全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 3期·综述与专论·
收稿日期：2008-09-22
作者简介：张梅（1984-），女，硕士，主要从事基因工程制药研究
通讯作者：邬敏辰（1962-），男，教授，主要从事酶工程研究；金坚（1960-），男，教授，主要从事融合蛋白药物的设计、药效学和药理学研究
甲状旁腺激素（Parathyroid Hormone，PTH）是由
甲状旁腺主细胞合成和分泌的一种单链多肽激素，
成熟 PTH 含 84 个氨基酸残基，分子量约为 9 500，
是人体内调节钙磷代谢及骨转换的最为重要的激
素之一 [1]。 它主要通过作用于靶细胞膜上腺苷酸环
化酶系统 ，增加胞浆内 cAMP 及焦磷酸盐 （PPi）的
水平来发挥作用 [2]。 PTH 的生理作用广泛，肾脏、骨
骼 、小肠等都是它的靶器官 [3]，所以最初人们对它
的研究主要侧重于它对骨的分解溶化作用 ， 直到
1932 年， 才有学者最早提出小剂量、 间歇性应用
PTH 对骨质疏松症有一定的治疗效果 [4]。 随着对分
子结构、 构效关系研究的深入，PTH 在体内发挥作
用的机制及成骨作用的特异位点才逐渐明确，PTH
类似物在骨质疏松症治疗中的重要性才得以体现。
2002 年 11 月 ， 第一个 PTH 的重组体获美国 FDA
批准上市，用于绝经后妇女骨质疏松症的临床治疗 [5]；
2006 年，欧盟批准一种新的 PTH 的重组体上市；现
在中国、日本也分别有此类药物投入临床应用。 同
时，PTH 与其他蛋白的融合体也应需开始研究 ，以
改善单纯的重组体药代学和药动学上的一些性质。
在国内外对以上各个领域研究的基础上，针对 PTH
的生理活性和构效关系、类似物的研究成果 、融合
蛋白体的研究进展、在骨质疏松治疗上的应用前景
进行综述。
1 构效关系
PTH 是一种含氮类激素，它在生物体内作为一
种配体要先与靶细胞膜上的受体结合，诱发细胞内
产生第二信使， 从而使细胞发生生理功能变化 [6]。
所以 PTH 的分子结构在受体配体结合及发挥生理
活性时起着关键性的作用。
PTH融合蛋白研究进展
张梅 邬敏辰 金坚
（江南大学医药学院，无锡 214122）
摘 要： 甲状旁腺激素（Parathyroid Hormone）是由甲状旁腺主细胞合成和分泌的一种单链多肽激素，是人体内维
持血钙恒定的主要激素。PTH 在人体内的生理功能非常广泛，PTH 类似物已被开发成为治疗骨质疏松症的一系列新型药
物。为了克服人 PTH 分子量小、在人体内代谢快、临床应用不方便的缺点，长效融合蛋白体的研究逐渐成为一种趋势，并
且取得了一定的成就。主要依据国内外对 PTH 重组体和 PTH 融合蛋白体的研究现状，对 PTH 的构效关系与生理活性、
PTH 类似物的研究成果及 PTH 的应用前景进行综述。
关键词： 人甲状旁腺激素 融合蛋白 长效药物 骨质疏松症
Research Advances of Fusion Protein of Parathyroid Hormone
Zhang Mei Wu Minchen Jin Jian
（School of Medicine and Pharmaceutics，Jiangnan University，Wuxi 214122）
Abstract： Parathyroid hormone as one of the most important hormones that could regulate bone metabolism，is
synthesized and secreted by the principal cell of parathyroid gland. It has been found PTH performs an importent
function in treating osteoporosis. PTH and associated analogs have been exploited into a new series of drugs. This article
based on new investigations of PTH recombinant and PTH fusion protein，summarized structure-function relationship and
physiological activity of PTH，and also the research of PTHs analogs and application.
Key words： Human parathyroid hormone Fusion protein Long life drugs Osteoporosis
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
从 PTH 的一级结构来看，它是由 84 个氨基酸
残基组成的一条多肽链分子 ， 分子中不含半胱氨
酸，不含二硫键 [7]。 二级结构为富含 α-螺旋的单链
多肽， 在 Ser3 到 Glyl2 及 Ser17 到 Lys26 两处有 α-
螺旋结构，这两个结构紧密的区域由一段无规卷曲
或螺旋结构相连，当它处于发挥生理作用所需的环
境中时 ，1~34 有 25 个氨基酸残基可形成螺旋结
构，C 端的亲水氨基酸和疏水氨基酸残基有规则地
排列形成两性 α-螺旋， 疏水面与中间连接部分相
互作用形成一个疏水核 [8]。 由此推测，PTH 1-34 的
N 端、C 端均具有螺旋结构， 它们之间应存在相互
作用，从而形成一个具有疏水区的“U”型三级结构[9]。
构效关系研究表明，PTH 的生物活性主要来自
其 N 端 ，N 端片段如 PTH （1~34）、PTH （1~37）及
PTH（1~38）保留了 PTH 几乎全部的生物活性，而其
C 端则可能是前甲状旁腺素原的加工和不同于 N
端的另一些生物活性所必需的。 以 PTH （1~34）为
例，受体结合和生物活性所需结构正是上述的两个
α-螺旋以及连接两个螺旋的铰链区。同时通过截去
其 C 端、N 端的氨基酸， 并检测其与受体的结合活
性及生理活性发现 ，C 端主要功能是与受体结合 ，
其中第 25~34 氨基酸残基形成主要结合位点 ，第
l0~27 氨基酸残基形成次要结合位点 ；N 端主要是
活化腺苷酸环化酶，与生物活性有关，因而，去除 N
端会失去激活腺苷酸环化酶的功能，但与受体结合
的功能基本保持不变。 N 端的螺旋主要是将 N-末
端的 Ser 引入到受体的正确位置，从而激活信号传
输系统。 另有研究表明，PTH（1~34）的 N-末端区域
比 C-末端区域相对保守 ：N-末端许多位点还未发
现功能性的替换 ，如 Val2、Ile5、Met8、His9 等 ，有些
位点可以被替换掉， 但是生物活性会大大下降，如
Ser1、Ser3 等。内部区域残基（13~16）和 C-末端螺旋
（17~30）相对不保守，半数以上可以进行适当的侧
链化学修饰， 如若将 27 位正电荷去除有助于稳定
螺旋结构 [10]。
2 PTH的生理作用
PTH 的生理作用及其广泛， 靶器官有骨骼，肾
脏和小肠。PTH 作用于骨骼具有促进成骨和溶骨的
双重作用。 一方面 PTH 可刺激骨细胞分泌胰岛素
样生长因子 I，促进骨胶原和基质的合成，利于成骨
作用。 另一方面 PTH 能增加骨组织中破骨细胞的
数量和活性。 破骨细胞分泌各种水解酶，并且产生
大量乳酸和柠檬酸等酸性物质使骨基质及骨盐溶
解，释放钙和磷到细胞外液，但 PTH 只引起血钙升
高 [11]。
PTH 作用于肾脏主要是增加肾远曲小管对 Ca2+
的重吸收，降低肾磷排泄阈并抑制肾小管对磷的重
吸收，最终使血钙升高 ，血磷降低，激活 1，25-二羟
基维生素 D3 的合成，间接提高肠对钙的吸收 [12]。
PTH 对肾脏和骨的作用相互配合。血钙浓度降
低就会刺激 PTH 分泌增加， 通过骨吸收的增加使
血钙、血磷同时提高，此时血磷需要被排出体外，否
则它将抑制血钙浓度的提高。反之，血钙浓度过高，
PTH 分泌减少，肾脏发挥保磷作用 ，从而降低血钙
浓度。也就是说，PTH 对骨转换具有双向调节作用，
即大剂量、持续给药有促进骨吸收的作用；小剂量、
间歇给药则有促进骨形成作用 [13]。
3 PTH融合蛋白的研究
PTH 的类似物包括 PTH 重组体 、PTH 融合蛋
白和 PTH 突变体。
3.1 PTH 重组体
化学合成法生产 PTH 的可行性不大， 随之人
们把注意力转向生物合成 。 伴随着生物技术的发
展，PTH 重组体的研究取得了一系列的成果。
hrPTH（1-34）是第一种用于临床治疗骨质疏松
症的 PTH 的类似物 ， 它于 2002 年 11 月由美国
FDA 通过 ，商品名为特立帕肽 [5]的注射剂 ，主治绝
经后妇女骨质疏松症和原发性骨质疏松症 ， 并于
2003 年初在美国上市。 这种药物具有与天然 PTH
N-末端 34 个氨基酸序列完全相同的结构， 其生物
学作用亦是通过与特异性、高亲和性受体 PTH-1 结
合介导的。 与天然的 PTH 相比，它对骨和肾具有相
同的生理作用， 但克服了 C-末端对骨代谢的不利
影响。 同年，Unigene 公司和葛兰素史克公司签署了
一个 15 000 万美元的全世界授权协议， 开发一种
口服剂型的甲状旁腺激素，用于治疗骨质疏松。
另一种 PTH 类似物为 rhPTH（1-84） [14]。 2003 年
11 月 ，NPS Pharmaceuticals 公司结束 rhPTH （1-84）
的 III 期临床研究， 于 2004 年底向美国 FDA 提出
新药申请，2005 年在欧洲提出新药申请 ；2006 年 3
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2009年第 3期
月 FDA 向开发者 NPS Pharmaceutical 发出该药物可
以被批准的意见书；2006 年 4 月 24 日， 欧盟已批
准该药物上市， 用于治疗妇女绝经后骨质疏松症。
这种重组体与天然甲状旁腺素的氨基酸组成和生
物活性均一致，具有显著的骨同化作用，不仅增加
骨量，且可增加骨机械应力，有效预防骨折发生。它
与人体内发挥生理作用的 PTH 氨基酸序列完全一
致 ，因此副作用小于 rhPTH（1-34），拓展应用范围
的空间较大， 在国外所进行的临床前研究中发现
rhPTH（1-34）有致大鼠骨肉瘤样毒性 ，而 rhPTH（1-
84）的副作用则显著轻。
3.2 PTH 融合蛋白
蛋白类药物的分子量若小于 20 kD 在代谢过
程中易被肾小球滤过， 且在体内的半衰期较短，皮
下给药或肌肉注射的半衰期一般在 12 h 左右。 为
了达到治疗效果，一般需要大剂量频繁用药，给患
者带来极大的不便。 因此，长效蛋白药物的研制已
成为对第一代基因工程产品进行二次开发的一个
重要方向， 而增加分子量则是一个通用的策略 [15]。
人们已经采用多种方法来对 PTH 的性质进行改
进，以在保留它的活性的同时提高半衰期，其中包
括制备缓释制剂、构建突变体、化学修饰以及基因
融合等，而基因融合技术为最突出的。
常用的融合蛋白的载体有人血清白蛋白 （Hu-
man serum albumin，HSA）融合蛋白 、抗体 IgG 重链
Fc 段融合蛋白、6xHis Tag 融合蛋白、β-半乳糖苷酶
融合蛋白 、trpE 融合蛋白 、 谷胱甘肽 S-转移酶
（GST）融合蛋白以及硫氧还蛋白（Trx）融合蛋白等。
而人血清白蛋白（HSA）则由于本身特殊的优点，更
适合于充当长效融合蛋白类药物的融合载体 [16]。
HSA 是包含 585 个氨基酸残基的单链无糖基化的
球形蛋白质 ，分子量 65 kD，它是人血浆中含量最
高的单一蛋白质（达 40 g/L），在体内有维持血液渗
透压，运输营养和其它重要生物物质的作用。 HSA
本身是许多内源因子和外源药物的载体，药物和血
清白蛋白结合后，可以减少其生物利用度，增加在
体内的半衰期至 19 d 之久。
人血清白蛋白融合技术具有明显的优点，包括
HSA 与目标蛋白在胞内经蛋白翻译系统通过肽键
连接，不需额外的体外处理；HSA 表达水平较高，与
融合后可以提高目的蛋白的表达水平；HSA 是一个
稳定的“惰性”蛋白，融合后可以提高目的蛋白的稳
定性 ；HSA 融合蛋白具有比 PEG 修饰的蛋白药物
更长的半衰期。
3.2.1 PTH （1-84）-HAS 江南大学王俊等 [17]利用
基因工程手段将 PTH（1-84）与 HSA 直接融合 ，中
间无任何连接肽， 具体构建方法是通过重叠 PCR
技术将人甲状旁腺激素的 C-末端与人血清白蛋白
分子的 N-末端相连， 之后把融合基因与表达载体
pPIC-9K 连接，线性化后电转化进宿主菌落毕赤酵
母 KM71， 诱导表达后对表达产物进行药动学和药
效学研究。 结果表明，用 HSA 来直接修饰甲状旁腺
激素，改变甲状旁腺激素的药物动力学和药代学的
特性，大幅度提高其相对分子质量 ，显著延长体内
半衰期。同时，还可抑制相应的免疫清除等，使药物
的血浆浓度更加稳定 ， 药物在体内维持的时间更
长， 从而达到提高药物疗效和减少注射次数的目
的。酶标法测定发酵上清中融合蛋白的甲状旁腺激
素活性为 318 IU/ml， 表明融合蛋白在酵母得到了
表达并具有一定的生物活性。
3.2.2 HSA-PTH （1-34） 为了在毕赤酵母中高效
分泌表达人血清白蛋白与 PTH（1-34）融合蛋白，并
鉴定其活性 ，浙江大学陈静等 [18]构建了 HSA-PTH
（1-34）融合基因，并对其进行了克隆、表达及鉴定。
它首先用 PCR 方法克隆人血清白蛋基因， 将其 C
端与 PTH（1-34）基因的 N 端相接，构建重组表达质
粒 pPIC9K- HSA-PTH （1-34）； 然后线性化表达载
体 ，转化毕赤酵母宿主菌 GS115，对阳性转化子进
行 PCR 鉴定和 Mut 表型鉴定并用甲醇诱导表达 ；
最后采用经典的腺苷酸环化酶刺激活性检测法确
定 HSA-PTH（1-34）的生物学活性。 结果表明，重组
毕赤酵母分泌 HSA-PTH（1-34）的表达量可达 400
mg/L，分子量与理论值相似，约为 70 kD；免疫印迹
显示目标蛋白可与抗 HSA 多抗 、抗 PTH （1-34）多
抗有良好的特异性杂交反应 ； 体外活性试验证明
HSA-PTH（1-34）能够激活兔肾皮质细胞中的腺苷
酸环化酶，但活性低于 PTH（1-34）标准品。 此项研
究成功的表达出了具有生物学活性的融合蛋白
HSA-PTH（1-34），为进一步研究应用打下基础。
3.3 PTH 突变体的研究
张梅等：PTH融合蛋白研究进展 27
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
明确构效关系可以更清楚的认识 PTH 对骨作
用的两面性，充分利用它的成骨作用，避免溶骨作
用，使它更适合治疗骨质疏松症。美国研究者 Reid-
haar-olson 等 [10]曾构建了 50 个 PTH（1-34）的点突变
体，研究它们的生物学活性，找出可进行功能性替
换的氨基酸 。 选择合适的氨基酸进行碱基的点突
变，可以改善甲状旁腺激素的生物活性或其他生物
学特性。 到目前为止，进入临床研究的 PTH 类似物
还有 [Leu27]cyclo（Glu22-Lys26）hPTH-（1-31）NH2[O-
stabol-in-CTM] [19]， 即把 27 位的赖氨酸变为亮氨酸 ，
Ⅱ期临床试验的初期试验结果表明其刺激骨合成
代谢的作用与特立帕肽相当， 甚至优于特立帕肽，
且升高血钙、刺激骨吸收的不良反应明显弱于特立
帕肽。
4 PTH在骨质疏松治疗上的应用前景
不论是在中国还是在全球范围内，骨质疏松症
都越来越严重的威胁着人类的健康。 据统计，全球
50％~70％的骨质疏松症分别发生在亚洲国家和发
展中国家 ，我国人口基数最大 ，老龄速度最快 ，这
些因素均决定了骨质疏松症已成为我国一个严重
的公众健康问题 。 目前我国约有骨质疏松症患者
6 000~8 000 万以上， 并且有 1 亿多人需要采取必
要的预防措施。医学界已将高血脂、高血压、骨质疏
松症这 3 种疾病放在同样重要位置。其中骨质疏松
症在世界常见病、多发病中已跃居第 7 位，患者人
数超过 2 亿人 [20，21]。
PTH 在成熟骨组织中起着促进骨生长或填充
破骨细胞产生的陷窝的作用，注射入人体后可以使
骨髓基质中的骨髓成骨细胞前体成熟，并集聚在骨
表面发挥成骨作用，同时，抵御骨细胞的初始凋亡，
使每一次骨重建周期的净骨量增加。 虽然 PTH 有
一定的骨分解作用，但通过改变用药方法和明确构
效关系，仍可以充分的利用它的骨合成作用。
融合蛋白类长效药物是生物技术药物中很重
要的一类，迄今为止大量有关此类药物的研究都在
进行当中，人们正不断的努力 ，克服融合蛋白长效
药物活性低、表达量低、分离纯化复杂的困难，以加
快此类药物投入使用，造福人类的步伐。
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