阿拉丁保姆级详解——蛋白表达系统！

2023-05-29 13:15:43, aladdin 上海阿拉丁生化科技股份有限公司

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蛋白表达系统

蛋白质表达是指在生物体内或体外合成特定蛋白质的过程。在过去的几十年中，科研人员已经开发出了多种蛋白质表达系统。这些系统在不同的情况下，能够以不同的方式实现高效表达和纯化目标蛋白质。本文将介绍常见的蛋白质表达系统，并对它们的特点和适用范围进行分类和分析。

PART.1

原核表达系统

原核表达系统是指在细菌中表达蛋白质的系统。原核表达系统具有简单、高效、易于扩大规模的优点，广泛用于生产大量纯化蛋白质。原核表达系统可以分为两种类型：大肠杆菌表达系统和其它细菌表达系统。

1. 大肠杆菌表达系统

大肠杆菌表达系统是最常用的原核表达系统之一，已经成为基因工程和生物技术中的经典工具。该系统基于质粒表达载体，通过转化大肠杆菌实现异源蛋白质的表达和纯化。大肠杆菌表达系统具有以下特点：

（1）表达载体

大肠杆菌表达载体通常由一个强启动子、启动子与响应元件的组合和一个选择性标记组成。其中，启动子和响应元件用于控制基因表达的调节，选择性标记用于筛选转化的细胞。

（2）表达技术

大肠杆菌表达技术主要分为两种：感受态表达和沉积态表达。前者是指将蛋白质表达基因插入到细菌染色体的表达位点中，使得蛋白质在正常生长条件下大量表达。后者是指将蛋白质表达基因插入到质粒表达载体中，然后转化到大肠杆菌中表达。

（3）表达优化

为了获得高效表达的目标蛋白质，大肠杆菌表达系统需要对表达条件进行优化。例如，通过改变生长条件、调节启动子和响应元件的组合以及调整温度、pH值等条件，可以提高蛋白质表达的效率和纯度。

2. 其他细菌表达系统

除大肠杆菌表达系统外，还有一些其他细菌表达系统，如耶尔森氏菌表达系统、蓝绿藻表达系统等。这些系统具有不同的表达效率和纯化方法，适用于不同类型的蛋白质表达。

（1）耶尔森氏菌表达系统

耶尔森氏菌表达系统是一种常用的表达系统，能够高效表达一些难以在大肠杆菌中表达的蛋白质。它通常使用具有强烈侵染性的耶尔森氏菌作为表达宿主，并使用含有适当启动子和响应元件的表达载体进行表达。该系统具有高表达效率和易于扩大规模的优点。

（2）蓝绿藻表达系统

蓝绿藻表达系统是一种适用于膜蛋白表达的系统。蓝绿藻具有较高的生长速度和简单的生长条件，可以在短时间内产生大量的细胞。此外，蓝绿藻的质膜含有大量的膜蛋白，这使得其在膜蛋白表达方面具有一定的优势。使用蓝绿藻表达系统可以实现大量表达膜蛋白，同时获得较高的纯度。

PART.2

真核表达系统

真核表达系统是指在真核细胞中表达蛋白质的系统。真核细胞包括动物细胞、植物细胞、酵母细胞等。真核表达系统具有许多优点，如正确折叠、翻译后修饰和易于分泌等。真核表达系统可以分为四种类型：动物细胞表达系统、植物细胞表达系统、酵母表达系统、昆虫表达系统。

1. 哺乳动物细胞表达系统

使用哺乳动物细胞表达重组蛋白质的主要问题是效率低，所表达的蛋白质水平低。然而，诸如HEK293和CHO的细胞系已经分别被开发为有效的瞬时和稳定表达系统。使用脂质体、磷酸钙或PEG作为转染试剂瞬时转染HEK293细胞。虽然瞬态表达相对容易，但扩大规模却在技术上存在挑战性。CHO细胞通常用于稳定表达大量重组蛋白。该方法包括用目标基因和DHFR选择盒转染DHFR缺陷型CHO细胞。然后在甲氨蝶呤存在下筛选转染的细胞以获得稳定转染的细胞库。选择和扩展过程需要2-3个月。

2. 植物细胞表达系统

植物细胞表达系统是在植物细胞中表达蛋白质的系统。植物细胞具有高效的蛋白质修饰和表达能力，同时还可以进行正确的蛋白质折叠和组装。植物细胞表达系统通常使用农杆菌介导的转化方法，将表达载体导入到植物细胞中进行表达。这种表达系统不仅能够表达蛋白质，还可以进行疫苗和生产重组蛋白质等方面的应用。

3. 酵母表达系统

酵母表达系统是在酵母细胞中表达蛋白质的系统。酵母细胞生长速度快和培养条件简单的特点，同时还能够进行正确的蛋白质折叠和修饰。常用的酵母细胞包括酿酒酵母、酵母菌等。酵母表达系统通常使用真核表达载体进行表达，如pYES2、pPIC9等。该系统可以实现大量表达蛋白质，并且具有易于纯化和高度可控的优点。

4. 昆虫表达系统

昆虫表达系统是一种常用的外源蛋白质表达系统，其宿主细胞为昆虫细胞。昆虫表达系统具有许多优点，如高表达水平、易于培养、简单易行的传代方法以及较高的翻译后修饰水平等。这些特性使得昆虫表达系统成为制备高质量重组蛋白质的优选方法之一。

常用的昆虫表达系统包括杆状病毒表达系统、多角体病毒表达系统。

（1）杆状病毒表达系统

杆状病毒表达系统使用杆状病毒作为宿主细胞，能够高效地表达外源蛋白质。该系统最大的优点是能够实现高表达水平，并且可以在短时间内表达大量的蛋白质。此外，该系统能够实现高水平的翻译后修饰，例如糖基化、磷酸化、乙酰化等。此外，杆状病毒表达系统还能够表达具有复杂结构的蛋白质，例如膜蛋白和糖蛋白等。

（2）多角体病毒表达系统

多角体病毒表达系统使用多角体病毒作为宿主细胞，该系统的优点是可以表达大量的蛋白质。多角体病毒表达系统可以通过原核表达来表达大量的外源蛋白质，同时还可以表达多种蛋白质，例如重组抗体、生物活性蛋白和膜蛋白等。

PART.3

总结

总的来说，蛋白质表达系统的分类涉及到多个方面，包括表达载体、宿主细胞、表达方式、表达效率和纯化方法等。在选择合适的表达系统时，需要考虑目标蛋白质的性质、产量要求、表达方式、纯化要求和成本等因素。基因工程技术可以提高蛋白质表达效率和产量，从而满足不同应用场景的需求。随着生命科学和医学的发展，越来越多的新药和新治疗方法需要蛋白质作为靶点或药物。因此，蛋白质表达系统的研究和开发具有重要意义，可以推动新药研发和治疗方法的创新。未来，随着新技术的不断涌现，蛋白质表达系统的分类和研究也将不断发展和完善，为基础研究和应用研究提供更多的选择和可能性。

PART.4

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