大肠杆菌作为宿主菌株在遗传工程和分子生物学中的应用

大肠杆菌作为宿主菌株在遗传工程和分子生物学中的应用

大肠杆菌（Escherichia coli）作为一种广泛使用的模式生物，在基因工程和分子生物学研究中扮演着至关重要的角色。通过氯化钙（CaCl2）处理，可以使大肠杆菌成为感受态细胞，从而允许外源DNA的引入。本文将详细介绍大肠杆菌作为宿主细胞的相关概念、其表达系统的优劣势，并列出几种常用的大肠杆菌菌株及其特性。

相关概念定义

宿主细胞：为外源基因提供复制、转录及翻译所需环境的细胞。这些细胞通常经过改造或选择，以适应特定实验需求。常见的宿主细胞包括但不限于大肠杆菌、酵母菌以及哺乳动物细胞。

表达载体：指能够携带并使插入其中的外源DNA片段得以表达的DNA分子。根据用途不同，可以分为质粒载体、病毒载体、人工合成载体等类型，且依据是否整合入宿主基因组可分为整合型与非整合型载体。

表达系统：由一系列组件构成，旨在将外源基因导入宿主细胞内，并实现目标蛋白质或其他生物活性物质的表达。一个完整的表达系统涵盖了宿主细胞、表达载体、必要的酶类以及其他辅助因子。

图1、大肠杆菌结构示意图

大肠杆菌表达系统的特征

优势

• 高表达水平：大肠杆菌能高效地表达目标蛋白质。
• 简便易行：操作流程相对简单，不需要复杂的设备支持。
• 快速周期：具备较短的生长周期，利于快速进行基因复制和蛋白质表达。

劣势

• 包涵体形成：表达产物容易形成不溶性的包涵体，增加了后续纯化难度，并可能影响蛋白质功能。
• 遗传稳定性差：存在质粒丢失的风险，导致表达性能不稳定甚至丧失。

常用的大肠杆菌宿主菌株

为了满足不同的研究需求，研究人员开发了多种大肠杆菌菌株。以下是部分常见菌株及其特点：

1. BL21系列

• BL21：由于lon和ompT基因突变，减少了重组蛋白降解，提高了产量；但不适合与基于T7启动子的质粒载体共同使用。
• BL21(DE3)：整合了λ噬菌体DE3基因组，包含lacUV5启动子控制下的T7 RNA聚合酶基因，适用于高效表达克隆于含有T7启动子的表达载体的基因。
• BL21 Star(DE3)：在此基础上进一步引入rne131突变，增强了mRNA稳定性，提升了外源蛋白表达量。

2. K12系列

• DH5α：常用于质粒克隆，与pUC系列质粒载体编码的β-半乳糖苷酶氨基端α-互补，可用于蓝白斑筛选。
• JM109：同样适用于质粒克隆和基因工程操作，利用α-互补机制显示β-半乳糖苷酶活性，便于鉴别重组体。

3. TOP10：适合高效的DNA克隆和质粒扩增，确保高拷贝质粒的稳定遗传。

4. Rosetta系列

• Rosetta(DE3)：BL21(DE3)衍生物，补充了大肠杆菌稀有密码子对应的tRNA，解决了密码子偏好性问题，特别适合表达含有稀有密码子的蛋白质。
• Rosetta-gami系列：结合Origami菌株特性，不仅补充了稀有密码子，还促进了正确二硫键的形成。

5. Origami(DE3)：经过特殊改造，有助于在细胞质中形成正确的二硫键，特别适用于需要正确折叠和稳定性的蛋白质表达。

结语

综上所述，大肠杆菌因其高效的表达能力和相对简单的操作条件而成为分子生物学研究中的重要工具。尽管存在一些挑战，但通过选择合适的宿主菌株和优化实验条件，可以显著提升外源基因的表达效果。未来的研究将继续探索改进策略，以克服现有局限并拓展其应用范围。