在微生物內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)是生物科技中的核心技術(shù)。然而，每種蛋白質(zhì)都具有其*的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，比如二硫鍵（disulfide bonds）數(shù)量，是否存在疏水區(qū)域 (hydrophobic regions)，是否存在跨膜區(qū)域 (transmembrane domains)，是否具有糖基化 (glycosylations) 等翻譯后修飾過程等， 所有的這些性質(zhì)都可能決定著蛋白質(zhì)表達(dá)過程的難易。在與目的蛋白質(zhì)來源相似的宿主內(nèi)表達(dá)蛋白質(zhì)要相對(duì)容易些。然而，大多時(shí)候，我們需要在與蛋白質(zhì)來源不同的宿主內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)的表達(dá)，比如在原核細(xì)胞內(nèi)表達(dá)真核生物的蛋白質(zhì)，這通常是具有挑戰(zhàn)性的。在這里，小編與大家分享幾個(gè)有助于跨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)表達(dá)的工具。

1. 密碼子優(yōu)化

為了理解密碼子優(yōu)化(codon optimization)的重要性，我們需要首先知道什么是密碼子優(yōu)化。簡(jiǎn)單來講，就是在我們構(gòu)建的載體內(nèi)引入宿主系統(tǒng)tRNA更愿意讀取的密碼子，這樣能夠更容易將其翻譯成氨基酸，這會(huì)提高翻譯速度，提高蛋白質(zhì)表達(dá)的效率。沒錯(cuò)，我這里用了“更愿意”這樣一個(gè)主觀性很強(qiáng)的詞。實(shí)際中確實(shí)是這樣的，生物系統(tǒng)是具有密碼子偏好性的，不論真核生物還是原核生物，每種生物都會(huì)表現(xiàn)出某種程度的密碼子利用的差異和偏愛。這是因?yàn)椴煌锵到y(tǒng)對(duì)于特定的密碼子具有不同數(shù)量的可利用的tRNAs，并且每一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)于每一個(gè)密碼子，都有特定數(shù)量的tRNAs。所以，如果tRNAs與密碼子數(shù)量的比例不正確，就會(huì)阻礙蛋白質(zhì)的表達(dá)。因此，在進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)前，需要根據(jù)表達(dá)系統(tǒng)，對(duì)目的基因進(jìn)行密碼子優(yōu)化，使用宿主系統(tǒng)內(nèi)存在的tRNAs更偏好的密碼子。

2. 純化標(biāo)簽

當(dāng)我們?cè)谖⑸飪?nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)的表達(dá)時(shí)，后通常都是要對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行純化的。當(dāng)然，如果你只是為了應(yīng)用全細(xì)胞提取物或者裂解提取物，可以不用考慮蛋白質(zhì)的純化問題。為了實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的純化，我們必須為蛋白質(zhì)加上純化標(biāo)簽。目前很多純化標(biāo)簽已經(jīng)被系統(tǒng)研究并應(yīng)用于實(shí)踐了，常用的純化標(biāo)簽包括His tag， Strep-II tag， GST， Flat-Tag等。有關(guān)蛋白質(zhì)的純化標(biāo)簽，大家可以點(diǎn)擊鏈接，查看BioEngX歷史文章。

3. 分子伴侶與折疊酶

表達(dá)一個(gè)困難的基因就像砸碎一個(gè)硬堅(jiān)果，有時(shí)候你需要借助外力。為了獲得一個(gè)有用的蛋白，很重要的一點(diǎn)就是保證蛋白質(zhì)正確折疊。細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm）的環(huán)境還原性(reducing)的，這不利于二硫鍵的正確形成，因此會(huì)影響蛋白質(zhì)的折疊。為了輔助蛋白質(zhì)正確的折疊，防止形成不可溶的包涵體，我們需要表達(dá)分子伴侶(chaperones)和折疊酶(foldases)的輔助載體。一些常見的分子伴侶和折疊酶包括DsbA/C, Skp, FkpA, GroEL/ES, DnaK/J/GrpE等。我們可以根據(jù)蛋白質(zhì)的表達(dá)位置，選擇細(xì)胞質(zhì)（cytoplasmic）內(nèi)分子伴侶或者細(xì)胞間質(zhì)（periplasmic）分子伴侶。另外一些標(biāo)簽也能夠輔助蛋白質(zhì)的折疊，比如麥芽糖結(jié)合蛋白（maltose binding protein, MBP）。MBP是一個(gè)42.5 KDa的蛋白質(zhì)，能夠與目的蛋白質(zhì)融合表達(dá)，不僅能夠增加蛋白質(zhì)的可溶性，還能夠輔助蛋白質(zhì)折疊。MBP的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠與交聯(lián)淀粉柱（amylose column）結(jié)合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白的純化。

4. 蛋白質(zhì)表達(dá)位置

在實(shí)驗(yàn)之前，我們需要考慮蛋白質(zhì)在哪里表達(dá)，是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)（cytoplasm），細(xì)胞間質(zhì)（periplasm）還是細(xì)胞外(extracellular)分泌表達(dá)。如果一個(gè)蛋白質(zhì)內(nèi)包含有二硫鍵，我們?cè)诩?xì)胞間質(zhì)的氧化環(huán)境內(nèi)令其表達(dá)。氧化環(huán)境能夠幫助蛋白質(zhì)形成正確的二硫鍵從而獲得正確的結(jié)構(gòu)。如果想要蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)特定的位置表達(dá)或分泌到細(xì)胞外，需在蛋白質(zhì)的N端添加信號(hào)肽（signal sequence）。在信號(hào)肽的幫助下，蛋白質(zhì)能夠轉(zhuǎn)移到特定的位置。例如，來自果膠桿菌（Pectobacterium carotovorum）內(nèi)的PelB信號(hào)肽能夠引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入到革蘭氏陰性菌（gram-negative）的細(xì)胞間質(zhì)中。再比如，來自變鉛青鏈霉菌（Streptomyces lividans）內(nèi)的信號(hào)肽能夠?qū)⑹沟鞍踪|(zhì)分泌表達(dá)到培養(yǎng)基之中。

5. 蛋白質(zhì)表達(dá)通路

蛋白質(zhì)分泌表達(dá)具有很多的優(yōu)勢(shì)。一方面分泌表達(dá)蛋白質(zhì)能夠減少對(duì)宿主菌的毒性和代謝負(fù)擔(dān)，使菌適應(yīng)性增加；另一方面周質(zhì)空間和胞外培養(yǎng)基中宿主菌蛋白含量很低，有利于目的蛋白的純化。不同的表達(dá)途徑對(duì)蛋白質(zhì)的折疊效率有很大的影響。革蘭氏陰性菌共分為5種天然分泌系統(tǒng)，即I型，II型，III型，IV型和V型。 E.coli 主要通過I型和II型系統(tǒng)分泌表達(dá)蛋白質(zhì)。Ⅰ型分泌系統(tǒng)通過α-溶血素途徑直接介導(dǎo)胞外分泌，組成元件簡(jiǎn)單，外源重組蛋白與HlyAC-端結(jié)合后，再與HlyB/HlyD形成復(fù)合物，由ATP水解提供能量，通過TolC通路實(shí)現(xiàn)胞外分泌。通過該系統(tǒng)分泌出胞外的蛋白C端仍然帶有一段信號(hào)序列，需要在體外進(jìn)行剪切;此外該系統(tǒng)中的一些共表達(dá)部件對(duì)目的蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)有競(jìng)爭(zhēng)作用，重組蛋白表達(dá)量很低。Ⅱ型分泌系統(tǒng)先介導(dǎo)細(xì)胞周質(zhì)分泌，再經(jīng)過MTB(main terminal branch)機(jī)制實(shí)現(xiàn)胞外分泌。分泌蛋白利用以下三種途徑透過細(xì)胞質(zhì)膜: Sec (secretion)通路、信號(hào)識(shí)別顆粒(signal recognition particle, SRP)通路或雙精氨酸轉(zhuǎn)移(twin arginine translocation, TAT)通路。三種通路有所不同，Sec通路將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到周質(zhì)空間后蛋白質(zhì)進(jìn)行折疊，TAT通路卻是將折疊后的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞周質(zhì)，而SRP途徑允許蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行折疊與轉(zhuǎn)移的過程[1]。由于Ecoli跨越內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)裝置不完善，蛋白輸出能力不夠,蛋白酶降解等原因?qū)е路置谛实?，胞外分泌量往往達(dá)不到實(shí)驗(yàn)或工業(yè)生產(chǎn)的要求，目前大腸桿菌的分泌主要是指重組蛋白通過Ⅰ或Ⅱ型系統(tǒng)透過胞質(zhì)膜分泌至周質(zhì)腔[2]。

6. 表達(dá)菌株

不同的大腸桿菌菌株在培養(yǎng)條件和外源基因表達(dá)能力上存在著很大差別，因此不同宿主菌的選擇對(duì)表達(dá)產(chǎn)物的積累以及下游分離純化有至關(guān)重要的作用。利用蛋白酶表達(dá)缺陷的突變菌株可以提高重組蛋白的分泌表達(dá)量,一些缺陷性菌株(如合成外膜元件的基因突變體)既能夠產(chǎn)生可溶性的、具有正確空間結(jié)構(gòu)和二硫鍵的活性蛋白，又能夠避免細(xì)胞壁在外源蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中的阻礙作用，有利于重組蛋白分泌到培養(yǎng)基中。成功的例子就是L2型細(xì)菌(缺乏細(xì)胞壁和胞周質(zhì))已用于青霉素?；D(zhuǎn)移酶、鏈激酶、微小抗體的分泌表達(dá)中。但因?yàn)檫@些菌株有生長(zhǎng)受損性，不能耐受高密度發(fā)酵的過程，L2型細(xì)菌不適合工業(yè)化生產(chǎn)?？傊泻芏喾N類的菌株可以用來實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的表達(dá)。有關(guān)大腸桿菌的菌株及表達(dá)載體。

7. 培養(yǎng)基，溫度，誘導(dǎo)條件等因素

培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)條件及培養(yǎng)過程中抑制性代謝產(chǎn)物的積累等都會(huì)影響重組蛋白在工程菌中的表達(dá)產(chǎn)量和分泌的量。其中培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分、pH和溫度等參數(shù)是影響工程菌生長(zhǎng)和表達(dá)外源蛋白的重要因素,能夠影響蛋白酶的活性、分泌和表達(dá)水平。向培養(yǎng)基中添加甘氨酸可以在不導(dǎo)致菌體自溶的情況下促進(jìn)蛋白從周質(zhì)空間向胞外的分泌,且不引起明顯的細(xì)菌裂解。在培養(yǎng)基中添加糖膠和TritonX-100能阻止周間腔中包涵體的形成，并提高胞外表達(dá)的效率。改變培養(yǎng)基的滲透壓、短時(shí)間的熱沖擊誘導(dǎo)及降低誘導(dǎo)時(shí)的溫度,會(huì)明顯提高重組蛋白在大腸桿菌的可溶性表達(dá)。另外，對(duì)于需要IPTG誘導(dǎo)的菌株，誘導(dǎo)時(shí)刻，溫度及培養(yǎng)時(shí)間必須經(jīng)過優(yōu)化。

8. 細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間

合適的細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間是決定著細(xì)胞完整度及蛋白質(zhì)表達(dá)水平的一個(gè)重要因素。細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞裂解，目的蛋白丟失，有毒蛋白酶釋放。而細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間太短的直接后果就是細(xì)胞濃度不夠，目標(biāo)蛋白產(chǎn)率太低。因此重組菌株的培養(yǎng)時(shí)間必須經(jīng)過優(yōu)化。

Reference:

【1】Valent QA, Scotti PA and et al. The Escherichia coli SRP and SecB targeting pathways converge at the translocon. EMBO J. 1998 May 1;17(9):2504-12.

【2】鄭海洲,劉曉志,宋欣.重組蛋白在大腸桿菌分泌表達(dá)的研究進(jìn)展.天津藥學(xué)雜志,2009,21（4）：0040-42.