連接肽的設計及在融合蛋白中的應用

李劍芳，王春娟，鄔敏辰

（1.江南大學食品學院，江蘇無錫214122；2.江南大學無錫醫學院，江蘇無錫214122）

連接肽的設計及在融合蛋白中的應用

李劍芳1，王春娟1，鄔敏辰*2

（1.江南大學食品學院，江蘇無錫214122；2.江南大學無錫醫學院，江蘇無錫214122）

利用基因工程技術改造酶分子已成為現代分子酶工程的一個研究熱點，其中基于融合蛋白設計的融合酶技術已逐漸應用于多功能酶的構建中，表現出了重要的理論與應用研究價值。作為重組融合蛋白不可缺少的部分，連接肽已在融合蛋白的穩定性、生物活性等方面表現出重要的作用。根據近年來的最新研究成果，作者總結了自然界中天然連接肽的性質，并對糖苷水解酶融合酶中連接肽的分類及其對融合酶的作用作了歸納和總結，并對連接肽設計的關鍵問題進行了探討和展望。

糖苷水解酶；融合蛋白；連接肽

糖苷酶又稱糖苷水解酶，是指一類能夠催化糖苷鍵水解的酶［1］。糖苷水解酶主要包括纖維素酶和半纖維素酶：纖維素酶分為外切纖維素酶、內切纖維素酶和β-葡糖苷酶等；半纖維素酶主要包括甘露聚糖酶和木聚糖酶等。糖苷水解酶在化工、飼料、食品、紡織、醫藥等眾多工業領域中均有著廣泛的應用［2］。因此，研究者越來越傾向于通過分子改造獲得更多優良性質的工程酶，基于融合蛋白設計的融合酶技術已經成為分子酶工程的研究熱點［3］。通過融合兩個或多個蛋白域，融合蛋白產物可以從各個不同組成部分中獲得不同的功能。

重組融合蛋白的構建需要兩個因素：組成蛋白和連接肽。組成蛋白是根據所需融合蛋白產物的功能來進行選擇的，在大多數情況下是相對簡單的。而選擇合適的連接肽卻較困難，且在融合蛋白的設計過程中容易被忽略。若功能域不用連接肽直接進行融合會導致一些不良結果，如融合蛋白的錯誤折疊，產量低或者活性受損等。因此，連接肽的理性設計和選擇對于融合蛋白的構建十分重要。作者總結了糖苷水解酶連接肽的最新進展，為進一步改造相關糖苷水解酶提供方法和依據，也為其它酶的改造提供參考。

1　天然連接肽的性質

與重組融合蛋白相似，天然融合蛋白也通過連接肽連接兩個或多個功能域。這些連接肽可以連接蛋白模塊［4］，也可以用來提供別的功能，如保持域間相互作用或者保持生物活性等［5-7］。對天然多域蛋白中連接肽進行研究可以為重組融合蛋白中連接肽的設計提供參考。

George等［8］對1 280條天然連接肽進行了研究，對其長度、氨基酸偏好性及二級結構進行了總結。研究指出，連接肽平均長度為10.0±5.8個氨基酸殘基，并根據連接肽的長度將其分為大型連接肽（殘基數：21±7.6）、中型連接肽（殘基數：9.1±2.4）、小型連接肽（殘基數：4.5±0.7）。在天然糖苷水解酶中，連接肽的長度變化很大，一般為6～59個氨基酸殘基［9-13］。此外，George等通過計算，發現脯氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺更易傾向于形成連接肽。其中，脯氨酸是出現頻率最高的氨基酸，很有可能是因為其環狀側鏈上酰胺氫的缺失阻止了其與別的氨基酸的形成氫鍵，從而降低了連接肽與別的蛋白域的相互作用。因此，脯氨酸的存在可以增加連接肽的剛性和結構獨立性。在一些天然糖苷水解酶中連接肽也常有脯氨酸的存在，如在甘露聚糖酶催化結構域與碳水化合物結合域（CBM）之間的連接肽（TTTPPPVSSTTTTSSRTSSTPPPPGGS CTQLYGQ）［10］，木聚糖酶催化結構域與CBM之間的連接肽（PPLAIEKDIPSL）［12］。Couturier等［14］研究的一個真菌內切甘露聚糖酶PaMan26A中一段連接肽（PRPPHDINPNLN），脯氨酸占其總長的1/3。

天然連接肽采用多種構象的二級結構，如α-螺旋、β-折疊股、卷曲狀、轉角狀等。在George等［8］的研究中，38.3%的天然連接肽采用α-螺旋二級結構，37.6%連接肽采用β-折疊股構象，采用卷曲狀和轉角狀的連接肽的比例分別為13.6%和8.4%。采用α-螺旋二級結構的連接肽可以作為剛性隔板而有效地隔離蛋白域，從而減少它們之間的不良相互作用。如果連接肽沒有固定的剛性結構，非螺旋狀連接肽就會趨向于富含脯氨酸而增加其剛性，減少域間的相互作用。

2　連接肽的設計與構建

2.1連接肽的分子設計原理

構建融合蛋白時，必須保證當融合蛋白形成正確的構象后，各種蛋白還應該保持原有的活性。因此設計的連接肽應保證以下兩個條件：1）各個功能蛋白的多肽鏈不應相互影響，也不應相互折疊或纏繞在一起而導致彼此的活性喪失；2）各個功能蛋白的活性中心要相互遠離，這樣不會形成空間位阻而影響了活性的表現［15］。此外，設計連接肽時，也應充分考慮蛋白質的表達、純化、復性效率等要求［16］。一般認為，連接肽能夠把兩個結構域進行適當地隔開，進而在反應過程中可以避免不同結構域的互相干擾，所以引入連接肽可以實現融合酶的成功表達［3］。

2.2設計連接肽的工具與數據庫

近年來，隨著對自然多域蛋白和重組融合蛋白連接肽研究的不斷深入，連接肽數據庫的想法隨之提出，同時，連接肽設計工具也被不斷完善，來幫助以融合蛋白特性為基礎的連接肽的理性設計。

Crasto等［17］設計出了一種計算機程序：LINKER。根據設計的連接肽序列長度及設計者的指定要求，輸入參數，就可以自動產生一系列符合標準的連接肽序列。連接肽數據庫的建立是基于這樣的假設：在X-射線晶體結構或NMR溶液結構中所觀察到的循環序列，很有可能會在融合蛋白中采用一種擴展構象作為連接肽［18］。該程序是專門設計用來幫助構造融合蛋白，并且設計者已經合并了許多可選的輸入參數，以方便使用者對于特異性序列的選擇。這個程序在生物技術產業和生物醫學研究領域將會是一個非常有用的工具，可以通過如下網站進行（http：//www.fccc.edu/research/labs/feng/linker. htm l）。

另一種基于Web的程序也提供了一種包含連接肽的數據庫并提供了搜索引擎（http：//www.ibi.vu. nl/programs/linkerdbwww/）。搜索算法有著幾種查詢類型，如：PDB代碼、PDB數據頭、連接肽長度、溶劑可及性和二級結構或序列等。這個程序不僅可以提供連接肽序列以滿足搜索標準，還可以提供其它信息如PDB代碼，源蛋白的簡要說明，源蛋白中連接肽的位置、長度、溶劑可及性和二級結構。使用者可以搜索具有所需性質的序列，從天然多域蛋白中獲得候選序列。

2.3連接肽的構建

目前構建融合蛋白的連接肽主要有兩種來源：一種是天然多域蛋白之間的連接序列，一般沒有經過特別的設計。如唐存多等［19］將來源于里氏木霉纖維二糖水解酶的CBM融合至β-甘露聚糖酶AuMan5A上，其連接肽即為里氏木霉纖維二糖水解酶中天然存在的；另一類是專門設計的連接肽，有兩類構建方法：1）通過適當的限制性內切酶酶切位點將兩個基因相融合，如α-淀粉酶基因與不同來源寡肽的連接［20］；2）采用重疊延伸PCR技術，融合兩個基因。如張獻偉等［21］根據Lu等人研究結果和在線軟件LINKER，篩選出6條α-螺旋連接肽和柔性連接肽，將甘露聚糖酶基因與木聚糖酶基因進行融合。

2.4連接肽的分類

目前，在天然多域蛋白中已發現許多連接肽，并用于構建融合蛋白。此外，研究者也已經設計出大量具有不同序列和結構的連接肽用于重組融合蛋白的構建，根據連接肽的功能，主要分為三類：柔性連接肽、剛性連接肽和體內可裂解連接肽。

2.4.1柔性連接肽當連接的功能域之間需要一定的相互作用，可以使用柔性連接肽。它們一般由小的非極性氨基酸（如甘氨酸）或者極性氨基酸（如絲氨酸或蘇氨酸）組成。小的氨基酸更能提供柔性，使得連接的功能域不互相干擾從而更好地發揮其作用。而極性氨基酸如絲氨酸和蘇氨酸可以與水分子形成氫鍵，因此可以保證連接肽在水溶液中的穩定性同時減少連接肽與蛋白區域的不良反應。雖然柔性連接肽并沒有剛性結構，但它可以作為一個被動的連接肽來保持功能域之間的距離。此外，也可以調整柔性連接肽的長度以使融合蛋白達到最好的生物活性。目前，最常用的人工設計的柔性連接肽主要是由甘氨酸和絲氨酸殘基伸展組成（GS連接肽），最典型的一個例子就是由Huston等人提出的（GGGGS）n（一般n≤6）序列［22］，通過調整重復數n，優化GS連接肽的長度使得功能域適當分開或者保持域間的作用，這幾乎已經成為一種“通用連接肽”。如陸平等［23］設計了7條柔性連接肽（GGGGS）n（n=1～3），將β-葡聚糖酶與木聚糖酶進行融合，結果顯示，其中有3條連接肽連接的融合酶表現出雙功能活性。

在糖苷水解酶融合酶中，一般多為柔性連接肽，來自于Aspergillus nidulans XZ3的基因man5XZ3，其編碼的一個含有CBM1的多域甘露聚糖酶，連接肽即為富含絲氨酸和蘇氨酸的柔性連接肽［24］；從Trichoderma harzianum MGQ2中克隆表達出的甘露聚糖酶ThMan5A，其連接肽也為富含絲氨酸和蘇氨酸的柔性連接肽［10］。盡管柔性連接肽在連接功能域時具有很多的優勢，但由于其缺乏一定的剛性，它的使用還是受到了一定的限制。一些文獻報道，由于柔性連接肽的使用而導致了低的表達量或者生物活性的喪失。

2.4.2剛性連接肽剛性連接肽是由容易形成穩定的二級結構的氨基酸殘基組成，在很多情況下，由于其能夠形成較穩定的二級結構，所以它比柔性連接肽更能有效地將功能域分開并保持它們的獨立的功能。當功能域分離的空間對于融合蛋白的穩定性和生物活性至關重要時，就可以選擇使用剛性連接肽。

George等［8］研究認為許多天然的剛性連接肽形成α螺旋結構。一般在重組融合蛋白中最常使用的剛性α螺旋連接肽為（EAAAK）n（n≤6）。由于其內部存在氫鍵且有著緊密的骨架，所以α螺旋結構是剛性的并且是穩定的。Minsup等［25］分別用柔性連接肽（GGGGS）和剛性連接肽（EAAAK）連接兩個分別來源于白星花金龜和甜菜夜蛾的抗微生物蛋白，經實驗證明，相比于親本蛋白，用剛性連接肽連接的融合蛋白的抗菌活性得到很大的提高，而用柔性連接肽連接的融合蛋白卻未表現出如此效果，表明剛性連接肽可以有效分離功能域，從而使得融合蛋白得到高于親本蛋白的活性。Guo等［26］分別用柔性連接肽（GGGGS）n（n=1～3）和剛性連接肽（EAAAK）n（n=1～3）連接木聚糖酶和甘露聚糖酶，經比較，用剛性連接肽連接的融合酶表現出更好的熱穩定性。Arai等［27］首先根據經驗設計了剛性連接肽序列A（EAAAK）nA（n=2～5），此連接肽有著α螺旋構象，且它是由片段之間的谷氨酸-賴氨酸鹽橋來穩定的。Guo等［26］將連接肽用于甘露聚糖酶和木聚糖酶的融合，結果表明，融合酶表現出雙功能酶活性，并且隨著連接肽的長度增加，融合酶的催化效率不斷提高，而當重復次數達到4次時，催化效率又開始下降，這暗示著可以通過改變EAAAK的重復次數來控制結構域之間的距離。

另一種剛性連接肽類型是富含脯氨酸的序列（XP）n，X可以設計為任意一種氨基酸，而George等［8］認為X最好是丙氨酸，賴氨酸，或者是谷氨酸。在非螺旋剛性連接肽中，脯氨酸的存在可以增加剛性，并且可以使得蛋白域有效地分離。研究顯示，富含脯氨酸的連接肽（XP）n經常被用作連接肽的另外一個原因是，其已經被證實具有明顯的抗蛋白酶降解性，并且在許多天然多結構域蛋白中作為連接肽［28-29］，如在很多天然的纖維素酶和木聚糖酶中，（PT）nP就是作為連接肽連接催化域與CBM，并且已經證明其對纖維素和木聚糖的降解有著重要的作用。Kavoosi等［29］也在CBM-GFP融合體系中比較了常見的（GGGGS）n、（PT）nP和通過計算機輔助設計的S3N10等連接肽的連接效果，結果發現，在連接肽（GGGGS）n上有不少位點被蛋白酶切割，而（PT）nP和S3N10均有著很好的抗蛋白酶的降解作用。

2.4.3體內可裂解連接肽體內可裂解的連接肽多用于生物制藥中，一般不用于融合酶的構建。前面所討論的連接肽，在生物體內均不會被優先降解。這些穩定的共價連接肽將功能域連接在一起作為一整個分子，在生物制藥中表現出很多優點，如延長血漿的半衰期等。但它們也有著一些潛在的缺點，包括功能域之間的位阻，生物活性的降低，生物分布的改變及由于結構域之間的干擾而導致的蛋白質代謝的改變等。在這種情況下，可以引入可裂解連接肽以釋放出游離功能域。此類型連接肽可以減少空間位阻，提高生物活性，并在連接肽裂解后實現各個功能域的新陳代謝。

在體內過程中，一種被充分研究的方法是二硫鍵的還原，這已經通過化學共價的方法被廣泛應用于藥物的傳送。利用二硫鍵的可逆性質，Chen等［30］設計了一種重組融合蛋白在體內可裂解的二硫化物連接肽，以保證釋放出的活性域進入到血液循環。經實驗驗證，這種連接肽可以適用于多種重組融合蛋白，使得其在體內分離出功能域來提高醫藥治療效果，并得到所希望的功能性結構域的藥代動力學特征和生物分布。最近，Zhao等［31］設計了一種類似于環肽的連接肽，這是一種在干擾素-α2b（IFN-α2b）和人血清白蛋白（HAS）融合蛋白中的體內可裂解的二硫化物連接肽。這個連接肽序列在兩個半胱氨酸殘基之間含有一個分子內二硫鍵以及一個對酵母分泌途徑中的分泌信號敏感的肽序列。結果表明，在分泌過程中，連接肽中兩個半胱氨酸殘基之間的氨基酸被完全去除，并且二硫鍵相連的融合蛋白可以直接在畢赤酵母中表達。

2.5連接肽的功能

在重組融合蛋白中，連接肽最基本的功能是將功能域共價連接（如柔性連接肽和剛性肽）或者是在期望的條件下將功能域釋放（如可裂解連接肽）。除以上基本功能外，連接肽也提供了許多派生功能，比如提高生物活性、增加產量等。

2.5.1提高融合蛋白的折疊及穩定性連接肽可以提高二級結構的穩定性并在保持二級結構的完整性中發揮重要的作用，同時也可以提高催化結構的穩定性。柔性連接肽在幾種融合蛋白的例子已經被證明可以提高折疊性與穩定性。如將剛性連接肽（EAAAK）n（n=1～3）與柔性連接肽（GGGGS）n（n=1～3）應用到β-葡聚糖酶和木聚糖酶的雙功能融合酶的構建中，在插入連接肽之后，所得到的融合蛋白的穩定性和催化活性得到顯著的改善［32］。Lu等［24］從Aspergillus nidulan s XZ3中克隆并表達了含有CBM1的甘露聚糖酶Man5XZ3，將連接肽截掉并重新表達后發現，酶的熱穩定性變差。Li等［33］發現去掉連接肽，木聚糖酶xynAS27的溫度穩定性及pH穩定性均變差。

2.5.2提高融合蛋白的表達量由于蛋白質結構域之間結構的擾動，融合蛋白可能會被錯誤地折疊，從而導致低的表達量。而連接肽可以使得兩個域之間保持適當的距離并且允許它們獨立地折疊，因此，它可以作為一個合適的工具來提高重組融合蛋白的表達量。Amet等［34］將螺旋連接肽（H4）2插入到以轉鐵蛋白（Tf）為基礎的融合蛋白中，結果表明，連接有連接肽的融合蛋白比沒有連接肽的融合蛋白的表達量提高了數倍。

2.5.3提高融合蛋白的生物活性通常通過融合兩個及以上的蛋白結構，融合蛋白可以得到來自各個組成部分的生物活性。然而，可能是由于功能性結構域太接近會與它們相應的結合蛋白相互作用會導致融合蛋白的生物活性受損，因此在這種情況下，可以選擇在融合蛋白之間插入連接肽，在結構域之間提供適當的距離來減少干擾，提高折疊或者是在體內釋放出游離的功能域從而提高生物活性。陸平等［23］驗證，沒有連接肽的β-葡聚糖酶-木聚糖酶融合酶生物活性喪失，而在插入連接肽之后，融合酶表現出了雙功能活性。Jin等［35］將葡聚糖酶Cel5Z與木聚糖酶XynX融合時發現，當將Cel5Z與XynX不用連接肽融合時，融合酶不顯示雙功能酶活性；而將Cel5Z與XynX用富含絲氨酸和蘇氨酸的連接肽連接時，融合酶則顯示出雙功能活性。也有研究顯示，隨著不同結構域之間連接肽長度的縮短，融合酶的活性也會相應減少，這說明，連接肽會影響結構域是否能形成有活性的構象［36］。

3　展望

與天然酶相比，融合酶的構建無論在功能上還是應用上都有著眾多的優勢，同時，連接肽的引入在一定程度上也可以解決蛋白質不能正確表達、蛋白質不穩定、酶活性受損甚至喪失等問題。盡管在過去一段時間里，研究者已經設計了各種不同類型的連接肽，但對于其的理性設計還停留在初期階段。在多域蛋白設計的過程中，由于各個結構域需要形成有活性的空間構象，合適的連接肽是影響結構域折疊的重要因素，所以需要充分考慮連接肽的類型、長度及融合的順序等。后續研究需要解決以下兩個關鍵問題：1）需要設計能不同程度、不同方面改變結構域空間組織關系的連接肽的種類，為連接肽的理性設計提供更豐富的模板；2）需要對不同連接肽（如組成、結構、長度）對結構域的空間組織關系的影響進行研究?？梢酝ㄟ^X-射線晶體學和NMR技術對連接肽進行更深入的結構剖析，從而可以推動連接肽的理性設計及其科學的應用。隨著蛋白質科學和生物技術的飛速發展，融合蛋白連接肽的設計顯得尤為重要，只有透徹地了解它們的結構、構象與功能，連接肽的引入才能極大地提高重組融合蛋白的穩定與生物活性，從而可以對其進行更好地應用。

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會議信息

會議名稱（中文）：2015上海辰山“藥食同源與植物代謝”國際學術研討會

開始日期：2015-12-13結束日期：2015-12-14

所在城市：上海市黃浦區具體地點：上海辰山植物園

主辦單位：中國植物生理與植物分子生物學學會

承辦單位：上海辰山植物園

聯系人：楊舒婷

聯系電話：021-37792288-922

E-MAIL：shootingy@163.com

會議網站：http：//www.cspp.cn/cp9-1_more.asp？id=1519

會議背景介紹：為了展示國內外在藥食同源與植物代謝方面的最新研究進展與未來發展方向，及探討新興生命科學技術對該研究領域的影響，我們擬定于2015年12月13日下午至13日上午在上海辰山植物園召開2015上海辰山“藥食同源與植物代謝”國際學術研討會，以促進科研人員的交流與合作。本次會議由中國植物生理與分子生物學學會與上海市資源植物功能基因組重點實驗室聯合承辦。會議將邀請多位國內外相關領域的專家作大會主題報告，交流最新學術成果，歡迎廣大同行及研究生報名參加。

會議主題：功能食品與植物天然產物，植物代謝與調控，植物營養與基因組學

Design of Linker Peptides and Its Application in Fusion Protein

LIJianfang1，WANGChunjuan1，WUMinchen*2
（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Wuxi Medical School，Jiangnan University，Wuxi214122，China）

Atpresent，the genetic engineering technology has becomea hot research topic tomodify enzymemolecule.Fusion enzyme technique based on the fusion protein design has been used in the construction of multi-functional enzymes and has shown the important potential application and theory values.As an indispensable componentof recombinant fusion proteins，linker peptides have been shown to be important in the stability and bioactivity of fusion proteins.According to the latest research progress in recent years，the general properties of linkers derived from naturally-occurring multi-domain proteins，the classification and the advantageous of the linkers are summarized in this review.Finally，the key problems in the design of the linker and perspectives of this field were also discussed.

glycosidehydrolase，fusion protein，linker peptide

Q 556+.2

A

1673—1689（2015）11—1121—07

2015-01-09

國家自然科學基金資助項目（31271811）。

李劍芳（1965—），女，江蘇無錫人，工學博士，教授，碩士研究生導師，主要從事生物技術方面的研究。E-mail：lijf@163.com

鄔敏辰（1962—），男，江蘇無錫人，理學博士，教授，博士研究生導師，主要從事酶工程與基因工程方面的研究。

E-mail：bioch@163.com