外源蛋白在大肠杆菌中的可溶性表达策略.docx

1、外源蛋白在大肠杆菌中的可溶性表达策略如何提高目的蛋白的可溶性表达 在大肠杆菌中,当外源蛋白高水平表达的时候,极易形成包涵体,为蛋白纯化等下游工作带来很大的麻烦。下面是一些可以参考的有助于提高目的蛋白可溶性表达的实验方案: 1.降低蛋白合成的速度。可以通过以下方法实现: a.降低培养温度 b.使用弱启动子 c.使用低拷贝数的质粒表达载体 d.降低诱导物的浓度 2.改变培养基 a.培养基中加入可以帮助蛋白折叠的因子 b.加入缓冲液保持pH稳定 c.加入1%的葡萄糖,抑制lac启动子 d.加入山梨糖醇等可以稳定蛋白天然结构的因子 e.加入乙醇,thiols and disulfides等? 3.与分

2、子伴侣或折叠酶共表达 常用的分子伴侣有:GroES-GroEL,DnaK-DnaJ-GrpE,ClpB 常用的折叠酶有: peptidyl prolyl cis/trans isomerases (PPIs) disulfide oxidoreductase (DsbA) and disulfide isomerase (DsbC) protein disulfide isomerase (PDI) 4.分泌表达。使目的蛋白分泌到周质空间 周质空间的氧化性的环境有利于二硫键的形成,而胞内则是还原性的。 周质空间有折叠酶DsbA和DsbC的存在,帮助蛋白正确折叠。 周质空间很少有蛋白酶存在,不会

3、被水解。 可以使对细胞有毒性的蛋白大量存在。 5.使用特定的菌株 AD494, which has a mutation in thioredoxin reductase (trxB). Origami,a double mutant in thioredoxin reductase (trxB) and glutathione reductase (gor). 6.与可溶性partner融合表达 7.表达目的蛋白的一个片段 70 kDa的蛋白在大肠杆菌中是很难表达的。 8.体外去折叠,重新折叠 外源蛋白在大肠杆菌中的可溶性表达策略 摘要:长期以来,大肠杆菌一直是表达外源蛋白的首选表达系统.但

4、由于外源蛋白在表达过程中容易被宿主细胞蛋白酶降解或者形成包涵体,其应用受到了限制.本文综述了在大肠杆菌中表达可溶外源蛋白的策略和进展,以期提高具有生物活性的外源基因的表达水平. 1 前言:大肠杆菌具有遗传性状了解透彻、生长快、培养经济、表达水平高、待选质粒和宿主多等特点,在基因工程技术领域成为首选的表达系统.但是外源蛋白往往在获得高水平表达的同时,容易被宿主蛋白酶降解或者形成包涵体.目前国内外对蛋白质体外复性研究较多,但其过程往往费时、费力,且不经济,因此,探索外源蛋白在大肠杆菌中的可溶性表达具有较高的学术价值和广泛的应用前景. 2 宿主与载体的选择 2.1宿主的选择 2.1.1选择有利于外源

5、蛋白可溶性表达的宿主外源蛋白在大肠杆菌细胞质或细胞周质中表达时,容易被宿主本身表达的蛋白酶降解.因此,选择蛋白酶缺失的宿主非常有利于外源蛋白的表达,尤其是外源可溶蛋白和分泌表达的蛋白.Ignatova等采用不同的大肠杆菌宿主表达青霉素酰化酶,优化培养基后,发现蛋白酶缺失的宿主BL21(DE3)表达该活性可溶蛋白优势明显.Schein等发现缺失Ion蛋白酶的大肠杆菌宿主能显著地提高RNases的可溶分泌表达水平.除此之外,由于大肠杆菌细胞质环境是还原性的,不利于形成二硫键,因此,如果能构建促进二硫键形成的宿主,也将有可能极大地提高可溶蛋白的表达水平 2.1.2外源蛋白与其他辅助蛋白共表达在强启动

6、子调控下,外源蛋白在大肠杆菌中的表达水平往往比较高,而宿主自身的折叠辅助蛋白(分子伴侣与折叠酶)显然无法满足新生肽段正确折叠的要求.因此,共表达分子伴侣和折叠酶就有可能为外源新生肽段提供充分的辅助折叠支持,进而增加可溶活性蛋白的表达量.目前用于共表达以增加外源蛋白可溶性的辅助蛋白有GroEL/ES 和Dn水一DnaJ-GrpE、引发因子(Trigger factor)、硫氧还蛋白(Thioredoxin)和折叠酶fFoldase)等.需要注意的是,应根据外源蛋白的特点有选择性地共表达分子伴侣和折叠酶.例如在大肠杆菌中共表达热激蛋白GroEL/ES能增加某些蛋白(0c 一1,6一岩藻糖基转移酶、

7、浸麻芽孢杆菌环式糊精葡聚糖转移酶、谷氨酸消旋酶剐、过氧化物歧化酶、酪氨酸激酶、人胶原酶原)的可溶性,却对其他一些蛋白(人型干扰素受体2c亚基的胞外段、噬菌体P22结构蛋白、人酸性富含胱氨酸分泌型蛋白无增溶效果.又如GroEL/ES与人酪氨酸激酶Lck共表达并不能增加后者的可溶性,而硫氧还蛋白却能显著地促进该外源蛋白在大肠杆菌中的可溶性表达.除此之外,温度也可能会对共表达折叠辅助蛋白的效果产生重要的影响.例如preS2一S,_B一半乳糖苷酶与DnaK和DnaJ分子伴侣共表达,能在3042范围内提高可溶蛋白的表达水平,而共表达GroEL和GroES 分子伴侣却只能在30条件下取得比较好的效果.值得

8、一提的是,如果将几种折叠辅助蛋白分子同时共表达,有可能获得比单独表达某种折叠辅助蛋白更好的效果.Jiro等5J将GroEI/ES,Trx或DsbBD与谷氨酸消旋酶同时共表达,活性谷氨酸消旋酶的产量上升了2.22.3倍.在某些情况下,共表达那些能增加蛋白可溶性和促进大肠杆菌生长的蛋白也能起到良好的效果.例如Kallio等在大肠杆菌中共表达透明颤菌血红蛋白,发现该蛋白对活性蛋白的表达有明显促进作用. 2.2载体的选择 2.2.1启动子的选择目前有许多启动子应用于外源蛋白的表达.选择启动子可溶性表达外源蛋白,需要从启动子强度、漏表达程度、诱导性以及经济因素等各方面加以考虑.如果外源蛋白分泌表达,蛋白

9、表达速率必须加以优化,以防止大肠杆菌的转运系统达到饱和状态.因此,需要选择的启动子的强度应尽量与宿主细胞的转运能力保持一致.如果所表达的外源蛋白对细胞的生长有毒害作用,应尽量选择高度可抑制性和诱导性启动子,以减少对宿主细胞的不利影响.另外,还需要从经济和启动子诱导的操作性角度选择合适的启动子.目前应用相当广泛的PET系统,调控紧密,能使克隆到T7启动子下游的外源目的基因在IPTG(或乳糖)诱导下大量表达.但外源蛋白的过量表达往往形成包涵体,高水平的mRNA 也容易导致核糖体的破坏和细胞死亡,而且T7RNA聚合酶可能导致质粒和外源基因表达的不稳定.专门用于外源蛋白低温诱导的温度敏感型启动子冷激蛋

10、白CspA 能在适当低温条件下达到较高的可溶蛋白表达水平.Csp启动子比较适用于那些易形成包涵体或不稳定基因产物的外源蛋白的表达.除此之外,阿拉伯糖启动子、pH 启动子、渗透压启动子、溶氧启动子等也日益为人们所重视,并且有的已经成功应用于大规模生产过程. 2.2.2构建融合蛋白 通过增加连接体(Linker)而改变蛋白序列有可能改善蛋白折叠、提高蛋白的溶解性、增 强抗蛋白酶降解性、增加蛋白产量以及在培养基中分泌表达.而对于那些外源小分子量蛋白 或某些分子量较大蛋白的片段,只能考虑构建融合蛋白才能顺利表达.大肠杆菌麦芽糖结合蛋白(MBP)与目的蛋白融合表达,除了易于分离和提高目的蛋白稳定性外,还

11、常具有在细胞周质分泌表达的优点.Clement等将重组单链抗体(scFvs) C末端与MBP融合后在细胞质内表达,发现融合蛋白的可溶性和稳定性均比未融合蛋白有了显著的提高.Spangfort等将HIV人T淋巴细胞受体CD4与麦芽糖结合蛋白融合表达(LB培养基,30),发现融合表达产物可溶,并被转运到细胞周质.多聚组氨酸(Polyhistidine)与外源蛋白融合后能通过固定离子亲合层析给外源蛋白的分离纯化带来极大便利,但组氨酸的数目与融合部位对融合蛋白的表达水平及其溶解性有显著影响.硫氧还蛋白(Thioredoxin)与许多外源蛋白融合后能促进外源蛋白的可溶性表达,这种效应在较低温度下尤为显著

12、2引.其他可供选择的融合蛋白还有钙调蛋白结合蛋白(Calmodulinbinding peptide)、DsbA和谷胱甘肽一S一转移酶(GST)及天然大肠杆菌蛋白NusA,GrpE,BFR等.需要注意的是,温度可能对融合蛋白可溶性表达的效果有重大影响.另外,以融合蛋白方式表达外源蛋白有三点需要慎重考虑:首先,融合表达会增加一个切除融合片断的程序,该程序往往需要昂贵的高特异性的因子,相应地增加了成本;其次,即使是较高特异性的因子也往往会对目的蛋白发生作用,造成目的蛋白损失和杂蛋白增多;最后,即使融合蛋白表达的水平较高,经过各种分离程序之后,目的蛋白的量可能非常有限. 2.2. 3分泌表达 由于大

13、肠杆菌的细胞质是一个还原性环境,外源蛋白在细胞质内往往难以正确折叠.分泌表达外源蛋白能简化蛋白纯化工艺,除此之外,由于分泌表达后信号序列的切除,外源蛋白前端的甲硫氨酸残基不复存在,保证了外源蛋白N一端的纯正性.然而外源蛋白分泌表达是一个非常复杂的过程,常常会遇到诸如不完全的跨内膜转运、转运装置的容量不足 以及蛋白降解等问题.许多因素,包括外源蛋白的大小、氨基酸组成及导肽的类型都会对蛋白的转运造成影响.为获得外源蛋白的高效分泌表达,应尽量优化翻译水平,使其与大肠杆菌的转运装置的容量保持一致.共分泌表达分子伴侣或向培养基中加入低分子量的添加剂,往往会提高外源蛋白在细胞周质内分泌表达的水平. 2.2

14、.4密码子的使用 密码子的使用对外源基因的表达水平有重要的影响.研究人员已经对蛋白表达过程中稀有密码子替换的效应进行了深入的研究,但并没有获得一致性的结论.稀有密码子存在对某些蛋白质的表达具有负面影响,这种负面效应可能缘于某些tRNA相对不足,或者是密码子一反密码子配对的能量差异.在转录过程中稀有密码子的位置以及转录的速率都会影响密码子的翻译.虽然在某些情况下,密码子的优化可以获得更高水平的蛋白表达,但研究人员发现,基因的表达水平并非总是受稀有密码子的限制,而且rRNA的丰度也未必与密码子的使用相关联.值得注意的是,在某些基因中使用稀有密码子能显著降低肽链的延伸速率,从而有利于新生肽段的正确折

15、叠,提高外源活性蛋白的表达口.然而,对于特定外源蛋白的表达,一个密码子优化的程序可能是有益的,因为经过优化的基因序列往往能提高mRNA二级结构的稳定性. 3 培养条件与诱导方法的选择 3.1降低培养温度 最适合大肠杆菌生长的温度在3739之间,在此温度下表达外源蛋白极易生成包涵体.低温培养条件下表达外源蛋白能有效地增加可溶蛋白的比例.但培养温度也有一个下限,一般为810,因为在此温度以下,大肠杆菌将停止生长,蛋白也基本上停止表达.定点突变可能会对表达可溶蛋白的温度选择有重要影响.Mainfroid等发现人丙糖磷酸异构酶37下能在大肠杆菌中可溶表达,而丙糖磷酸异构酶的两个突变体Metl4Gln和

16、Arg98Gln 却在37下形成没有活性的包涵体,在28下才获得可溶表达.在某些情况下,不同的培 养温度都能表达可溶性蛋白,但是降低培养温度具有3个优势:首先,低温下培养基中的氧气溶解性更高,高密度培养时,能有效防止菌体厌氧生长,防止对菌体生长和外源蛋白表达有抑制作用的乙酸的生成;其次,低温培养时,抗生素的半衰期更长,质粒稳定性也可能会相应增加;最后,降低培养温度能降低可溶蛋白降解速率,提高可溶蛋白的稳定性. 降低培养温度能提高外源蛋白可溶性的原因目前还没有满意的解释.不少研究人员认为,低温能降低蛋白质合成的速率,改变多肽折叠的动力学,从而导致正确折叠的蛋白增加.但是,蛋白表达速率与蛋白可溶性之间并不存在必然的联系.Schein等通过改变SD 序列与起始密码子ATG之间的距离来改变Mx蛋白合成的速率,发现该蛋白在37都会形成包涵体,而底物不足