重组蛋白质表达、复性与纯化.ppt
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为什么要 • HA-tag (YPYDVPDYA)
• Flag-tag (DYKDDDDK)
加 tag ? • Myc-tag (EQKLISEEDL)
有前景的特殊用途的tag
• Biotinylation-tag
100多AA的结构域, 在大肠杆菌中被识别为生 物素化的位点. Promega的PinPointTM Xa-1; Invitrogen的pET104-DEST. • 未命名 DVEAWLGAR, 被用来和streptoavidin结合 (个人通讯)
在大肠杆菌中表达 重组蛋白质
• 如果目的蛋白质有二硫键并需要 正确的立体结构, 尽可能进行可 溶性表达;
• 如果目的蛋白质没有二硫键或只 用来制备抗血清, 采用包含体表达 比较好;
• 如果目的多肽的分子量小于 10 kDa, 一定要进行融合表达
大肠杆菌表达载体分类
按蛋白质类型分
• 单纯表达: pJLA系列, 用NcoI/NdeI导入AUG的载体 • 融合表达: 融合各种tag, GST, CBD, MAL, GFP, etc • 分泌表达: pel/ompT分泌肽
• 质粒不稳定，尚无商品化的表达 载体
其他
•乳酸菌 (Lactic acid bacteria) •沙门氏菌 (Salmonella typhimurium) •苏云金杆菌
(Bacillus thuringiensis)
真核细胞表达体系
酵母细胞 昆虫细胞 植物细胞/组织 哺乳动物细胞/组织
酵母细胞
两种主要的分子伴侣
Type I: chaperones which are functionally responsible for the correct folding, assembly and transport of newly synthesized peptide– HSP family,GroELS,ect.
昆虫细胞
• 可以病毒感染的型式在成虫中生产， 也可在体外培养细胞中生产蛋白;
• 适合分泌型和膜蛋白的表达，有加 糖修饰；
• 糖链有所区别，表达量有限； • 作为药物宿主细胞未被FDA认可
CHO细胞
• 可进行分泌表达，有天然 立体结构，加糖方式与人 体蛋白质完全一致；
• 表达量不够高，培养成本 较高
（ peptidyl-prolyl cis-
trans isomerase), etc
人PDI的结构特征
PDI 作用机理
Folding assistant/chaperone
PDI has been shown to catalyze reactivation of non-native proteins without disulfide bonds. This function is independent from the redox/isomerase function, as it has been shown to exist in vitro with several model substrates that do not contain disulfides in their native structure.
重要的原核表达质粒提供商
• Novagen • Stratagene • Invitrogen • BioLabs • Qiagen • Pharmacia • Promega • Clontech • Roche • Gibco/BRL
The protein folding Problem
How to get to the bottom of the funnel? And,what is at the bottom?
重组蛋白质的 表达、复性与纯化
为什么要重组基因表达？
1. 蛋白质功能研究 2. 生物制药和疫苗生产 3. 疾病的基因治疗 4. 食品、化工用酶制剂 5. 抗虫、抗逆植物改良 6. 细胞代谢产物的富集
•基因表达体系及优劣势 •大肠杆菌表达体系 •蛋白质的复性 •工作中经常碰到的问题
基因表达体系
1. 原核体系 2. 真核体系
• 亲和层析复性法, 水相二相法, etc
分子伴侣
(Molecular Chaperone)
A molecular chaperone is able to transiently bind and thus stabilize an unstable conformation of another protein, thereby facilitating correct folding by preventing misfolding and aggregation.
按启动子分
• lac及衍生的tac , trc, pac, rac等启动子 IPTG诱导
• lamda phage PL和PR 启动子 • T7 启动子
热诱导 IPTG诱导
• T5 启动子
IPTG诱导
• ara启动子
阿拉伯糖诱导
Байду номын сангаас
常用表达载体
• pJLA50X系列; pcDNAII; etc
• pET系列
各种融合蛋白表达载体
• Protein A • GST（glutathione S-transferase） • CBD (chitin-binding domain, BioLabs;
cellulose-binding domain, Novagen) calmodulin-binding domain, Stratagene) • MBP (maltose-binding protein) • GFP (green fluorescence protein) • Thioredoxin **帮助二硫键形成 • Dsb (periplasma enzyme DsbA, DsbC) ** 二硫键的形成与 • SUMO (small ubiquitin-related modifier) • KSI (ketosteroid isomerase) 基本上全部沉淀 可用亲和层析纯化 帮助可溶化 帮助分泌到周质
包含体蛋白质的复性方法
• 透析法: 简单; 但费时, 费缓冲液, 蛋白质 量少，浓度不能过高(容易产生沉淀)
• 快速稀释法: 最常用的小规模复性方法; 但比较费时,费缓冲液, 蛋白质的浓度不能 高(容易产生沉淀)
• 超滤透析法: 比较省缓冲液, 处理量大; 但费时, 要控制好蛋白质浓度
• 凝胶过滤法: 快速, 可重复性高, 不会产生 沉淀, 操作复杂一点
大肠杆菌 (Escherichia coli)
• 遗传背景清楚，基因工程操 作方便，商品化表达载体种 类齐全，表达效率高；
• 基本不分泌，易形成包含体 (无正确折叠的立体结构)，无 加糖等修饰
枯草杆菌 (Bacillus subtilis)
• 分泌蛋白质能力强，一般有天然 立体结构；
• 无加糖修饰功能，培养液中蛋白 酶活性高，重组蛋白易受蛋白酶 的水解；
• BL21TrxB(DE3) : thioredoxin reductase 突变
• Origami : thioredoxin reductase/glutathione reductase 双突变 适合带thioredoxin reductase的 融合表达载体, 帮助形成更多的二硫键
• BR21CodonPlusRIL: 富含AT的真核生物基因的表达 • BR21CodonPlusRP: 富含GC的真核生物基因的表达
(pET12/20/22)
• 采用带MBD融合 (pMAL载体, Biolabs) • 采用带SUMO融合
(pET SUMO, Invitrogen)
纯化方便: 先用 EDTA/蔗糖 溶液处理, 然后 5 mM MgSO4 洗出
各种用于抗体识别的标记
• His-tag (6-8 Histidine) • T7-tag (MASMTGGQQMG) • HSV-tag (QPELAPEDPED) • S-tag (KETAAKFERQHMDS) • VSV-G-tag (TTDIEMNRLGK)
• 可生产分泌型蛋白；有天然立体结构， 有加糖修饰功能；可进行染色体整合型 基因表达;
• 糖链与哺乳动物加工的不一致，培养上 清多糖浓度高;
• 商品化表达体系：
酿酒酵母（Saccharomyce cerevisiae）;
毕氏酵母 (Pichia pastoris);
裂殖酵母（Schizosaccharomyce pombe）
• 未命名
一些病毒外壳蛋白的片段, 破坏细胞膜的结构导 致容易进入细胞
融合蛋白的专一性切割
• DTT:
intein的↓Cys
• 溴化氰:
Met↓
• Thrombin:
LVPR↓GS
• Factor Xa:
IEGR↓
• Enterokinase: DDDDK↓
• PreScissionTM protease:
LEVLFQ↓GP
• Genenase I TM PGAAHY↓
• TEV protease: ENLYFQ ↓ G
特殊的表达用菌株
• BL21(DE3)/pLysS : 自身表达T7 RNA polymerase 适用pET系列等带T7启动子的载体
• M15/SG13009 : 自身表达T5 RNA polymerase 适用pQE系列等带T5启动子的载体
让表达产物可溶化
• 采用MBD融合 • 采用GST融合 • 采用CBD融合 • 采用thioredoxin融合 • 采用Origami等宿主菌 • 降低菌体培养的速度
温度 (15-30℃), 降低转速
让蛋白质分泌到间质去
• 采用CBD融合 (pET36/37) • 采用Dsb融合 (pET39/40) • 采用带pelB/ompT引导肽的载体
单抗生产: 杂交瘤细胞 工业酶生产: 各种微生物
有可能以后能做到的事
• 在大肠杆菌中直接生产有活性的胰岛素 • 在大肠杆菌中生产人凝血IX因子 • 在大肠杆菌生产Calcitonin类C端酰胺化短肽 • 在大肠杆菌中进行蛋白质的糖基化修饰 • 在酵母中进行与哺乳动物细胞一致的糖基化 • 在鸡输卵管中进行与哺乳动物细胞一致的糖基化 • 提高乳腺分泌表达的Factor IX类因子的活性 • 在植物中得到与哺乳动物细胞一致的糖基化
植物组织
• 植物可大面积种植，可以廉 价大规模生产；
• 转基因植物制作费时，表达 的组织特异性较难控制；
• 表达量较难提高，分离纯化 不方便
动物乳腺组织
• 分泌生产有天然立体结构和 活性的蛋白质至乳汁，产量 高，分离纯化方便，特别适 合药用蛋白的生产；
• 转基因动物制作花费巨大， 实验周期长
鸟类输卵管组织
Type II: chaperones with enzymatic
properties accountable for
acceleration of rate limiting
steps of protein folding– PDI
, PPI （protein disulfide isomerase）
• 分泌生产有天然立体结构的 蛋白质到蛋清，产量高，容 易贮存和运输，分离纯化方 便；
• 实验成本低，饲养费用低； • 加糖方式可能与人有所不同
体系选择
研究基因功能: 大肠杆菌, 裂殖酵母,昆虫细胞, CHO细胞
多肽药物生产: 大肠杆菌, 毕氏酵母, CHO细胞, 乳腺组织
疫苗: 大肠杆菌, 酵母, 大多数沿用细胞培养产物进行灭毒
(T7 promoter, Novagen公司)
• pQE系列 (T5 promoter, Qiagen公司)
• pMAL系列 (周质表达, BioLabs公司)
• pGEX系列 (GST融合表达, Pharmacia公司)
• pBAD系列 (Arabinose诱导型)
•pTYB系列 (CBD融合, 可以自我切割, BioLabs)
Timed addition of PDI to refolding Fab/red.
Marcus Mayer et al., BiP and PDI Cooperate in the Oxidative Folding of Antibodies in Vitro, JBC Vol. 275, No. 38, 2000
• Flag-tag (DYKDDDDK)
加 tag ? • Myc-tag (EQKLISEEDL)
有前景的特殊用途的tag
• Biotinylation-tag
100多AA的结构域, 在大肠杆菌中被识别为生 物素化的位点. Promega的PinPointTM Xa-1; Invitrogen的pET104-DEST. • 未命名 DVEAWLGAR, 被用来和streptoavidin结合 (个人通讯)
在大肠杆菌中表达 重组蛋白质
• 如果目的蛋白质有二硫键并需要 正确的立体结构, 尽可能进行可 溶性表达;
• 如果目的蛋白质没有二硫键或只 用来制备抗血清, 采用包含体表达 比较好;
• 如果目的多肽的分子量小于 10 kDa, 一定要进行融合表达
大肠杆菌表达载体分类
按蛋白质类型分
• 单纯表达: pJLA系列, 用NcoI/NdeI导入AUG的载体 • 融合表达: 融合各种tag, GST, CBD, MAL, GFP, etc • 分泌表达: pel/ompT分泌肽
• 质粒不稳定，尚无商品化的表达 载体
其他
•乳酸菌 (Lactic acid bacteria) •沙门氏菌 (Salmonella typhimurium) •苏云金杆菌
(Bacillus thuringiensis)
真核细胞表达体系
酵母细胞 昆虫细胞 植物细胞/组织 哺乳动物细胞/组织
酵母细胞
两种主要的分子伴侣
Type I: chaperones which are functionally responsible for the correct folding, assembly and transport of newly synthesized peptide– HSP family,GroELS,ect.
昆虫细胞
• 可以病毒感染的型式在成虫中生产， 也可在体外培养细胞中生产蛋白;
• 适合分泌型和膜蛋白的表达，有加 糖修饰；
• 糖链有所区别，表达量有限； • 作为药物宿主细胞未被FDA认可
CHO细胞
• 可进行分泌表达，有天然 立体结构，加糖方式与人 体蛋白质完全一致；
• 表达量不够高，培养成本 较高
（ peptidyl-prolyl cis-
trans isomerase), etc
人PDI的结构特征
PDI 作用机理
Folding assistant/chaperone
PDI has been shown to catalyze reactivation of non-native proteins without disulfide bonds. This function is independent from the redox/isomerase function, as it has been shown to exist in vitro with several model substrates that do not contain disulfides in their native structure.
重要的原核表达质粒提供商
• Novagen • Stratagene • Invitrogen • BioLabs • Qiagen • Pharmacia • Promega • Clontech • Roche • Gibco/BRL
The protein folding Problem
How to get to the bottom of the funnel? And,what is at the bottom?
重组蛋白质的 表达、复性与纯化
为什么要重组基因表达？
1. 蛋白质功能研究 2. 生物制药和疫苗生产 3. 疾病的基因治疗 4. 食品、化工用酶制剂 5. 抗虫、抗逆植物改良 6. 细胞代谢产物的富集
•基因表达体系及优劣势 •大肠杆菌表达体系 •蛋白质的复性 •工作中经常碰到的问题
基因表达体系
1. 原核体系 2. 真核体系
• 亲和层析复性法, 水相二相法, etc
分子伴侣
(Molecular Chaperone)
A molecular chaperone is able to transiently bind and thus stabilize an unstable conformation of another protein, thereby facilitating correct folding by preventing misfolding and aggregation.
按启动子分
• lac及衍生的tac , trc, pac, rac等启动子 IPTG诱导
• lamda phage PL和PR 启动子 • T7 启动子
热诱导 IPTG诱导
• T5 启动子
IPTG诱导
• ara启动子
阿拉伯糖诱导
Байду номын сангаас
常用表达载体
• pJLA50X系列; pcDNAII; etc
• pET系列
各种融合蛋白表达载体
• Protein A • GST（glutathione S-transferase） • CBD (chitin-binding domain, BioLabs;
cellulose-binding domain, Novagen) calmodulin-binding domain, Stratagene) • MBP (maltose-binding protein) • GFP (green fluorescence protein) • Thioredoxin **帮助二硫键形成 • Dsb (periplasma enzyme DsbA, DsbC) ** 二硫键的形成与 • SUMO (small ubiquitin-related modifier) • KSI (ketosteroid isomerase) 基本上全部沉淀 可用亲和层析纯化 帮助可溶化 帮助分泌到周质
包含体蛋白质的复性方法
• 透析法: 简单; 但费时, 费缓冲液, 蛋白质 量少，浓度不能过高(容易产生沉淀)
• 快速稀释法: 最常用的小规模复性方法; 但比较费时,费缓冲液, 蛋白质的浓度不能 高(容易产生沉淀)
• 超滤透析法: 比较省缓冲液, 处理量大; 但费时, 要控制好蛋白质浓度
• 凝胶过滤法: 快速, 可重复性高, 不会产生 沉淀, 操作复杂一点
大肠杆菌 (Escherichia coli)
• 遗传背景清楚，基因工程操 作方便，商品化表达载体种 类齐全，表达效率高；
• 基本不分泌，易形成包含体 (无正确折叠的立体结构)，无 加糖等修饰
枯草杆菌 (Bacillus subtilis)
• 分泌蛋白质能力强，一般有天然 立体结构；
• 无加糖修饰功能，培养液中蛋白 酶活性高，重组蛋白易受蛋白酶 的水解；
• BL21TrxB(DE3) : thioredoxin reductase 突变
• Origami : thioredoxin reductase/glutathione reductase 双突变 适合带thioredoxin reductase的 融合表达载体, 帮助形成更多的二硫键
• BR21CodonPlusRIL: 富含AT的真核生物基因的表达 • BR21CodonPlusRP: 富含GC的真核生物基因的表达
(pET12/20/22)
• 采用带MBD融合 (pMAL载体, Biolabs) • 采用带SUMO融合
(pET SUMO, Invitrogen)
纯化方便: 先用 EDTA/蔗糖 溶液处理, 然后 5 mM MgSO4 洗出
各种用于抗体识别的标记
• His-tag (6-8 Histidine) • T7-tag (MASMTGGQQMG) • HSV-tag (QPELAPEDPED) • S-tag (KETAAKFERQHMDS) • VSV-G-tag (TTDIEMNRLGK)
• 可生产分泌型蛋白；有天然立体结构， 有加糖修饰功能；可进行染色体整合型 基因表达;
• 糖链与哺乳动物加工的不一致，培养上 清多糖浓度高;
• 商品化表达体系：
酿酒酵母（Saccharomyce cerevisiae）;
毕氏酵母 (Pichia pastoris);
裂殖酵母（Schizosaccharomyce pombe）
• 未命名
一些病毒外壳蛋白的片段, 破坏细胞膜的结构导 致容易进入细胞
融合蛋白的专一性切割
• DTT:
intein的↓Cys
• 溴化氰:
Met↓
• Thrombin:
LVPR↓GS
• Factor Xa:
IEGR↓
• Enterokinase: DDDDK↓
• PreScissionTM protease:
LEVLFQ↓GP
• Genenase I TM PGAAHY↓
• TEV protease: ENLYFQ ↓ G
特殊的表达用菌株
• BL21(DE3)/pLysS : 自身表达T7 RNA polymerase 适用pET系列等带T7启动子的载体
• M15/SG13009 : 自身表达T5 RNA polymerase 适用pQE系列等带T5启动子的载体
让表达产物可溶化
• 采用MBD融合 • 采用GST融合 • 采用CBD融合 • 采用thioredoxin融合 • 采用Origami等宿主菌 • 降低菌体培养的速度
温度 (15-30℃), 降低转速
让蛋白质分泌到间质去
• 采用CBD融合 (pET36/37) • 采用Dsb融合 (pET39/40) • 采用带pelB/ompT引导肽的载体
单抗生产: 杂交瘤细胞 工业酶生产: 各种微生物
有可能以后能做到的事
• 在大肠杆菌中直接生产有活性的胰岛素 • 在大肠杆菌中生产人凝血IX因子 • 在大肠杆菌生产Calcitonin类C端酰胺化短肽 • 在大肠杆菌中进行蛋白质的糖基化修饰 • 在酵母中进行与哺乳动物细胞一致的糖基化 • 在鸡输卵管中进行与哺乳动物细胞一致的糖基化 • 提高乳腺分泌表达的Factor IX类因子的活性 • 在植物中得到与哺乳动物细胞一致的糖基化
植物组织
• 植物可大面积种植，可以廉 价大规模生产；
• 转基因植物制作费时，表达 的组织特异性较难控制；
• 表达量较难提高，分离纯化 不方便
动物乳腺组织
• 分泌生产有天然立体结构和 活性的蛋白质至乳汁，产量 高，分离纯化方便，特别适 合药用蛋白的生产；
• 转基因动物制作花费巨大， 实验周期长
鸟类输卵管组织
Type II: chaperones with enzymatic
properties accountable for
acceleration of rate limiting
steps of protein folding– PDI
, PPI （protein disulfide isomerase）
• 分泌生产有天然立体结构的 蛋白质到蛋清，产量高，容 易贮存和运输，分离纯化方 便；
• 实验成本低，饲养费用低； • 加糖方式可能与人有所不同
体系选择
研究基因功能: 大肠杆菌, 裂殖酵母,昆虫细胞, CHO细胞
多肽药物生产: 大肠杆菌, 毕氏酵母, CHO细胞, 乳腺组织
疫苗: 大肠杆菌, 酵母, 大多数沿用细胞培养产物进行灭毒
(T7 promoter, Novagen公司)
• pQE系列 (T5 promoter, Qiagen公司)
• pMAL系列 (周质表达, BioLabs公司)
• pGEX系列 (GST融合表达, Pharmacia公司)
• pBAD系列 (Arabinose诱导型)
•pTYB系列 (CBD融合, 可以自我切割, BioLabs)
Timed addition of PDI to refolding Fab/red.
Marcus Mayer et al., BiP and PDI Cooperate in the Oxidative Folding of Antibodies in Vitro, JBC Vol. 275, No. 38, 2000