重组蛋白表达系统的选择

2.4 包涵体表达：

在使用高效的E. coli表达系统时，过量表达的重组蛋白常会在细胞内凝聚，形成无活性的包涵体沉淀。在早期实验中，包涵体被认为是重组蛋白表达的大敌：包涵体蛋白折叠混乱、二硫键配对混乱、没有生物活性、变复性条件需要长时间摸索等，即使包涵体蛋白成功复性，其均一性和活性依然备受质疑。但是包涵体表达也有其优势：能够很轻松的获得超高的表达量，不可溶的重组蛋白不会被宿主内的蛋白酶降解，重组蛋白的毒性被大大抑制，杂蛋白含量低（~10%），容易纯化等。由于这些优点以及蛋白质复性条件的不断发展，表达包涵体蛋白逐渐为人们所接受，成为重组蛋白表达的一个常用方案。

与可溶蛋白相反，提高培养温度、延长培养时间、在较高的菌密度下诱导都有利于包涵体的形成；在破菌和变性溶解时加入还原剂能够打开错配的二硫键；在复性液中加入二硫键异构酶、脯氨酸异构酶、分子伴侣和蛋白的辅助因子可以帮助重组蛋白折叠；精氨酸和高分子量PEG能减轻蛋白分子的聚集；尝试多种物理手段，如透析、快速稀释和柱上复性等，有时对复性有奇效。包涵体的表达相对简单，但其复性过程仍是依赖经验的，没有通用的方法可以套用。

3. 酵母表达系统

酵母表达系统兼有原核和高等真核系统的优点。酵母是一种单细胞低等真核生物，培养条件普通，生长繁殖速度迅速，能够耐受较高的流体静压，用于表达基因工程产品时，可以大规模生产，有效降低了生产成本。酵母表达外源基因具有一定的翻译后加工能力，收获的外源蛋白质具有一定程度上的折叠加工和糖基化修饰，性质较原核表达的蛋白质更加稳定，特别适合于表达真核生物基因和制备有功能的表达蛋白质。某些酵母表达系统具有外分泌信号序列，能够将所表达的外源蛋白质分泌到细胞外，因此很容易纯化。

应用酵母表达系统生产外源基因的蛋白质产物时也有不足之处，如产物蛋白质的不均一、信号肽加工不完全、内部降解、多聚体形成等，造成表达蛋白质在结构上的不一致。另外，还时常遇到表达产物的过度糖基化情况。因此，表达系统应根据具体情况作适当的改进。

3.1 常用酵母表达系统(宿主-载体系统)

3.1.1 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)表达系统

由于遗传和生理背景清楚而且安全，酿酒酵母是最早应用于重组蛋白表达的酵母宿主

菌。

表达菌株：

INVSC1是酿酒酵母表达系统的常用菌株，它是一种双倍体营养缺陷细胞株，在缺少组氨酸、亮氨酸、色氨酸和尿嘧啶的培养基中（如SC基本培养基）不能生长。GAL1是酿酒酵母表达系统中常用的启动子，以半乳糖作为碳源可以诱导转录起始，葡萄糖则抑制转录。在葡萄糖培养基中，重组蛋白只有本底水平的表达，收集菌体并转入只含半乳糖的培养基可以诱导重组蛋白表达。也可以使用棉子糖代替葡萄糖作为碳源，棉子糖对GAL1启动子没有影响，既不会抑制也不会激活，在菌体达到一定浓度之后直接加入半乳糖即可诱导重组蛋白表达。

酿酒酵母可以对重组蛋白进行乙酰化修饰，以及没有位点特异性的Ser/Thr磷酸化修饰，还可以进行Asn N-糖基化和Ser/Thr O-糖基化修饰。酿酒酵母的糖基化修饰采用单一的甘露糖残基，N-糖基化修饰由1，3-和1，6-甘露糖残基构成，往往形成40-200个甘露糖残基的较大糖链，通过基因改造可以阻断N-糖基化过程，使糖链缩短为Man8GlcNAc2核心糖链，糖链末端为1,3-甘露糖，使重组蛋白的抗原性明显增强。O-糖基化则由不超过5个的甘露糖残基聚合而成。

表达质粒

真核表达系统常采用穿梭质粒为表达载体。穿梭质粒含有两套复制子和启动子，以及相应的筛选标记，可以在原核和真核两种宿主中分别完成复制和表达，以方便对质粒进行遗传操作和大量制备。

酿酒酵母本身含有质粒，其表达载体可以有自主复制型和整合型两种。自主复制型质粒中，高拷贝载体通常采用酵母天然质粒的复制子，如2μ复制子，以使载体在宿主中达到较高的拷贝数（10-40），并独立于宿主染色体进行复制；低拷贝复制子则采用从酵母染色体中的自主复制序列（ARS）作为复制子，在宿主中严紧复制，通常一个细胞只有1-2个拷贝。真核表达载体常用的筛选标记有营养缺陷型（如URA3、TRP1）和抗生素抗性（如灭瘟素、G418等）。

载体 pYES2 pYES2/NT

启动子 μ2 μ2

筛选标记 URA3 URA3

融合标签 无 Xpress

pYES2CT pYES3/CT pYES6/CT pYC2/NT pYC2/CT pYC6/CT

μ2 μ2 μ2 CNE6/ARSH4 CNE6/ARSH4 CNE6/ARSH4

URA3 TRP1 灭瘟素 URA3 URA3 灭瘟素

V5, His V5, His V5, His Xpress V5, His V5, His

表5：常用酿酒酵母表达载体

整合型质粒（如Yip5）不含ARS，必需整合到染色体上，随染色体复制而复制。整合过程是高特异性的，但是拷贝数一般很低。多拷贝整合载体pMIRY2通过将目的基因靶向整合到rDNA簇上(rDNA簇为酵母基因组中串联存在的150个重复序列)克服了这个缺点，利用pMIRY2质粒可以得到100个以上的拷贝。

酿酒酵母作为表达菌株具有一定的局限性，如缺乏强有力的启动子，重组蛋白产率往往只有全细胞蛋白的5%左右；难于高密度培养；分泌效率低，几乎不分泌分子量大于30 kD的外源蛋白，有时蛋白只被分泌到周至空间而非培养基中；重组蛋白容易过度糖基化；内部降解复杂，重组蛋白的C端往往被截短。因此，现在一般使用甲醇酵母代替酿酒酵母，用于重组蛋白质的真核表达。

3.1.2 毕赤酵母（P. Pastoris）表达系统

毕赤酵母是一种甲醇营养型酵母，可以依赖甲醇作为唯一碳源生长，甲醇可以诱导代谢所需的酶的表达。目前发现的所有甲醇营养型酵母，其甲醇代谢途径都是相同的，甲醇首先被乙醇氧化酶（AOX）氧化，生成甲醛和过氧化氢。为了避免过氧化氢毒害细胞，这步反应在过氧化物酶体中进行。在毕赤酵母中，AOX有两个编码基因：AOX1和AOX2，其中AOX1基因编码了细胞内绝大多数的乙醇氧化酶。AOX1的表达受AOX启动子的严格调控，本底表达水平极低，而甲醇诱导表达量可以达到细胞总蛋白的30%以上，使用AOX启动子使得重组蛋白可以达到很高的表达量。

毕赤酵母中，His+转化子可以自发的进行高拷贝整合，概率为1-10%，选择带有HIS4基因的表达载体即可以提高外源基因的拷贝数，从而提高重组蛋白的表达水平。

毕赤酵母也是重组蛋白分泌表达的理想宿主。毕赤酵母本身只分泌表达少量蛋白，而且可以使用不含蛋白的培养基，因此分泌表达的重组蛋白在培养基中占据了绝对优势，大大

简化了纯化步骤。

表达菌株：

毕赤酵母的表达菌株都是由野生型石油酵母NRRL-Y11430改造而来，含有一种或几种营养缺陷（如his4、arg4等）以方便筛选（表6）。研究发现，敲除了AOX基因的菌株有时能更好的表达外源蛋白，而且诱导所需的甲醇量也大大降低了。按照AOX基因的敲除情况和利用甲醇的能力，毕赤酵母表达菌株可以分为3类：在甲醇培养基中快速生长的Mut+；敲除了AOX1，在甲醇培养基中慢速生长的MutS和敲除了两个AOX基因，不能利用甲醇的Mut-。不同的表型可以用来检测外源基因在毕赤酵母转化子中的整合方式。除此之外，还有敲除了蛋白酶（prb1、pep4）的菌株，以保护重组蛋白不受宿主蛋白酶的攻击。蛋白酶缺陷型的菌株生长比较缓慢。

与酿酒酵母相同，毕赤酵母也可以进行二硫键形成、磷酸化、乙酰化、糖基化等翻译后修饰，也只能利用甘露糖残基对蛋白进行糖基化修饰。毕赤酵母的N-糖基化糖链较短，平均每个支链8-14个甘露糖残基，有利于重组蛋白的分子均一性；而且糖链中和糖链末端都没有1,3-甘露糖，对重组蛋白抗原性的影响也比酿酒酵母低。

毕赤酵母表达菌株

X-33 GS115 KM71 KM71H MCIO0-3 SMD1163 SMD1165 SMD1168 SMD1168H

甲醇利用表型

Mut+ Mut+ MutS MutS Mut- Mut+ Mut+ Mut+ Mut+

营养缺陷

- 组氨酸缺陷 组氨酸、精氨酸缺陷

精氨酸缺陷 组氨酸、精氨酸缺陷

组氨酸缺陷 组氨酸缺陷 组氨酸缺陷

-

蛋白酶敲除

- - - - -

PEP、PRB敲除 PRB敲除 PEP敲除 PEP敲除

表6：常用毕赤酵母表达菌株

表达载体：

毕赤酵母本身没有质粒，自主复制型载体通常不稳定，因此一般采用整合型载体。整合型载体的外源基因表达盒由几部分组成：AOX启动子、多克隆位点、融合标签、AOX终