重组蛋白的表达系统详细版

启动子：
表达重组蛋白时，我们需要考虑启动子的强弱、作用方式、调 控方式和本底表达水平。表达载体通常选用强启动子以提高表 达量，但弱启动子也有其优点，如降低本底表达、增加可溶表 达、表达小量伴侣蛋白等。按照作用方式，启动子可以分为两 类：组成型表达的启动子使宿主不停地表达重组蛋白，常用于 工业生产，如σS等；诱导型表达的启动子使宿主仅在受到诱导 （诱导剂、温度等）时表达目的蛋白，诱导型启动子使重组蛋 白的表达容易控制，同时降低了外源蛋白对细菌生长的影响。
终止子：
转录终止子按照是否依赖和不依赖ρ因子的作用分为两类，这 两类终止子均在终止点前含有一段7-20bp的回文序列。终止子 可以保护mRNA在核外不被降解，显著延长mRNA的寿命，由此提 高重组蛋白的表达量。但是对于T7系统来说，由于T7 RNA聚合 酶效率极高，宿主中随时都有充足的mRNA以供翻译，因此大部 分在T7系统中表达的重组蛋白并不在意质粒上是否有终止子， 只有一些自身带有翻译起始信号的外源基因需要终止子。
PL、cspA启动子使宿主菌能够进行温度依赖型的表达。在温度敏感型突变体菌株中，PL等启 动子使得宿主在30℃时抑制重组蛋白表达，而在42 ℃时诱导重组蛋白表达；cspA启动子则 被高温（37℃）抑制，低温（10℃）启动。温度诱导型的启动子避免了诱导剂的引入，降低 了使用成本，同时也降低了诱导剂对细胞的伤害。
启动子受细胞类型的限制，在不同的细胞系中有很大不同，因 此需根据宿主细胞（尤其是真核宿主）的类型选择不同的启动 与目的蛋白共表达的一段多肽，方便重组蛋白的纯化、固定和检测，表3给出了常用的重组标签。如果不需要对重组蛋白进行纯化， 尽量不要引入融合标签，以免影响蛋白性质；如果重组蛋白本身能够结合某种亲和柱，如某些金属结合蛋白可以结合Ni-NTA，某些糖结合蛋 白能够特异识别糖类，也不必引入标签。
表2 常用E. coli表达菌株
1.2 质粒载体
大肠杆菌表达系统采用质粒为表达载体，质粒上的重要元件包括复制 子，启动子，终止子，多克隆位点，信号肽，融合标签，筛选标记等 （图1）。原核表达载体已经发展得比较完善，有多种质粒可供选择 (表4)。
复制子： 复制子决定着质粒载体在宿主中的拷贝数。通常情况下质粒拷贝数越
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一、 原核表达系统
原核表达系统发展完善、流程简单快速、成本低、产量 高，对大部分蛋白来说都值得一试，尤其适宜于表达原 核来源的以及不需要翻译后修饰的真核蛋白。
1.1 表达菌株
原核表达系统刚用的宿主菌有 E. coli，Bacillus等。其中革兰式阳性的 Bacillus更适宜在其周质空间分泌表达重组蛋白；革兰氏阴性的E. coli能够 广谱表达异源蛋白。
高，重组蛋白的表达量就越高，但是高拷贝的质粒也会严重影响宿主 的生长，质粒本身也不稳定，容易丢失和突变。克隆载体常采用拷贝 数低、严谨复制的复制子，如pSC101；表达载体通常选用高拷贝的复 制子，如pCoE1，pMBI（pUC），等。如果需要进行多个质粒的共转化， 就 要 根 据 复 制 子 的 相 容 性 选 用 不 同 复 制 系 统 的 复 制 子 ， 如 pSC101 和 pUC共表达。
融合标签的引入能够大大简化重组蛋白的纯化流程，并提高蛋白溶解度。商业化表达质粒，如pET、pGEX等提供了各种纯化标签和融合蛋白供 选，应根据蛋白具体情况进行选择。
His-tag是最常用的纯化标签，它具有很多优点：标签较短（10-20个氨基酸残基），不带电（pH8.0），免疫原性差，通常不影响重组蛋白的 结构和功能，Ni2+亲和力高，能够通过一步纯化达到60%-90%的纯度。
大肠杆菌表达系统是目前发展最完善的重组蛋白表达系统。常用大肠杆菌菌株 有BL21（DE3）、BL21（DE3）Star、B834（DE3）等，这些菌株都敲除了蛋白 酶，并溶源了噬菌体DE3。DE3是的一种衍生λ噬菌体，带有噬菌体21抗性区和 lacI基因，lacUV5启动子，以及 T7 RNA聚合酶基因。这一区段被插入int基因， 因此阻止了DE3在没有辅助噬菌体时整合到染色体上或从染色体切出。一旦形 成DE3溶原状态，就只有受IPTG诱导的lacUV5启动子指导T7 RNA聚合酶基因转 录，在溶原培养体系中加入IPTG诱导T7 RNA聚合酶生产，继而质粒上的目的 DNA开始转录。同时，还有一些特殊设计的菌株以表达有特殊需要的重组蛋白， 如甲硫氨酸营养缺陷型表达硒代甲硫氨酸蛋白，溶解性增强的菌株表达毒性蛋 白，补充了稀有密码子的菌株表达真核蛋白等，表2给出了常用的大肠杆菌表 达菌株。
图1：大肠杆菌表达质粒pET-22b(+)图谱及多克隆位点
早期大肠杆菌表达体系中，常见的启动子是lac和lacUV5。lac是一个弱启动子，很难使外源 基因得到高表达。目前使用的含有需要小量共表达的蛋白(如分子伴侣，蛋白抑制剂等)的载 体，有很多都采用了经典的lac启动子。
强启动子中，tac和trc是lac启动子的变体，其重组蛋白产率能够达到细胞总蛋白量的1530%。araBAD启动子的诱导剂是便宜无毒的L-阿拉伯糖，本底表达量低，启动能力比tac稍弱。 T7则是目前原核表达系统中最高效的启动子，pET表达系统即是以它为中心构建的。T7启动 子来源于λ噬菌体，专一与T7启动子结合的T7 RNA聚合酶则被整合在宿主菌的基因组中。在 λ噬菌体溶源的表达宿主菌，如BL21（DE3）中，lacI抑制T7 RNA聚合酶的表达，IPTG的加 入可以解除这种抑制。当受到诱导时，T7 RNA聚合酶开始表达并结合在T7启动子上，启动重 组蛋白的表达。T7 RNA聚合酶活性很高，转录速度比大肠杆菌RNA聚合酶快5倍，使其下游的 重组蛋白得到高效表达，其产率可以达到细菌总蛋白量的50%以上。T7lac启动子则在T7启动 子下游加入了一个lac操纵子，其中带有一个常规启动子和lac阻遏蛋白的编码序列。lac阻 遏蛋白可以抑制宿主合成T7 RNA聚合酶，并阻断T7 RNA聚合酶导致的目的基因转录，从而降 低重组蛋白的本底表达水平。