重组蛋白的表达系统(详细版)
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• 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子以便于目的基因的 高效表达。
重组蛋白的表达系统(详细版)
• 融合标签：
• 融合标签是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。
• 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。
• 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。
重组蛋白的表达系统，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。
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图1：大肠杆菌表达质粒pET-22b(+)图谱及多克隆位点
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• 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。
重组蛋白表达系统
• 1.原核表达系统 • 2.酵母表达系统 • 3.昆虫细胞表达系统 • 4.哺乳动物细胞表达系统 • 5.转基因植物表达系统 • 6.转基因动物表达系统 • 7.表达系统的选择
重组蛋白的表达系统(详细版)
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。
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• 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720bp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。
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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。
• 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。
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表2 常用E. coli表达菌株
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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)。
• 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15-30%。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。
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• 融合标签：
• 融合标签是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。
• 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。
• 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。
重组蛋白的表达系统，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。
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图1：大肠杆菌表达质粒pET-22b(+)图谱及多克隆位点
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• 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。
重组蛋白表达系统
• 1.原核表达系统 • 2.酵母表达系统 • 3.昆虫细胞表达系统 • 4.哺乳动物细胞表达系统 • 5.转基因植物表达系统 • 6.转基因动物表达系统 • 7.表达系统的选择
重组蛋白的表达系统(详细版)
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。
重组蛋白的表达系统(详细版)
• 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720bp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。
重组蛋白的表达系统(详细版)
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。
• 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。
重组蛋白的表达系统(详细版)
表2 常用E. coli表达菌株
重组蛋白的表达系统(详细版)
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)。
• 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15-30%。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。