蛋白表达系统选择指南：从定义到应用的全面解析

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蛋白表达系统选择指南：从定义到应用的全面解析

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https://m.biomart.cn/mobile/news/article.htm?catId=16&id=3223262&partId=

蛋白表达系统是生物技术领域的重要工具，用于在宿主细胞中表达外源基因编码的蛋白质。选择合适的蛋白表达系统对于获得高质量的目标蛋白至关重要。本文将为您详细介绍蛋白表达系统的定义、分类、选择指南以及不同表达系统的优劣势对比。

蛋白表达系统含义

蛋白表达是指利用如细菌、酵母、动物细胞或植物细胞表达外源基因蛋白的一种分子生物学技术。

蛋白表达系统是指由宿主、外源基因、载体和辅助成分组成的体系，通过这个体系可以实现外源基因在宿主中表达的目的。

蛋白表达系统分类

表达系统	宿主菌
无细胞表达系统	无
原核表达系统	大肠杆菌
	枯草芽孢杆菌
真核表达系统	酵母细胞
	哺乳动物细胞
	杆状病毒-昆虫细胞
转基因动/植物系统	转基因动/植物生物反应器

目前市场上主流蛋白表达系统，其中原核以大肠杆菌表达系统为代表，以及酵母细胞表达系统、哺乳动物细胞表达系统、杆状病毒—昆虫细胞表达系统的真核表达系统。

蛋白表达系统选择指南

在选择蛋白表达系统时，目标蛋白的生物学特性以及计划的下游应用决定最合适的蛋白表达系统，因此收集有关目标蛋白的天然定位（细胞内、分泌蛋白或膜蛋白）、大小/分子量、是否为单域或多域蛋白、存在的二硫键数量、翻译后修饰（如糖基化）、对正确折叠和结构完整性可能需要的辅助因子的信息是很重要的。这类信息可以通过文献、数据库或生物信息学工具来收集。

在进行完收集目标蛋白的生物学特性后，可根据四个关键问题来帮助确定目标蛋白最优表达系统的决策方案。

你想生产的目标蛋白是原核蛋白还是真核蛋白？
下游应用是否需要蛋白翻译后修饰？（是否包含二硫键、蛋白质/蛋白质复合物分子量、整合膜蛋白的复杂度）
需要哪一种糖基化？
是否需要更高的产量/多轮表达？

通常，生产原核蛋白优选的是大肠杆菌表达系统，尽管也有其他细菌蛋白表达系统可用。对于真核蛋白的生产，有多种因素在决策过程中发挥作用。对于不需要翻译后修饰且具有有限二硫键数量的简单真核蛋白，大肠杆菌也可作为表达宿主菌，但在很多情况下，真核表达系统，如酵母、昆虫细胞或哺乳动物细胞可能更为合适。而这些真核宿主之间的主要差异之一在于它们所提供的糖基化类型。在后续的下游应用中，如果糖基化类型是重要的，则这可能是在选择最佳表达系统时需要考虑的关键因素。

不同蛋白表达系统的对比

系统对比	原核表达系统	酵母细胞表达系统	哺乳动物细胞表达系统
宿主菌	大肠杆菌	酵母细胞	哺乳动物细胞
优势	1. 遗传背景清晰，有多种重组载体、标签可供选择； 2. 表达水平高，能够高效合成蛋白； 3. 周期快。	1. 部分翻译后修饰功能； 2. 生产工艺稳定，适用于大规模生产； 3. 没有内毒素，安全性高； 4. 较高表达水平。	翻译后修饰完善，可获得与天然蛋白结构、修饰方式几乎完全相同的重组蛋白。
劣势	1. 无翻译后修饰； 2. 易形成包涵体； 3. 高分子量蛋白难表达； 4. 存在内毒素。	存在小概率错误折叠及修饰	1. 表达量相对较低； 2. 存在潜在的动物病毒污染风险； 3. 培养条件严苛，成本高。
应用	适用于结构简单、翻译后修饰要求不高的蛋白表达	适用于需要一定程度翻译后修饰的蛋白表达	适用于对翻译后修饰要求严苛的蛋白，如治疗性蛋白

各宿主菌在细胞生长速度、价格、表达水平及翻译后修饰方面的对比。

宿主菌	菌株	载体	细胞生长速度	培养基价格	表达水平	翻译后修饰
						蛋白折叠
大肠杆菌	BL21	多种载体	快	低	高	通常需要重折叠
酵母	GS115X-33	pPICZαApPIC9K	快	低	中等	可能需要重折叠
哺乳动物系统	Expi293CHO	pTT5	慢	高	低	正常折叠