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蛋白纯化丨四大蛋白表达系统全解析

舒桐科技

2024-05-21

导读：珠海舒桐可提供从密码子优化、载体构建到重组蛋白表达及纯化的大肠杆菌蛋白纯化服务

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重组蛋白表达技术建立于20世纪70年代初，通过载体将目的基因导入宿主细胞，借助宿主的蛋白生产机制生产目标蛋白。现如今，诸多科研工作者使用大肠杆菌、酵母、昆虫、哺乳动物等原核或真核细胞作为宿主细胞，通过多样的载体表达系统，为现代蛋白质生物化学研究奠定了坚实的基础。

原核表达系统：大肠杆菌的神奇工厂

原核表达系统，尤其是以大肠杆菌（Escherichia coli， E. coli）为代表的系统，是最早也是最经济的蛋白质生产方式。大肠杆菌表达系统是最早开发且应用最广泛的原核细胞表达系统之一。它被广泛用于分子生物学和生物技术研究，包括基因克隆、蛋白质表达和生产，以及作为研究蛋白质功能的工具。以下是大肠杆菌表达系统的几个关键特点：

（1）快速生长：大肠杆菌能在短至20分钟的时间内完成细胞分裂，实现快速繁殖；

（2）低成本：培养基简单，成本低廉；

（3）高表达量：可以产生高水平的重组蛋白；

（4）缺乏复杂修饰：不进行复杂的翻译后修饰，如糖基化，可能需要后续的蛋白复性。

应用：适用于结构简单、后修饰要求不高的蛋白表达。

优势：遗传背景清楚、成本低、表达量高、稳定性好、抗污染能力强。

局限：表达的蛋白质可能形成包涵体，需要额外的复性步骤。

真核表达系统

真核细胞蛋白表达系统是利用真核生物（如酵母、昆虫和哺乳动物细胞）来生产重组蛋白的平台。这些系统能够进行复杂的翻译后修饰，这对于许多蛋白质的生物学功能至关重要。

1、酵母蛋白表达系统：真核功能的早期模型

酵母蛋白表达系统是一种利用酵母细胞作为宿主来生产重组蛋白的技术平台。酵母细胞是一种单细胞的真核微生物，具有许多适合蛋白质生产的有利特性，尤其是甲醇酵母，因其兼具原核和真核特性而受到青睐。甲醇酵母是一类能够利用甲醇作为唯一碳源和能源的酵母菌，其中毕赤酵母（Pichia pastoris）因其独特的甲醇利用能力和高效的外源基因表达能力，已成为蛋白质表达和生物制药领域中的一个重要的宿主菌。以下是几种常见的酵母表达系统及其特点：

（1）真核特性：具备一些真核细胞的翻译后修饰能力；

（2）表达量：可以达到较高水平；

（3）稳定性：可以分泌至培养基中，便于纯化。

应用：适用于需要一定程度翻译后修饰的蛋白质。

优势：表达量高，可诱导，糖基化机制接近高等真核生物。

局限：部分蛋白产物易降解，表达量不可控。

2、昆虫杆状病毒表达系统：杆状病毒的巧妙应用

昆虫细胞表达系统（Insect Cell Expression System, ICES）是一种基于昆虫细胞（通常是刺蛾科昆虫的卵巢细胞，如草地夜蛾Spodoptera frugiperda）的生物技术工具，用于生产重组蛋白和病毒载体。这一系统利用杆状病毒（Baculo virus）作为外源基因的载体，能够在真核细胞中进行复杂的翻译后修饰。具有以下特点：

（1）翻译后修饰：具有真核细胞的翻译后修饰加工能力；

（2）高表达量：外源基因表达量可达昆虫细胞蛋白总量的50%；

（3）安全性：对脊椎动物安全。

应用：适合于需要复杂糖基化和其他翻译后修饰的蛋白质。

优势：组蛋白具有完整的生物学功能，如蛋白的正确折叠、二硫键的搭配。

局限：外源蛋白表达受极晚期病毒启动子调控，可能伴随细胞死亡。

3、哺乳动物细胞表达系统：最接近自然的表达

哺乳动物细胞表达系统是一种在哺乳动物细胞中生产重组蛋白的技术平台，能够提供与人体内环境极为相似的翻译后修饰，因此产生的蛋白质在活性上更接近天然蛋白。这些系统能够提供与天然蛋白质非常相似的翻译后修饰，如糖基化、磷酸化和蛋白质折叠等，这对于许多生物药物和复杂蛋白的功能至关重要。以下是哺乳动物细胞表达系统的几个关键特点：

（1）复杂修饰：能够进行复杂的翻译后修饰，如糖基化。

（2）表达水平：表达水平从低到中等，取决于所选用的细胞系和载体。

（3）成本：相对较高，操作技术要求高。

应用：适合表达对翻译后修饰要求严格的蛋白，如某些治疗性蛋白。

优势：表达的重组蛋白接近人源构象，适合研究某些特定蛋白功能。

局限：表达量相对较低，成本较高，有时可能导致病毒感染。

每种系统的选择都取决于目标蛋白的特性、所需的蛋白质产量和质量、以及实验的具体需求。例如，对于结构简单、不需要复杂修饰的蛋白，原核表达系统可能是成本效益较高的选择。而对于需要特定修饰的蛋白质，酵母或哺乳动物细胞表达系统则更为合适。昆虫细胞表达系统则适用于那些需要在真核细胞环境中进行复杂翻译后修饰的蛋白质。

珠海舒桐可提供从密码子优化、载体构建到重组蛋白表达及纯化的大肠杆菌蛋白纯化服务，可以根据客户需求，选用不同表达标签、表达宿主，实现蛋白纯化的一条龙服务。如有需求，欢迎咨询！

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关于舒桐

珠海舒桐医疗科技有限公司是一家以基因编辑为核心技术的生物医药企业，总部位于粤澳深度合作区——横琴新区，下设鼓润（武汉）医疗科技有限公司、广州舒桐医疗科技有限公司和杭州舒桐生物科技有限公司等全资子公司。公司为国家高新技术企业，拥有博士后工作站和多个博士后团队，已申请专利40余项，承担多项国家科技重大专项。公司致力于通过创新技术为多种疾病尤其肿瘤开展新药研发，提供基因靶向治疗方案。同时公司搭建了一站式基因编辑平台、分子诊断平台和科技服务平台，可提供从靶点筛选、基因编辑有效性检测到安全性评估的全流程解决方案；具备先进的CGT原料规模化生产能力，可为科研机构及生物医药企业提供安全高效的一站式服务和原料供应。舒桐医疗坚持以“创新、敬业、融合、开放”为核心价值观，致力于利用基因治疗技术造福人类健康，让生命更美好。