硒是人体必需的微量元素之一，硒代半胱氨酸（Sec）是硒在体内发挥作用的主要形式，通常作为催化基团存在于酶的活性部位。研究表明，Sec通过共翻译的方式掺入新生多肽链中。有趣的是，Sec是由终止密码子UGA编码。因此，Sec又被称为第21种氨基酸。在E. coli中，Sec的掺入需要在一个顺式作用元件——Sec插入序列（SECIS）和四种蛋白质（SelA，SelB，SelC，SelD）的共同参与下才能完成。由于细菌的SECIS具有种属特异性，位于紧邻UGA下游的开放阅读框（ORF）内，而且Sec的掺入效率极低，因此，利用E. coli直接表达异源的真核生物的硒蛋白仍然是一个具有重大挑战性的研究课题。在过去的二十年里，酶工程研究领域发生了深刻的变革。酶的合理设计和定向进化成为酶研究的两种重要的而且互为补充的策略。基于酶的结构和序列，对酶进行再设计成为理解酶的结构与功能的关系及自然界酶进化机制的重要手段。目前，酶的再设计都集中在改变酶分子的底物或辅因子的专一性及反应的立体专一性，而鲜有改变反应的化学专一性的报道。谷胱甘肽硫转移酶（GST）代表着一个十分庞大的酶家族，通过催化GSH对亲电试剂的加成而实现解毒的目的。GST由两个结构域组成，即一个保守的GSH结合结构域和一个高可变的底物结合结构域。其鲜明的结构特征非常有助于理解酶的结构与功能的关系。谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）是生物体内重要的抗氧化酶之一，通过GSH还原体内的过氧化氢及脂质过氧化物以保护生物膜及其它细胞组分免受氧化损伤。研究表明位于GPX活性部位的Sec在氧化还原循环中作为催化基团扮演着关键角色。由于GST和GPX都具有GSH结合部位，决定性的差别在于催化基团的不同。因此，研究是否存在将GST转变为GPX的可能性就显得非常有意义。本论文的研究目的有两方面：（1）摸索具有GPX活力的含硒GST的表达；（2）利用大肠杆菌的含硒蛋白合成机制直接表达硒蛋白，建立高效的含硒蛋白表达系统，为其它含硒酶的表达奠定基础。1. 含硒GST突变体的构建 <WP=60>应用重叠PCR技术将GST的催化基团Tyr7的密码子UAU突变为编码Sec的终止密码子UGA，并在UGA下游距离其11核苷酸处引入E. coli的最小SECIS元件，测序结果显示我们已经成功的构建了含硒GST的突变体基因。我们将重组质粒和含有SelA、SelB和SelC基因的质粒pSUABC共同转化到大肠杆菌BL21中进行诱导表达。SDS-PAGE和硒元素放射性标记检测时没有检测到目的蛋白。Sec的掺入表达是一个低效率的过程（2~5 %），因为绝大部分翻译产物都在编码Sec的密码子UGA处终止，尽管将Sec同SelA、SelB和SelC共同表达，此过程仍然维持在一个较低的水平线上（7~10 %）。此外被Sec取代的Tyr在GST中是靠近N端的第7个氨基酸，它距离N端的距离比较近，因此Sec在表达时极大地延长了蛋白翻译的起始时间。进而导致后续的核糖体脱落，蛋白不能被完全翻译出来，从而使蛋白质翻译产物量减少，以至75Se放射性自显影检测不到目的蛋白。根据这一负结果，我们改变了方案，将含硒GST基因插入pGEX-2T载体上GST下游的多克隆位点，希望能够得到含硒GST融合蛋白。2. 含硒GST融合表达系统的构建我们将含硒GST的突变基因插入到pGEX-2T载体多克隆位点的BamHⅠ和EcoRⅠ两个酶切位点之间，成功地构建了含硒GST融合表达系统，并将重组质粒和含有SelA、SelB和SelC基因的质粒pSUABC共同转化到大肠杆菌BL21中进行诱导表达。3. 含硒GST融合蛋白的表达及分离纯化通过SDS-PAGE，75Se放射性自显影和Western Blotting的检测，证明了含硒GST融合蛋白得到了成功的表达，同时也产生了分子量约为26KDa的突变产生的终止密码子UGA处终止的蛋白。为了获得含硒GST融合蛋白的纯品我们进行了进一步的分离纯化。首先用GSH Sepharose 4B亲和层析法从全菌裂解液中分离纯化出目的蛋白。为了将含硒GST融合蛋白和终止蛋白进一步分开，我们利用HPLC分子筛层析系统进行分离，得到了含硒GST融合蛋白的纯品。 <WP=61>经过计算，1升大肠杆菌发酵液中能纯化出0.924 mg含硒GST融合蛋白。软件分析得出含硒GST融合蛋白和终止蛋白的比例为14.93/100，突变终止密码子UGA的通读效率为12.99 ％。这是第一个在E.coli中异源表达的内有Sec残基的完全纯化的含硒蛋白。