸、半胱氨酸和絲氨酸，得到的4 個突變體的分子結構和膠原纖維強度與原酶相差很大，證明了改變單一胺基酸可以改變蛋白質性質。
（2）功能域的交換作為雜合酶的構成組件，可通過交換功能域獲得具有催化特性的酶。功能域的交換有分子內交換和分子外交換。如S1 家族的絲氨酸蛋白酶由兩個同源β-桶亞結構域組成，其界面形成活性部位裂隙、疏水結構和催化三聯體（Ser，Asp，His）是保守的，但圍繞活性部位的表面環是可變的，其負責酶的各種底物專一性和調節性質，因此，S1的絲氨酸蛋白水解酶是通過亞結構域交換而產生新酶的良好候選者。人體內的兩種超氧化歧化酶-細胞內Cu，ZnSOD（SOD1）和胞外Cu，ZnEC-SOD（SOD3）的兩段序列進行了交換，得到了表達含有SOD1和SOD3 C-末端肽編碼序列的雜合酶，該酶具有兩種超氧化歧化酶的性質。此外，α-天冬氨醯二肽酶和L-天冬氨酸酶的雜合酶通過功能域的互換也被成功構建。
3、功能域與結構域的融合
將A 酶的功能域與B酶的結構域重組可獲得兼具這兩種酶性質的重組酶。海棲熱袍菌內切葡聚糖酶Cel12B是極耐熱胞外酶，胺基酸序列分析表明，其不含有纖維素結合結構域，對結晶纖維素無活性。但海棲熱袍菌內切葡聚糖酶與木聚糖酶XynA的結合結構域構成的雜合酶不僅對結晶纖維素有活性，還提高了熱穩定性。將來自嗜熱古細菌的兩個不同的醯基肽水解酶APE1547與ST0779進行了分子雜交，雖然APE1547與ST0779 的β-推進器結構域序列同源性差異較大，但其二級結構極為相近，均是由多個β 片層綴連而成的桶狀結構。從模建的ST0779 的β-推進器結構域可以看出，其與APE1547的β-推進器結構域只是在一級序列上差異較大，而在二級結構上的差異出現在與催化結構域鑲嵌部位。利用雜合酶技術將兩種酶的推進器結構域進行互換，得到了熱穩定性介於兩個親本酶之間的雜合酶，而其底物特異性與原酶均有不同。
4、蛋白融合將編碼兩個功能蛋白質的基因末端融合可產生融合蛋白。
通過這種方法獲得的融合蛋白既可以是雙功能的，也可以是多功能的。構建融合蛋白的基本原則是將第1 個蛋白的終止密碼子刪除，再接上帶有終止密碼子的第2 個蛋白基因，以實現兩個基因的共同表達。如生長因子受體結合蛋白的Src同源區2與表皮生長因子受體的融合蛋白不僅具有與受體結合蛋白同樣的干擾信號傳導、抑制腫瘤細胞生長的能力，而且具有更高的與表皮生長因子受體的結合能力，在腫瘤治療方面具有重要的套用價值。目前已成功獲得多種融合蛋白，如抗體與細胞因子融合蛋白、人白細胞介素與粒細胞巨噬細胞集落刺激因子融合蛋白和人白細胞介素與血清蛋白融合蛋白。除了工業上所需的融合蛋白，很多融合蛋白藥物也相繼被研究出來。抗體-藥物偶聯物的開發是當前抗腫瘤藥物研發的一個重要方向，其成功的發展在某種程度上依賴於抗體部分的靶向運輸能力和被運送藥物的生物學活性。已構建的人白細胞介素-10與免疫球蛋白G Fc片段的融合蛋白不僅提高了人白細胞介素-10的生物學活性，而且克服了白細胞介素-10半衰期短的缺點。
發展前景
雜合酶不僅可用來確定相關酶之間的差異，表征給予酶特殊性質的那些殘基或結構及與底物結合部位有關的特殊結構域，而且在醫藥、農業、工業化學和疾病治療等方面同樣具有不可替代的作用。近幾年，融合蛋白的套用越來越受到重視，尤其是融合蛋白藥物。融合蛋白藥物一般通過細胞因子與免疫毒素、細胞因子、抗體、抗原等進行融合，得到具有雙功能或多功能的目的蛋白。融合蛋白技術不僅套用於融合蛋白藥物方面，而且在蛋白的表達上也有很多用途。融合表達具有如下優點：外源基因連線到融合蛋白的C-末端，不必另外設計SD序列，同時N-末端的存在使得外源基因的表達較容易；外源基因的表達產物常被宿主細胞的蛋白酶降解，當外源基因與宿主本身蛋白的部分序列構成融合基因，以融合蛋白的形式表達時，會減低宿主細胞對產物的降解。利用融合蛋白技術，可使目的產物根據研究的需要，以不同的形式表達。在大腸桿菌中，外源基因表達產物的形式有可溶表達和包涵體表達兩種，以包涵體形式表達的外源目的產物不具有活性，必須溶解包涵體進行復性，才能得到具有生物活性的蛋白。但包涵體表達可避免產物被蛋白酶降解，以包涵體形式表達的目的蛋白常在大腸桿菌中高效表達，目的蛋白的純化相對容易，能得到純度較高的目的蛋白。已構建了以包涵體形式表達的個體基因型抗體片段與破傷風毒素片段C融合蛋白的工程菌，包涵體經變性、復性、純化後，獲得了具有生物活性的高純度的融合蛋白。
雜合酶技術是將DNA水平上突變篩選與蛋白質水平上的酶學研究相結合的一門綜合技術，其將傳統酶學活性篩選方法與簡便的DNA重組技術結合在一起。同樣，DNA和蛋白質技術的突破也必將推動雜合酶技術的發展。雜合酶技術為加快構建新酶和改進生物工藝過程開闢了一條新的途徑，其與合理性設計互補，將使蛋白質工程學顯示出更廣闊的套用前景。
