大腸桿菌（E.coli）重組蛋白表達(dá)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，相對(duì)于其他表達(dá)體系，算是非常成熟的一個(gè)體系。大腸桿菌蛋白表達(dá)系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：遺傳背景清楚；易于培養(yǎng)和控制；轉(zhuǎn)化操作簡單；表達(dá)水平高；成本低；周期短。本篇將對(duì)大腸桿菌重組蛋白表達(dá)系統(tǒng)的常見技術(shù)問題進(jìn)行一一解答。
1：大腸桿菌表達(dá)體系的優(yōu)點(diǎn)是什么？
（1）菌體繁殖速度快：20分鐘倍增一次，這意味著按照1/100的比例接種（MOI），只需要幾個(gè)小時(shí)培養(yǎng)基細(xì)菌即可到達(dá)穩(wěn)定期；
（2）容易實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)：理論培養(yǎng)密度是1 × 1013 cells/ml，實(shí)際培養(yǎng)過程中使用LB培養(yǎng)基在37℃培養(yǎng)大腸桿菌，<1 × 1010 cells/ml。在低溫（11℃）誘導(dǎo)蛋白表達(dá)時(shí)，細(xì)菌個(gè)數(shù)幾乎不增長。
（3）轉(zhuǎn)染外源DNA容易，質(zhì)粒轉(zhuǎn)染效率高。
目前最為常用的重組蛋白表達(dá)質(zhì)粒載體融合了復(fù)制子(Replicon)、啟動(dòng)子(promoter)、篩選標(biāo)簽(selection marker)、多克隆位點(diǎn)（MCS）和融合蛋白移出策略(fusion tag removal strategy)。
復(fù)制子：包含復(fù)制起始點(diǎn)及相關(guān)順式作用控制元件（cis-acting control elements）。在選擇合適的質(zhì)粒載體時(shí)，質(zhì)粒拷貝數(shù)應(yīng)當(dāng)是需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。幾個(gè)常用的載體系列，如pET、pUC、pACYC 、pBAD和pSC101。pET系列載體含有pMB1起始子，在單個(gè)菌體中通常含有15-60 copies，通過改造pET載體，可以獲得雙表達(dá)質(zhì)粒（BiPlasmid vector），該質(zhì)粒含有雙MCS位點(diǎn)，雙T7啟動(dòng)子，雙lac操縱子和雙核糖體結(jié)合位點(diǎn)；pUC系列含有一個(gè)突變版本的pMB1起始子，在該系列的載體在單個(gè)細(xì)菌通常有500–700 copies；pACYC和pBAD系列常被用于雙表達(dá)體系，如FRET系統(tǒng)，該系列含有p15A起始子，單個(gè)細(xì)胞含有10-12個(gè)copies；pSC101系列載體單個(gè)細(xì)胞中的拷貝數(shù)通常<5個(gè)，常被用于三種蛋白的共表達(dá)。
啟動(dòng)子：重組蛋白大腸桿菌表達(dá)體系中，lac啟動(dòng)子是最為常用的啟動(dòng)子之一。當(dāng)培養(yǎng)基中只存在乳糖（lactose）作為wei一碳源時(shí)，lac啟動(dòng)子被激活，開始重組蛋白表達(dá)。常用帶T7啟動(dòng)系統(tǒng)的pET系列載體表達(dá)目的蛋白，當(dāng)含有T7啟動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染進(jìn)入細(xì)菌后，挑取單克隆，培養(yǎng)并加入IPTG（異丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷，一種非水解性的乳糖類似物）誘導(dǎo)細(xì)菌表達(dá)重組蛋白。為了消除重組蛋白本底表達(dá)，可以在原先的pET系列質(zhì)粒載體基礎(chǔ)上加入T7溶酶體與T7 RNAP（RNA polymerase）共表達(dá)，T7溶酶體能夠結(jié)合T7 RNA聚合酶并限制T7啟動(dòng)子介導(dǎo)的起始轉(zhuǎn)錄。
親和標(biāo)簽：重組蛋白表達(dá)過程中采用親和標(biāo)簽一方面是為了使蛋白純化過程更加容易；另一方面是為了促進(jìn)某些不溶性蛋白可溶。蛋白標(biāo)簽可分兩類：一類是短肽類標(biāo)簽；一類是長肽以融合蛋白（fused partner）形式共表達(dá)。長肽類標(biāo)簽更多的作用是促進(jìn)蛋白可溶性，往往需要同時(shí)加入短肽標(biāo)簽以幫助蛋白純化；短肽類標(biāo)簽一般只含幾個(gè)氨基酸，分子量均<2 kDa，對(duì)重組蛋白的性質(zhì)影響較小。親和標(biāo)簽可以放置在蛋白的C-端和N-端，如需要表達(dá)分泌性蛋白，則放置于C-端，信號(hào)肽放置于N-端。不同的蛋白標(biāo)簽需要根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。
去除蛋白標(biāo)簽的方法分為兩類，一類是酶消化法；一類是化學(xué)裂解法。化學(xué)裂解法通常被用于融合伴侶蛋白的移除，如CNBr用于裂解與Met氨基酸C-端連接的多肽，該方法優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是蛋白序列中不能存在Met氨基酸殘基。酶消化法是目前最為常用的蛋白標(biāo)簽去除方法，如腸激脢（Enterokinase），凝血酶（thrombin），factor Xa和煙草蝕刻病毒蛋白酶 (TEV protease)等移除蛋白標(biāo)簽，只殘留少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基。帶有His標(biāo)簽的TEV蛋白酶逐漸被廣泛接受用于蛋白標(biāo)簽移除實(shí)驗(yàn)，該蛋白酶具有一個(gè)非常優(yōu)秀的特點(diǎn):切除標(biāo)簽后，只殘留一個(gè)Ser或Gly殘基或*不殘留氨基酸殘基。
重組蛋白原核表達(dá)常采用BL21（DE3）和K-12衍生菌株作為表達(dá)宿主。BL21菌株缺乏Lon蛋白酶和外膜蛋白酶OmpT，Lon蛋白酶主要功能是降解外源蛋白，外膜蛋白酶OmpT主要功能是降解胞外基質(zhì)蛋白。同時(shí)BL21菌株具有先天性的hsdSB基因突變，菌株失去甲基化和降解外源轉(zhuǎn)染質(zhì)粒的能力，使得質(zhì)粒能夠傳代保留至子代細(xì)菌中（hsdSB突變基因來源于父輩B834菌株）。K-12系列菌株具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是能夠促進(jìn)胞質(zhì)中蛋白二硫鍵的形成，主要原因是trxB（thioredoxin reductase）基因發(fā)生突變；另外一個(gè)是recA基因突變，改基因突變后外源質(zhì)粒在宿主菌種中得以穩(wěn)定存在。
5：大腸桿菌表達(dá)體系為什么會(huì)出現(xiàn)無或低蛋白表達(dá)的結(jié)果？
誘導(dǎo)前后蛋白存在毒性或者表達(dá)過程中密碼子有偏向性，都可能造成蛋白不表達(dá)或低表達(dá)的結(jié)果。建議從以下幾個(gè)方面來解決問題：
1）控制本底表達(dá)水平：基于lac-based啟動(dòng)子表達(dá)，加入葡萄糖；選擇以葡萄糖為碳源培養(yǎng)基；基于T7-based啟動(dòng)子表達(dá)，使用含有T7溶酶體質(zhì)粒；使用嚴(yán)謹(jǐn)控制型質(zhì)粒，降低拷貝數(shù)。
2）控制誘導(dǎo)表達(dá)水平：采用可調(diào)節(jié)啟動(dòng)子；采用可控制誘導(dǎo)菌株；降低拷貝數(shù)；采用適用毒性蛋白表達(dá)菌株；采取分泌性表達(dá)策略。
3）優(yōu)化質(zhì)粒DNA密碼子，以適應(yīng)宿主密碼子體系使用密碼子調(diào)整菌株。
4）增加生物質(zhì)：嘗試新培養(yǎng)基；改善通氣條件，避免泡沐。
重組蛋白體系表達(dá)過程中，形成不正確的二硫鍵、進(jìn)行錯(cuò)誤的折疊、產(chǎn)生低可溶性蛋白，以及缺少翻譯后修飾這一重要環(huán)節(jié)，都可能形成包涵體。可以采取以下策略來解決這些問題。1）使用胞質(zhì)具有氧化功能的E. coli進(jìn)行分泌性表達(dá)。2）共表達(dá)分子伴侶。3）補(bǔ)充含有化合物伴侶和共因子的培養(yǎng)基。4）移除誘導(dǎo)劑，增加新鮮培養(yǎng)基。5）通過低溫誘導(dǎo)表達(dá)或調(diào)整誘導(dǎo)劑濃度來降低表達(dá)速率。6）改變?nèi)诤习閭H蛋白，促進(jìn)可溶蛋白表達(dá)。7）改變表達(dá)宿主，如原核改變成真核表達(dá)系統(tǒng)。
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更新時(shí)間：2021-08-27
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