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重组蛋白表达系统小结

重组蛋白表达技术是研究蛋白质功能、结构,以及筛选靶向药物的有力工具,在基础科学以及医药学领域发挥了重要作用。目前常用的表达系统有以下几类:

1 原核表达系统

1.1大肠杆菌( Escherichia coli) - 典型的T7 表达系统

基于T7 RNA 聚合酶( T7 RNA polymerase,T7 RNAP) 及其强启动子之间的特异性和转录的高效性建立的pET 系统( Novagen)是最常用的E. coli 表达系统。T7 RNAP 机制在诱导蛋白表达时,几乎所有的细胞资源都用于表达目的蛋白,而且表达产物产量也特别高。迄今为止,E. coli 作为第一个用于重组蛋白生产的宿主菌,由于其遗传背景清楚、培养操作简单、转化效率高、生长繁殖快、成本低廉,且可以快速大规模地生产目的蛋白等优点而被广泛地用于外源蛋白的表达。但是,作为原核表达宿主的E. coli 不能产生诸如N- 和O- 端糖基化、脂肪酸酰化、磷酸化以及二硫键的形成等翻译后修饰。而这些修饰作用对活性蛋白的生物活性、功能、结构、溶解度、稳定性,以及半衰期等都是非常重要的。而且,E. coli表达的蛋白还会保留它们氨基末端的甲硫氨酸,这会影响到目的蛋白的稳定性,并产生免疫原性。

1.2枯草杆菌表达系统

枯草杆菌作为外源基因表达宿主存在的优缺点作为外源基因表达的宿主,枯草杆菌有以下优势: ①非致病的土壤微生物,不产生脂多糖,而脂多糖作为E. coli 表达产物之一,有可能会导致人类和动物的一些神经性退行病的发生。②遗传特性强,很多噬菌体和质粒都可以作为克隆载体。③蛋白分泌能力强,有利于目的蛋白的回收和纯化。④良好的发酵基础和生产技术,枯草杆菌在工业上长期被用于生产蛋白酶、α - 淀粉酶等,在相对简单的培养基中就能生长到很高的密度。与大肠杆菌相比枯草杆菌具有很强的向胞外分泌蛋白的能力,但是重组表达质粒在枯草杆菌中却不是很稳定。所以研究者一直致力于对该系统本身进行更详尽的研究上。通过寻找自然界中的这样一类枯草杆菌,它们不仅具有强分泌蛋白能力,并且没有胞外蛋白酶活性( 如短芽孢杆菌) ,进而减少蛋白酶对蛋白的降解,促进蛋白的分泌表达。

2. 真核表达系统

2.1酵母- 最具商业价值的表达系统

几种常见的酵母表达系统酿酒酵母( S. cerevisiae) 是一种单细胞真核微生物,长久以来被称为真核生物中的“大肠杆菌”,最早应用于酵母基因的克隆和表达。目前利用酿酒酵母为宿主细胞表达了多种外源基因,如乙型肝炎疫苗、人胰岛素、人粒细胞集落刺激因子、人血管抑制素等。

粟酒裂殖酵母( S. pombe) 是所有酵母细胞中生理特性最接近高等生物的一种,其染色体结构和功能,细胞循环的控制,RNA 剪接蛋白表达分泌机制及翻译后修饰等都与哺乳动物细胞很相似。因此,在S. pombe 中表达的重组蛋白有可能更接近其本来的结构和生物活性。近年来,有学者提出它可能也是潜在的能有效表达真核膜蛋白的表达系统。酵母表达系统的优缺点酵母表达系统具有一定的蛋白质翻译后加工能力,有利于真核蛋白的表达,特有的AOX 强效启动子使得外源基因表达量很高,而且酵母的培养、转化、高密度发酵等操作接近原核生物,非常适合大规模工业化生产,另外用甲醇代替IPTG作为诱导物,部分甲醇酵母以甲醇等工业产物代替葡萄糖作为碳源,生产成本非常低。但是酵母在表达外源基因时会造成产物蛋白的不均一、降解、信号肽加工不完全、多聚体形成等问题。而且,酿酒酵母表达蛋白时会出现蛋白切割问题、蛋白分泌效率低等问题。

2.2昆虫/杆状病毒表达系统- 最具潜力的表达系统

昆虫/杆状病毒表达系统的优缺点:杆状病毒做为外源基因表达的宿主,由于其可以对真核蛋白进行翻译后加工等过程而被广泛地用于真核基因的体外表达。目前,已经有近千种异源蛋白在此系统中得到高效表达,而且杆状病毒还可以用于生产疫苗、基因治疗以及制备杆状病毒杀虫剂等。由于昆虫是杆状病毒的自然宿主,且每种杆状病毒都只能感染一种或几种昆虫,不会感染其他动物、植物及人类,所以认为在应用杆状病毒进行研究时不需考虑其安全性问题。但是,杆状病毒表达系统也存在着一定的缺陷。例如,随着感染宿主的多角体病毒的死亡,异源蛋白不能连续表达。每一轮新蛋白的合成都需要重新感染宿主细胞。此外,虽然杆状病毒表达系统能够对目的蛋白做翻译后修饰,但这种修饰存在着一定的限度; 虽然其糖基化位点与在哺乳动物细胞中一样,但寡糖链的性质有所不同,无法产生复杂的糖基侧链,这可能是由于昆虫细胞不能将成熟糖链加工成哺乳动物细胞中类似的形式。

2. 3 哺乳动物细胞表达系统 - 一个相对成熟的真核表达系统

哺乳动物细胞表达系统的优缺点:与其它真核细胞表达系统相比,目的基因在哺乳动物细胞中表达的蛋白与天然蛋白的结构、糖基化类型和方式几乎完全相同,并且在蛋白合成起始信号、加工、分泌等方面具有独特优势。但是哺乳动物表达系统成本相对较高,技术复杂,表达过程中存在着潜在的动物病毒的污染。

因此,选择表达系统时,必须充分考虑各种因素,如所需要表达的蛋白是否有毒性,是否有活性,是否需要糖基化,还需要考虑成本、产量及纯化路线和安全性,权衡利弊后在研究工作积累和实践探索的基础上,做出谨慎的判断和选择。最后,表1 和表2 总结了常用的各表达系统的特点及应用。

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Souce: 纽普生物    2016-07-12