大腸桿菌能生產(chǎn)糖蛋白嗎

大腸桿菌能生產(chǎn)糖蛋白嗎？人教版《高中生物選修3現(xiàn)代生物科技專題》在“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)中，介紹基因工程藥物干擾素時(shí)，有如下一段文字“1980~1982年，科學(xué)家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得了干擾素，從1kg細(xì)菌培養(yǎng)物中可以得到20~40mg干擾素?！盵1]很多老師對(duì)這段文字存在一些困惑：酵母菌是真核生物，細(xì)胞內(nèi)有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器，因此能生產(chǎn)糖蛋白，而干擾素是糖蛋白，故酵母菌細(xì)胞能夠生產(chǎn)干擾素；但是大腸桿菌是原核生物，細(xì)胞內(nèi)沒有這些細(xì)胞器，那又怎么能生產(chǎn)如干擾素呢？我們根據(jù)以往的知識(shí)分析得知，大腸桿菌無法生產(chǎn)糖蛋白，但是干擾素是不是一定就是糖蛋白呢？根據(jù)生物學(xué)書中的定義，干擾素是哺乳動(dòng)物細(xì)胞在誘導(dǎo)物的誘導(dǎo)下產(chǎn)生的一種特異糖蛋白，由此可知，由哺乳動(dòng)物細(xì)胞分泌的天然干擾素是糖蛋白，但是這并不意味著由基因工程技術(shù)生產(chǎn)的重組人干擾素就一定是糖蛋白。我們知道，將邏輯推理運(yùn)用于解決生物學(xué)問題時(shí)，如果不考慮生物學(xué)問題的特殊性，有可能會(huì)導(dǎo)致過于絕對(duì)化的。比如，人教版《高中生物必修2遺傳與進(jìn)化》中有一個(gè)探究活動(dòng)“脫氧核苷酸序列與遺傳信息的多樣性”[2]，這個(gè)探究活動(dòng)探討了由4種堿基排列而成的脫氧核苷酸序列是否足以表達(dá)生物體必需的各種遺傳信息。理論上，由4種堿基排列而成的脫氧核苷酸序列有4n種可能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于生物體實(shí)際存在的脫氧核苷酸序列的數(shù)目，但這里的推理結(jié)論的成立依賴于一個(gè)假設(shè)：所有堿基對(duì)的隨機(jī)排列都能構(gòu)成基因。事實(shí)上，大部分堿基對(duì)的隨機(jī)排列不能構(gòu)成基因，即不能成為生物體的遺傳信息，但是因?yàn)槔碚撋嫌?jì)算出來的脫氧核苷酸序列數(shù)目要遠(yuǎn)大于實(shí)際數(shù)目，所以這并不影響推導(dǎo)的過程和結(jié)論。同樣，在大腸桿菌生產(chǎn)干擾素這個(gè)案例里，如果要使大腸桿菌生產(chǎn)干擾素即大腸桿菌能生產(chǎn)糖蛋白這個(gè)命題成立，也存在一個(gè)假設(shè)，即基因工程方法生產(chǎn)的干擾素和天然的干擾素一樣，都是糖蛋白。但是，據(jù)科學(xué)家的研究資料顯示[3-5]，用大腸桿菌生產(chǎn)出來的干擾素是沒有糖鏈的，但同樣能夠抑制病毒在細(xì)胞內(nèi)的增殖，加強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬作用和對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用。由此可知，該假設(shè)對(duì)于大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)并不成立，大腸桿菌可以生產(chǎn)干擾素，但沒有證據(jù)表明大腸桿菌能生產(chǎn)糖蛋白。既然基因工程方法生產(chǎn)出來的干擾素沒有糖鏈也能發(fā)揮作用，那哺乳動(dòng)物細(xì)胞為何要“多此一舉”給干擾素加上糖鏈呢？糖鏈之于糖蛋白的意義是什么？一方面，真核細(xì)胞的糖基化體系給蛋白加上糖鏈后，能夠幫助蛋白折疊成正確的構(gòu)像，同時(shí)糖蛋白分子表面的極性糖鏈有助于蛋白質(zhì)的溶解，防止蛋白聚集沉淀，從而能使糖蛋白分泌到細(xì)胞外。而在大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)中，由于缺乏糖基化體系，表達(dá)的非糖基化蛋白常常會(huì)在細(xì)菌體中聚集成不溶性的包涵體（inclusionbody）。所謂包涵體，是指由于表達(dá)部位的低電勢以及外源蛋白分子的特殊結(jié)構(gòu)如Cys含量較高、低電荷、無糖基化等，使得外源蛋白與其周圍的雜蛋白、核酸等形成的不溶性聚合體。包涵體中的蛋白是沒有生物活性的，需要通過后續(xù)的溶解、純化、復(fù)性等操作幫助變性的包涵體蛋白折疊成有生物活性的蛋白?？茖W(xué)家用基因工程的方法在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)獲得的干擾素就是以包涵體的形式存在的，因此，最初獲得的干擾素是沒有活性的，通過之后的純化、復(fù)性等一系列的操作，科學(xué)家才得到了有生物活性的重組人干擾素。另一方面，糖鏈對(duì)蛋白的穩(wěn)定性和半壽期（halflife，一種物質(zhì)其質(zhì)量的一半被代謝或排出所需的時(shí)間）有一定的影響，一些糖蛋白在去除糖鏈后雖然仍具有一定的生物活性，但是易被蛋白酶降解。因此，真核細(xì)胞表達(dá)的干擾素需要糖鏈來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、幫助溶解，并通過轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)分泌到細(xì)胞外，進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，以發(fā)揮其抗病毒抗腫瘤的生物功效。大腸桿菌是不是就一定不能生產(chǎn)糖蛋白呢？在上個(gè)世紀(jì)，也許不可能，但是現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)研究的進(jìn)一步深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在一種名為Campylobacterjejuni的細(xì)菌里存在生產(chǎn)糖蛋白的基因簇，即pgl基因簇，此基因編碼的蛋白能夠起糖基轉(zhuǎn)移酶的作用，科學(xué)家用基因工程方法將這套基因克隆至大腸桿菌共表達(dá)，使得大腸桿菌也能夠生產(chǎn)相應(yīng)的糖蛋白[6］。雖然大腸桿菌生產(chǎn)糖蛋白與真核細(xì)胞生產(chǎn)糖蛋白在合成機(jī)理、糖鏈結(jié)構(gòu)等方面有很多差異，而且用大腸桿菌生產(chǎn)糖蛋白還處于實(shí)驗(yàn)室探索研究的階段，但相信隨著這方面研究工作的不斷開展，有希望在不久的將來研發(fā)出一套成本低、產(chǎn)量高、質(zhì)量好的大腸桿菌重組糖蛋白表達(dá)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：1.《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物選修3現(xiàn)代生物科技專題》,2004，p22-232.《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物必修2遺傳與進(jìn)化》,2004，p573.GoeddelDetal,HumanLeukocyteInterferonProducedbyE.coliisBiologicallyActive,Nature,1980,287:411-4164.NagataSetal,SynthesisinE.coliofaPolypeptidewithHumanLeukocyteInterferonActivity,Nature,1980,284:316-3205.GoeddelDV,ShepardHM,YelvertonE,etal.SynthesisofhumanfibroblastinterferonbyEcoli,NucleicAcidsRes1980,8(18):4057-40746.WackerM,LintonD,HitchenPG,