噬菌体展示总结技术.docx

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噬菌体展示总结技术

噬菌体展示总结技术

篇一：

噬菌体展示技术

噬菌体展示技术

关键词：

噬菌体展示组装融合蛋白20XX-07-2100:

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3662噬菌体展示技术是将外源蛋白或多肽的dna序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，同时,外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面的生物技术。

到目前为止，人们已开发出了单链丝状噬菌体展示系统、λ噬菌体展示系统、T4噬菌体展示系统等数种噬菌体展示系统。

本文主要概述了噬菌体展示技术的基本原理、噬菌体展示系统研究以及技术特点等，并跟踪了目前该领域的最新研究进展和发展前景。

关键词：

噬菌体展示；组装；融和蛋白

1985年，SmithGP[1]第一次将外源基因插入丝状噬菌体f1的基因Ⅲ，使目的基因编码的多肽以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，从而创建了噬菌体展示技术。

该技术的主要特点是将特定分子的基因型和表型统一在同一病毒颗粒内，即在噬菌体表面展示特定蛋白质，而在噬菌体核心dna中则含有该蛋白的结构基因。

另外，这项技术把基因表达产物与亲和筛选结合起来，可以利用适当的靶蛋白将目的蛋白或多肽挑选出来。

近年来，随着噬菌体展示技术的日益完善，该技术在众多基础和应用研究领域产生的影响已日渐明显。

一、噬菌体展示技术的原理

噬菌体展示技术是将多肽或蛋白质的编码基因或目的基因片段克隆入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，在阅读框正确且不影响其他外壳蛋白正常功能的情况下，使外源多肽或蛋白与外壳蛋白融合表达，融合蛋白随子代噬菌体的重新组装而展示在噬菌体表面。

被展示的多肽或蛋白可以保持相对独立的空间结构和生物活性，以利于靶分子的识别和结合。

肽库与固相上的靶蛋白分子经过一定时间孵育后，洗去未结合的游离噬菌体，然后以竞争受体或酸洗脱下与靶分子结合吸附的噬菌体，洗脱的噬菌体感染宿主细胞后经繁殖扩增，进行下一轮洗脱，经过3轮～5轮的“吸附-洗脱-扩增”后，与靶分子特异结合的噬菌体得到高度富集

[2]。

所得的噬菌体制剂可用来做进一步富集有期望结合特性的目标噬菌体。

二、噬菌体展示系统

2.1单链丝状噬菌体展示系统

（1）PⅢ展示系统。

丝状噬菌体是单链dna病毒，PⅢ是病毒的次要外壳蛋白，位于病毒颗粒的尾端，是噬菌体感染大肠埃希菌所必须的。

每个病毒颗粒都有3个～5个拷贝PⅢ蛋白[3]，其在结构上可分为n1、n2和cT3个功能区域[4-5]，这3个功能区域由两段富含甘氨酸的连接肽G1和G2连接。

其中，n1和n2与噬菌体吸附大肠埃希菌菌毛及穿透细胞膜有关[6]，而cT构成噬菌体外壳蛋白结构的一部分，并将整个PⅢ蛋白的c端结构域锚定于噬菌体的一端[7]。

PⅢ有2个位点可供外源序列插入，当外源的多肽或蛋白质融合于PⅢ蛋白的信号肽（SgⅢ）和n1之间时，该系统保留了完整的PⅢ蛋白，噬菌体仍有感染性；但若外源多肽或蛋白直接

与PⅢ蛋白的cT结构域相连，则噬菌体丧失感染性，这时重组噬菌体的感染性由辅助噬菌体表达的完整PⅢ蛋白来提供。

PⅢ蛋白很容易被蛋白水解酶水解，所以有辅助噬菌体超感染时，可以使每个噬菌体平均展示不到一个融合蛋白，即所谓“单价”噬菌体。

（2）PⅧ及其他展示系统。

PⅧ是丝状噬菌体的主要外壳蛋白，位于噬菌体外侧，c端与dna结合，n端伸出噬菌体外，每个病毒颗粒有2700个左右PⅧ拷贝[8-9]。

PⅧ的n端附近可融合五肽，但不能融合更长的肽链，因为较大的多肽或蛋白会造成空间障碍，影响噬菌体装配[2，10-11]，使其失去感染力。

但有辅助噬菌体参与时，可提供野生型PⅧ蛋白，降低价数，此时可融合多肽甚至抗体片段。

此外，尚有丝状噬菌体PⅥ展示系统的研究报道[12]。

PⅥ蛋白的c端暴露于噬菌体表面，可以作为外源蛋白的融合位点，可以用于研究外源蛋白c端结构区域功能。

从所掌握的文献来看，该系统主要用于cdna表面展示文库的构建，并取得了不错的筛选效果。

2.2λ噬菌体展示系统

（1）PV展示系统。

λ噬菌体的PV蛋白构成了它的尾部管状部分，该管状结构由32个盘状结构组成，每个盘又由6个PV亚基组成。

PV有两个折叠区域，c端的折叠结构域（非功能区）可供外源序列插入或替换。

目前，用PV系统已成功展示了有活性的大分子蛋白β-半乳糖苷酶（465ku）和植物外源凝血素BPa（120ku）等[13]。

λ噬菌体的装配在细胞内进行，故可以展示难以分泌的肽或蛋白质。

该系统展示的外源蛋白质的拷贝数为平均1个分子/噬菌体，这表明外源蛋白质或多肽可能干扰了λ噬菌体的尾部装配。

（2）d蛋白展示系统。

d蛋白的分子质量为11ku，参与野生型λ噬菌体头部的装配。

低温电镜分析表明，d蛋白以三聚体的形式突出在壳粒表面[13]。

当突变型噬菌体基因组小于野生型基因组的82%时，可以在缺少d蛋白的情况下完成组装，故d蛋白可作为外源序列融合的载体，而且展示的外源多肽在空间上是可以接近的。

病毒颗粒的组装可以在体内也可以在体外，体外组装即是将d融合蛋白结合到λd-噬菌体表面，而体内组装是将含d融合基因的质粒转化入λd-溶源的大肠埃希菌菌种中，从而补偿溶源菌所缺的d蛋白，通过热诱导而组装。

该系统有一个很好的特点，噬菌体上融合蛋白和d蛋白的比例可以由宿主的抑制tRna活性加以控制，这对于展示那些可以对噬菌体装配造成损害的蛋白质时特别有用。

2.3T4噬菌体展示系统

T4噬菌体展示系统是20世纪90年代中期建立起来的一种新的展示系统。

它的显著特点是能够将两种性质完全不同的外源多肽或蛋白质，分别与T4衣壳表面上的外壳蛋白Soc（9ku）和Hoc（40ku）融合而直接展示于T4噬菌体的表面，因此它表达的蛋白不需要复杂的蛋白纯化，避免了因纯化而引起的蛋白质变性和丢失。

T4噬菌体是在宿主细胞内装配，不需通过分泌途径，因而可展示各种大小的多肽或蛋白质，很少受到限制。

吴健敏等成功地

将大小约215aaSoc/mE2融合蛋白展示于T4噬菌体衣壳表面[14]。

令人值得关注的是，Soc与Hoc蛋白的存在与否，并不影响T4的生存和繁殖。

Soc和Hoc在噬菌体组装时可优于dna的包装而装配于衣壳的表面，事实上，在dna包装被抑制时，T4是双股dna噬菌体中唯一能够在体内产生空衣壳的噬菌体（Soc和Hoc也同时组装）。

因此，在用重组T4做疫苗时，它能在空衣壳表面展示目的抗原，这种缺乏dna的空衣壳苗，在生物安全性方面具有十分光明的前景[14]。

三、噬菌体展示技术的局限性

（1）在噬菌体展示过程中必须经过细菌转化、噬菌体包装，有的展示系统还要经过跨膜分泌过程，这就大大限制了所建库的容量和分子多样性。

目前，常用的噬菌体展示文库中含有不同序列分子的数量一般限制在109。

（2）不是所有的序列都能在噬菌体中获得很好的表达，因为有些蛋白质功能的实现需要折叠、转运、膜插入和络合，导致在体内筛选时需外加选择压力。

例如，在噬菌体展示文库试验中，由于部分未折叠的蛋白在细菌中很容易被降解，因此，必须小心控制条件，以保证在噬菌体表面展示的文库没有降解。

另外，鼠源抗体在噬菌体中表达差，也是体内选择压力的一个例子。

真核细胞蛋白在细菌中表达差是因为它们的蛋白质合成与折叠机制不同的缘故

[15]。

（3）噬菌体展示文库一旦建成，很难再进行有效的体外突变和重组，进而限制了文库中分子遗传的多样性。

（4）由于噬菌体展示系统依赖于细胞内基因的表达，所以，一些对细胞有毒性的分子如生物毒素分子，很难得到有效表达和展示。

四、结语

噬菌体展示技术经过近20年的发展和完善，已成为生命科学领域的一项重要技术，广泛应用于抗原抗体库的建立、药物设计、疫苗研究、病原检测、基因治疗、抗原表位研究及细胞信号转导研究等[16]

生成过程，构建高亲和力抗体库。

由于噬菌体展示技术实现了基因型和表型的有效转换，使研究者在基因分子克隆基础上实现了蛋白质构象体外控制，从而为获取具有良好生物学活性的表达产物提供了强有力手段。

另外，噬菌体展示技术已成为不经过免疫获取特异性人源抗体的新途径，为获取对人类和动物疾病有诊断和治疗价值的单克隆抗体提供了重要手段

篇二：

噬菌体展示技术

噬菌体展示技术

王浩11307110047

摘要：

噬菌体展示技术可以将目标蛋白与噬菌体衣壳蛋白结合在一起形成融合蛋白，进而展示于噬菌体表面。

该技术可以较好地保持被展示蛋白质的活性，因而在蛋白质研究中发挥着重要的作用。

目前用于构建噬菌体展示系统的载体主要有丝状噬菌体、λ噬菌体、T4噬菌体和T7噬菌体。

这些系统不仅对构建cdna文库很有帮助，还可在随机短肽文库的协助下研究蛋白质之间的相互作用。

关键词：

噬菌体展示技术；蛋白质；文库；类型；原理；应用

1985年，美国missouri大学的SmithGP首次证实丝状噬菌体fd基因组能通过基因工程手段改造，他把EcoRⅠ内切酶的部分基因片段与丝状噬菌体的次要衣壳蛋白pⅢ（proteinⅢ）基因融合，获得的重组噬菌体能被抗EcoRⅠ内切酶的

1抗体所识别，由此建立了噬菌体展示技术（phagedisplaytechnology）。

通过近几十

年的发展，噬菌体展示技术已经有丝状噬菌体、λ噬菌体、T4噬菌体和T7噬菌体等展示系统，这些系统在在新型疫苗的研制、酶抑制剂的筛选、医学诊断和治疗、多肽药物的开发、蛋白质相互作用的研究等领域得到了广泛的应用，并显示了良好的应用前景。

1.噬菌体展示系统类型

1.1.单链丝状噬菌体展示系统

单链丝状噬菌体展示系统是利用了m13噬菌体独特的生命周期及其所表达的几个噬菌体蛋白质。

它的单键dna基因组由6407个核苷酸残基组成，编码10种不同的蛋白质，并被包装于约有2700~3000个拷贝数的基因编码的蛋白质pⅧ的蛋白衣壳内。

而且m13的尾部有一种3~5个拷贝的基因编码的蛋白质pⅢ。

2

1.1.1.pⅢ展示系统（3~5个拷贝）

pⅢ基因主要编码病毒的次要衣壳尾丝蛋白。

pⅢ的可插入位点很多，所以其为多价展示系统，但这样就会造成蛋白质的异促效应，不易筛选到高亲和力的噬菌体。

为了构建单价展示系统，人们将目的基因转入到噬菌粒（噬菌粒是由质粒与单丝噬菌体结合而构成的载体系列。

它既具有质粒的特性和复制起点，又有噬菌体的特性和复制起点。

3）中。

由于噬菌粒没有噬菌体蛋白而难以形成真正的噬菌体，其需要辅助噬菌体。

辅助噬菌体能提供将该dna复制并包装成完整噬菌体所需的蛋白质。

而由于该辅助噬菌体的复制起始点很低效，不足以和噬菌粒dna抗衡，所以转录出的dna大多数仍为噬菌粒dna。

通过在噬菌粒dna和辅助噬菌体dna上加上筛选标记，人们就可以很方便地筛选出被感染的大肠杆菌。

而且不像其他大多数的噬菌体，m13在感染大肠杆菌后，并不引起宿主细胞的裂解，而是使宿主细胞稳定地分泌出噬菌体颗粒。

通过不断地进行免疫富集筛选，人们就能得到高亲和力克隆。

4

1.1.2.pⅧ展示系统（2700~3000个拷贝）

pⅧ基因编码主要的衣壳蛋白。

由于其拷贝数多，可用于筛选亲和力较低的配体。

相应的，如果用该系统展示较长肽链而形成空间阻碍的话，就有可能影响相关衣壳蛋白的合成，使得噬菌体失去感染力。

1.2.λ噬菌体展示系统

噬菌体λ是温和噬菌体，在其颗粒中，dna是线状双链分子带有单链互补末端。

末端12个可互补的核苷酸，称为粘性末端。

当噬菌体λ浸入宿主细胞后，线状双链dna分子借助粘性末端连结成环状分子。

在感染早期，环状dna分子进行转录。

在此期间，噬菌体有两条复制途径可供选择：

一是裂解生长。

环状dna分子在宿主细胞里复制若干次，合成了大量的噬菌体基因产物，形成子代噬菌体颗粒，成熟后使细菌裂解，释放出许多新的有感染能力的病毒颗粒。

另一是溶源性生长。

噬菌体dna整合进宿主菌的基因组，然后象细菌染色体上的基因一样进行复制，并传递给下一代细菌。

5成熟的噬菌体λ由头、尾两部分组成。

1.2.1d蛋白展示系统

d蛋白为噬菌体λ头部必需蛋白，其可作为外源序列融合的载体，这种展示一般为n端展示。

由于其在噬菌体颗粒表面呈突出状分布，有利于配体在空间上接近，便于之后的筛选。

d蛋白展示的体外组装途径是将d融合蛋白结合到噬菌体表面。

体内组装途径是将含d融合基因的质粒转化入d蛋白缺乏放入菌株中，从而弥补溶源菌所缺的d蛋白；或将其整合到到噬菌体的基因组中。

1.2.2展示系统

蛋白PV为噬菌体λ主要尾部蛋白，其c端折叠区为非必需的，所以可供外源序列插入而不会影响其正常的生理功能。

1.3.T4噬菌体展示系统

T4噬菌体与噬菌体λ较为相似，其dna为双链线形，呈环状排列。

但其表面包被着2种非必需外壳蛋白：

Soc（主要为c端末）和Hoc（主要为n端末）。

Soc位点展示是通过一个重组载体，将融合有外源序列的Soc融合基因同源整合入缺失Soc的T4基因组中，选择恢复溶菌酶生长不依赖性的噬菌体，即可将外源肽或蛋白质展示于噬菌体表面。

Hoc位点展示则通过体外包装实现，将目的基因连接于hoc基因的c端，构建hoc融合基因表达载体，并在iPTG的诱导下表达Hoc融合蛋白。

再将其与Hoc缺失的T4噬菌体结合，就将其转移到该噬菌体上从而得到展示。

由于这两者的缺失方式不同，就可以在同一噬菌体上通过不同的方式（dna缺失及蛋白缺失）得到表达，即可实现Soc、Hoc双位点的同时展示。

此外，T4噬菌体的扁长型二十面体衣壳，使其系统容量大，可以体外组装，拷贝数高。

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1.4.T7噬菌体展示系统

T7噬菌体基因组为线性双链dna，其主要有2种衣壳蛋白，10a和10B。

由于10B的蛋白区在噬菌体表面，所以将其作为展示位点。

T7噬菌体的功能性衣壳由10a与10B按不同比例构成，说明其有一定的容错性，可容纳变异体。

展示的蛋白会通过c端融合，这样，即使插入的片段含有终止密码子也不会影响该蛋白的表达。

另外，T7噬菌体展示系统可以以高拷贝量展示50个氨基酸的多肽，以低拷贝量（0.1~1/噬菌体）或以中拷贝量（5~15/噬菌体）展示1200个氨基酸残基的多肽或蛋白质。

这些多肽或蛋白质分别与相应亲和力区域结合，其实用性较强。

2.噬菌体展示的原理

噬菌体展示技术是将多肽或蛋白质的编码基因或目的基因片段克隆入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，在阅读框正确且不影响其他外壳蛋白正常功能的情况下，使外源多肽或蛋白与外壳蛋白融合表达，融合蛋白随子代噬

菌体的重新组（:

噬菌体展示总结技术）装而展示在噬菌体表面。

被展示的多肽或蛋白可以保持相对独立的空间结构和生物活性，以利于靶分子的识别和结合。

肽库与固相上的靶蛋白分子经过一定时间孵育后，洗去未结合的游离噬菌体，然后以竞争受体或酸洗脱下与靶分子结合吸附的噬菌体，洗脱的噬菌体感染宿主细胞后经繁殖扩增,进行下一轮洗脱，经过3轮～5轮的“吸附-洗脱-扩增”后，与靶分子特异结合的噬菌体得到高度富集。

7外源多肽或蛋白质表达在噬菌体的表面，而其编码基因作为噬菌体基因组中的一部分可通过噬菌体dna序列测序出来。

该技术的显著特点是建立了基因型和表现型之间的对应关系。

2.1筛选步骤8：

略。

3.噬菌体展示的应用（与蛋白结构与功能相关的方面）

3.1展示功能蛋白结构域

噬菌体随机展示技术被广泛应用于研究蛋白质与其他配基的相互作用。

完整的蛋白质或结构域与噬菌体蛋白形成融合噬菌体，为研究结构与功能的相互关系提供了一个非常有效的工具。

当蛋白质或功能亚基被表达于噬菌体表面，插入蛋白质的天然的四级结构就提供了一个具有广泛突变位点的用来限制折叠的框架（如：

锌指结构）。

即使用蛋白质上带有的锌指结构，让其与某些dna作用，就可筛选出一些与其相互作用的噬菌体。

3.2确定核酸结合蛋白及其相互作用

噬菌体随机展示技术可以筛选出一种有某些结构域的蛋白质，这些结构域可与dna结合而调控基因的表达。

通过这种方法，可以发现更多的与dna结合的结构域。

此外，利用噬菌体展示技术还可以筛选出dna的模拟肽（模拟肽是一个具有广泛意义的术语，它指任意一个被设计并执行肽功能的化合物。

一个生物活性模拟肽，具有与激素、细胞因子、酶底物、病毒或其他生物分子拈抗、刺激或是调节天然配体的生理活性的功能。

9）。

3.3研究蛋白质相互作用

噬菌体展示的多肽文库是由特定长度的随机短肽序列组成。

用靶蛋白质（如受体、抗体等）对该随机文库进行亲和淘筛，就可以获得与之结合的短肽序列。

对所得序列测定分析，并合成相应的短肽，就可用来研究两个蛋白质之间的相互作用。

3.4抗原表位分析

抗原表位分析技术是以单克隆抗体作为固相筛选分子，加入噬菌体随机多肽库，使其与单抗充分反应，经数轮“吸附-洗脱-扩增”的筛选过程，且每次增加筛选强度，用最后一次淘洗的噬菌体感染宿主菌。

再随机挑选克隆，经噬菌体ELiSa鉴定并进行交叉反应实验和竞争抑制性实验，对所选的阳性克隆通过dna序列分析，就可以知道该噬菌体所携带的外源肽序列，从而得知该单抗针对的特异性抗原表位。

4噬菌体展示技术的展望

噬菌体展示技术凭借着自己独有的优势及特点，在生物科学研究和应用中的前景已经逐渐地显示出来。

以噬菌体展示抗原表位的优点有：

（1）生产成本低廉。

（2）有可能利用一种噬菌体展示两种抗原表位，这样便可开发出能同时诊断一种以上疾病的诊断抗原。

（3）噬菌体颗粒可在相当长的时间内保持稳定，这一点对研究和应用非常适用。

（4）可模拟天然多肽表位结构或功能。

（5）噬菌体作为表位载体具有较好的免疫原性。

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但现在这项技术的某些方面并不完善，目前其主要的局限有：

（1）受大肠杆菌

转化效率的限制，高效转化大肠杆菌的转化效率为107~108，故一般肽库的容量只有109，高于此限制的基因难以表达，受到库容量的限制；

（2）由于噬菌体展示技术依赖于宿主细胞内基因的表达，因此难以对毒性分子进行有效表达和展示；（3）编码肽的基因带有一定的偏爱性，决定了肽库的多样性受到局限；（4）氨基酸的修饰受宿主细胞的限制。