生物技術(shù)制藥課件

外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)大腸桿菌作為表達(dá)外源基因受體菌的特徵

大腸桿菌表達(dá)外源基因的優(yōu)勢(shì)全基因組測(cè)序，共有4405個(gè)開放型閱讀框架基因克隆表達(dá)系統(tǒng)成熟完善繁殖迅速、培養(yǎng)簡(jiǎn)單、操作方便、遺傳穩(wěn)定被美國(guó)FDA批準(zhǔn)為安全的基因工程受體生物外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)大腸桿菌作為表達(dá)外源基因受體菌的特徵

大腸桿菌表達(dá)外源基因的劣勢(shì)缺乏對(duì)真核生物蛋白質(zhì)的複性功能缺乏對(duì)真核生物蛋白質(zhì)的修飾加工系統(tǒng)內(nèi)源性蛋白酶降解空間構(gòu)象不正確的異源蛋白細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)含有種類繁多的內(nèi)毒素外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)外源基因在大腸桿菌中高效表達(dá)的原理啟動(dòng)子終止子核糖體結(jié)合位點(diǎn)密碼子質(zhì)?？截悢?shù)轉(zhuǎn)錄翻譯Ptac=3Ptrp=11Plac啟動(dòng)子-35區(qū)序列-10區(qū)序列PlacTTTACATATAATPtrpTTGACATTAACTPtacTTGACATATAAT

PtraATAGACATAATGT

PlLTTGACA

GATACT

PrecATTGATA

TATAAT啟動(dòng)子

轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理

具有多順反子結(jié)構(gòu)，基因排列次序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)子（lacP）-操縱基因（lacO）-結(jié)構(gòu)基因（lacZ-lacY-lacA）

正調(diào)節(jié)因數(shù)CAP

負(fù)調(diào)節(jié)因數(shù)

lacI啟動(dòng)子Lac

表達(dá)系統(tǒng)以大腸桿菌lac操縱子調(diào)控機(jī)理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、構(gòu)建的表達(dá)系統(tǒng)

lacI

Plac

lacO

lacZlacYlacA高效轉(zhuǎn)錄cAMPCAPlacI

Plac

lacO

lacZlacYlacARNA聚合酶基底水準(zhǔn)轉(zhuǎn)錄Lac

表達(dá)系統(tǒng)

正調(diào)節(jié)因數(shù)CAPcAMP啟動(dòng)CAP，CAP–cAMP複合物與

lac

操縱子上專一位點(diǎn)結(jié)合後，能促進(jìn)RNA聚合酶與–35、–10序列的結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)Plac

介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶RNA聚合酶基因工程中使用的lac啟動(dòng)子均為抗葡萄糖代謝阻遏的突變型，即PlacUV5

cAMP葡萄糖代謝cAMP濃度降低cAMPCAPCAPLac

表達(dá)系統(tǒng)

lacUV5突變體

PlacUV5突變體能夠在沒有CAP存在的情形下非常有效的起始轉(zhuǎn)錄，受它控制的基因在轉(zhuǎn)錄水準(zhǔn)上只受

lacI的調(diào)控，因此用它構(gòu)建的表達(dá)載體在使用時(shí)比野生型Plac更易操作。Lac

表達(dá)系統(tǒng)

負(fù)調(diào)節(jié)因數(shù)

lacI

在無(wú)誘導(dǎo)物情形下，

lacI

基因產(chǎn)物形成四聚體阻遏蛋白，與啟動(dòng)子下游的操縱基因緊密結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄的起始。lacI

Plac

lacO

lacZlacYlacARNA聚合酶基底水準(zhǔn)轉(zhuǎn)錄lacI

Plac

lacO

lacZlacYlacA高效轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶IPTGmRNATac

表達(dá)系統(tǒng)

tac啟動(dòng)子是由

trp的–35序列和

lacUV5的–10序列拼接而成的雜合啟動(dòng)子。

調(diào)控模式與lacUV5相似，但mRNA轉(zhuǎn)錄水準(zhǔn)更高於

trp和lacUV5

啟動(dòng)子（Ptac=3Ptrp=11Plac），因此在要求有較高基因表達(dá)水準(zhǔn)的情況下，選用tac啟動(dòng)子比用lacUV5啟動(dòng)子更優(yōu)越。啟動(dòng)子-35區(qū)序列-10區(qū)序列PlacTTTACATATAATPtrpTTGACATTAACTPtacTTGACATATAAT

lac、tac

啟動(dòng)子對(duì)宿主菌的要求

在普通大腸桿菌中，LacI阻遏蛋白僅能滿足細(xì)胞染色體上lac操縱子轉(zhuǎn)錄調(diào)控的需要。

當(dāng)多拷貝的

lacO隨著帶有l(wèi)acUV5、tac啟動(dòng)子的表達(dá)質(zhì)粒轉(zhuǎn)化進(jìn)入大腸桿菌後，LacI阻遏蛋白與lacO

的比例顯著下降，無(wú)法保證每一個(gè)lacO都能獲得足夠的LacI阻遏蛋白參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控。表現(xiàn)為在無(wú)誘導(dǎo)物存在的情形下，lacUV5、tac啟動(dòng)子有較高的本底轉(zhuǎn)錄。lac、tac

啟動(dòng)子對(duì)宿主菌的要求為了使以Lac、Tac表達(dá)系統(tǒng)具有嚴(yán)緊調(diào)控外源基因轉(zhuǎn)錄的能力，一種能產(chǎn)生過量的LacI阻遏蛋白的lacI

基因的突變體lacIq

被應(yīng)用於表達(dá)系統(tǒng)。大腸桿菌JM109等菌株的基因型均為lacIq

，常被選用為L(zhǎng)ac、Tac

表達(dá)系統(tǒng)的宿主菌。

但是這些菌株也只能對(duì)低拷貝的表達(dá)載體實(shí)現(xiàn)嚴(yán)緊調(diào)控，在使用高拷貝複製子構(gòu)建表達(dá)載體時(shí)，仍能觀察到較高水準(zhǔn)的本底轉(zhuǎn)錄。

需在表達(dá)載體中插入lacIq

基因以保證有較多的LacI阻遏蛋白產(chǎn)生。lac、tac

表達(dá)系統(tǒng)存在的問題

IPTG用於誘導(dǎo)

lac、tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，但由於IPTG本身具有一定的

毒性。從安全角度，對(duì)表達(dá)和製備用於醫(yī)療目的的重組蛋白並不適合。

一些國(guó)家規(guī)定在生產(chǎn)人用重組蛋白質(zhì)的生產(chǎn)工藝中不能使用IPTG

解決方法

lac

和tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄受溫度嚴(yán)緊調(diào)控乳糖替代IPTG誘導(dǎo)lac

和tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄lac、tac

表達(dá)系統(tǒng)存在的問題

lac

和tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄受溫度嚴(yán)緊調(diào)控

把阻遏蛋白LacI的溫度敏感突變體lacI(ts)、lacIq(ts)插入表達(dá)載體或整合到染色體後，均能使lac

和tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄受到溫度嚴(yán)緊調(diào)控在較低溫度（30℃）時(shí)抑制，在較高溫度（42℃）時(shí)開放。用乳糖替代IPTG誘導(dǎo)lac

和tac啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄乳糖在b-半乳糖苷酶作用下生成異乳糖，異乳糖具有誘導(dǎo)劑的作用這一過程涉及乳糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化，其效率受到多種因素的影響和制約因此乳糖誘導(dǎo)的有效劑量大大高於IPTG。乳糖本身作為一種碳源可以被大腸桿菌代謝利用，較多的乳糖存在也會(huì)導(dǎo)致菌體生理及生長(zhǎng)特性變化。乳糖替代lPTG作為誘導(dǎo)劑的研究要與發(fā)酵工藝結(jié)合起來，才能顯示其良好的前景。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理色氨酸啟動(dòng)子Ptrp受色氨酸-阻遏蛋白複合物的阻遏，轉(zhuǎn)錄呈基底狀態(tài)。在培養(yǎng)系統(tǒng)中去除色氨酸或者加入3-吲哚丙烯酸（IAA），便可有效地解除阻遏抑制作用。在正常的細(xì)菌培養(yǎng)體系中，除去色氨酸是困難的，因此基因工程中往往添加IAA誘導(dǎo)Ptrp

介導(dǎo)的目的基因表達(dá)啟動(dòng)子Trp

表達(dá)系統(tǒng)以大腸桿菌trp操縱子調(diào)控機(jī)理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、構(gòu)建的表達(dá)系統(tǒng)

Trp

表達(dá)系統(tǒng)

Ptrp

OtrpRNA聚合酶基底水準(zhǔn)轉(zhuǎn)錄高效轉(zhuǎn)錄mRNA

Ptrp

Otrp去除色氨酸高效轉(zhuǎn)錄mRNA

Ptrp

Otrp加入IAARNA聚合酶RNA聚合酶PL

和PR

表達(dá)系統(tǒng)

以l噬菌體早期轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子PL、PR

為核心構(gòu)建的表達(dá)系統(tǒng)

在野生型l噬菌體中，PL

、PR

啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄與否決定了l

噬菌體進(jìn)入裂解迴圈還是溶源迴圈。啟動(dòng)子PL

和PR

表達(dá)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理由

l噬菌體PE

啟動(dòng)子控制的cI基因的產(chǎn)物是PL、PR啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的阻遏物。cI基因的產(chǎn)物在大腸桿菌宿主中的濃度取決於一系列宿主與噬菌體因數(shù)之間的錯(cuò)綜複雜的平衡關(guān)係。由於通過細(xì)胞因數(shù)來控制cI

基因產(chǎn)物的產(chǎn)生和消失是相當(dāng)困難的。

因此PL、PR

表達(dá)系統(tǒng)都選用溫度敏感突變體cI857(ts)

的基因產(chǎn)物來調(diào)控PL、PR

啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。

在較低溫度（30℃）時(shí)以活性形式存在在較高溫度（42℃）時(shí)失活脫落PL

和PR

表達(dá)系統(tǒng)宿主菌中沒有cI基因產(chǎn)物，PL、PR啟動(dòng)子的高強(qiáng)度直接轉(zhuǎn)錄，帶有PL

或

PR啟動(dòng)子的表達(dá)載體在普通大腸桿菌中相當(dāng)不穩(wěn)定。

對(duì)宿主菌的要求

用溶源化

l噬菌體的大腸桿菌作PL、PR

啟動(dòng)子表達(dá)載體的宿主菌

N4830-1，POP2136等菌株已經(jīng)溶源化cI857(ts)

l

噬菌體，可用作表達(dá)外源基因時(shí)的宿主菌。

把cI857(ts)

基因組裝在表達(dá)載體上宿主菌選擇範(fàn)圍更大PL

和PR表達(dá)系統(tǒng)存在的問題

由於PL和

PR表達(dá)系統(tǒng)誘導(dǎo)時(shí)不加化學(xué)誘導(dǎo)劑，成本又低廉，最初幾個(gè)在大腸桿菌中製備的藥用重組蛋白質(zhì)都採(cǎi)用PL或

PR表達(dá)系統(tǒng)。

缺陷在熱脈衝誘導(dǎo)過程中，大腸桿菌熱休克蛋白的表達(dá)也會(huì)被啟動(dòng)，其中一些是蛋白水解酶，有可能降解所表達(dá)的重組蛋白。在大體積發(fā)酵培養(yǎng)菌體時(shí)，通過熱平衡交換方式把培養(yǎng)溫度從30℃

提高到42℃需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這種緩慢的升溫方式影響誘導(dǎo)效果，對(duì)重組蛋白表達(dá)量有一定的影響。

T7表達(dá)系統(tǒng)大腸桿菌T7噬菌體具有一套專一性非常強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄體系，利用這一體系中的元件為基礎(chǔ)構(gòu)建的表達(dá)系統(tǒng)稱為T7表達(dá)系統(tǒng)。T7表達(dá)系統(tǒng)

T7噬菌體基因1編碼的T7RNA聚合酶選擇性的啟動(dòng)T7噬菌體啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。

T7RNA聚合酶活性高，其合成RNA的速度比大腸桿菌RNA聚合酶快5倍左右。並可以轉(zhuǎn)錄某些不能被大腸桿菌RNA聚合酶有效轉(zhuǎn)錄的序列。

在細(xì)胞中存在T7RNA聚合酶和T7噬茵體啟動(dòng)子的情形下，大腸桿菌宿主本身基因的轉(zhuǎn)錄競(jìng)爭(zhēng)不過T7噬菌體轉(zhuǎn)錄體系，最終受T7噬菌體啟動(dòng)子控制的基因的轉(zhuǎn)錄達(dá)到很高的水準(zhǔn)。T7表達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理

T7噬菌體啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄完全依賴於T7RNA聚合酶，因此T7RNA

聚合酶的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式就決定了表達(dá)系統(tǒng)的調(diào)控方式。

化學(xué)誘導(dǎo)型溫度誘導(dǎo)型雙質(zhì)粒系統(tǒng)T7RNA

聚合酶T7啟動(dòng)子目的基因

T7RNA聚合酶基因？啟動(dòng)子T7表達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理

化學(xué)誘導(dǎo)型噬菌體DE3是

l噬菌體的衍生株，一段含有l(wèi)acI、lacUV5

啟動(dòng)子和T7RNA聚合酶基因的

DNA片段被插入其

int基因中

用噬菌體DE3的溶源菌作為表達(dá)載體的宿主菌，調(diào)控方式為

化學(xué)誘導(dǎo)型，類似於Lac表達(dá)系統(tǒng)。

T7RNA聚合酶基因

lac

啟動(dòng)子E.Coli（DE3）T7啟動(dòng)子

目的基因T7RNA

聚合酶IPTG誘導(dǎo)T7表達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理

溫度誘導(dǎo)型

PL

啟動(dòng)子控制T7RNA聚合酶基因，通過熱誘導(dǎo)方式激發(fā)

T7噬菌體啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。

這種方式可以使本底轉(zhuǎn)錄降到很低的水準(zhǔn)，尤其適用於表達(dá)對(duì)大腸桿菌宿主有毒性的重組蛋白質(zhì)。

T7RNA聚合酶基因PL

啟動(dòng)子E.Coli（CE6）T7啟動(dòng)子

目的基因T7RNA

聚合酶熱誘導(dǎo)cI857T7表達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理

雙質(zhì)粒系統(tǒng)一個(gè)質(zhì)粒帶有T7RNA聚合酶基因，另一個(gè)質(zhì)粒帶有T7啟動(dòng)子和目的基因

兩個(gè)質(zhì)粒的複製子和抗性標(biāo)記不能相同調(diào)控方式為控制T7RNA聚合酶的啟動(dòng)子調(diào)控類型T7RNA

聚合酶熱誘導(dǎo)T7啟動(dòng)子

目的基因

T7RNA聚合酶基因

PL

啟動(dòng)子

cI857

p15Aori

KanRColE1ori

AmpRT7表達(dá)系統(tǒng)存在的問題

T7表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)目的基因的水準(zhǔn)是目前所有表達(dá)系統(tǒng)中最高的，但也不可避免出現(xiàn)在相對(duì)較高的本底轉(zhuǎn)錄，如果目的基因產(chǎn)物對(duì)大腸桿菌宿主有毒性，會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)。

解決辦法之一

在表達(dá)系統(tǒng)中低水準(zhǔn)表達(dá)T7溶菌酶基因。因?yàn)門7溶菌酶除了作用於大腸桿菌細(xì)胞壁上肽聚糖外，還能與

T7RNA聚合酶結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄的活性。目前T7溶菌酶基因都通過共轉(zhuǎn)化質(zhì)拉導(dǎo)入表達(dá)系統(tǒng)，它能明顯降低本底轉(zhuǎn)錄，但對(duì)誘導(dǎo)後目的基因的表達(dá)水準(zhǔn)無(wú)明顯影響。

營(yíng)養(yǎng)調(diào)控型採(cǎi)用大腸桿菌鹼性磷酸酯酶基因

phoA啟動(dòng)子或甘油3’-磷酸轉(zhuǎn)移系統(tǒng)ugp

啟動(dòng)子構(gòu)建表達(dá)載體。

這兩個(gè)啟動(dòng)子受在培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)磷（Pi）濃度調(diào)控（Pi﹥5mmol/L

時(shí)抑制，Pi﹤1mmol/L時(shí)啟動(dòng))，具有較高的轉(zhuǎn)錄水準(zhǔn)。其他表達(dá)系統(tǒng)

糖原調(diào)控型採(cǎi)用的有大腸桿菌半乳糖轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（mglBAEC)mgl啟動(dòng)子或沙門氏菌阿拉伯糖基因araB啟動(dòng)子構(gòu)建表達(dá)載體。

這兩個(gè)啟動(dòng)子受葡萄糖抑制，巖藻糖和阿拉伯糖是它們的誘導(dǎo)物。其調(diào)控機(jī)理類似於Lac表達(dá)系統(tǒng).其他表達(dá)系統(tǒng)pH調(diào)控型採(cǎi)用大腸桿菌賴氨酸脫羧酶基因cadA

啟動(dòng)子構(gòu)建表達(dá)載體。

cadA啟動(dòng)子受培養(yǎng)基中H+濃度，即pH值調(diào)控。（在pH﹥8時(shí)抑制，pH﹤6時(shí)啟動(dòng)，pH=6時(shí)轉(zhuǎn)錄活力最高）。

該表達(dá)系統(tǒng)要求菌體發(fā)酵溫度控制在27～30℃之間才能使目的基因得到穩(wěn)定的表達(dá).其他表達(dá)系統(tǒng)溶氧調(diào)控型採(cǎi)用大腸桿菌丙酮酸甲酸裂解酶基因pfl

啟動(dòng)子，硝基還原酶基因nirB啟動(dòng)子或透明顫菌血紅蛋白基因

vgb

啟動(dòng)子構(gòu)建表達(dá)載體。這些啟動(dòng)子中都含有對(duì)氧回應(yīng)的調(diào)節(jié)因數(shù)fnr

的作用位點(diǎn)。

在富氧條件下轉(zhuǎn)錄被抑制，在貧氧或微氧條件下轉(zhuǎn)錄被啟動(dòng)。其他表達(dá)系統(tǒng)溶氧調(diào)控型大腸桿菌GJ100有透明顫菌血紅蛋白基因（vgb）啟動(dòng)子控制下的T7RNA聚合酶基因表達(dá)質(zhì)粒，vgb基因的轉(zhuǎn)錄是受環(huán)境溶氧濃度調(diào)控的，在貧氧條件下vgb基因的啟動(dòng)子被啟動(dòng)。

因此，用大腸桿菌GJ100作為宿主時(shí)，表達(dá)系統(tǒng)調(diào)控方式為貧氧誘導(dǎo)型，菌體發(fā)酵時(shí)的溶氧濃度可以通過控制攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量加以調(diào)節(jié)，與其他調(diào)控模式相比更適合於產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程。其他表達(dá)系統(tǒng)生物素調(diào)控型

用大腸桿菌生物素操縱子及其調(diào)控區(qū)構(gòu)建表達(dá)載體，菌體生長(zhǎng)過程中生物素會(huì)不斷消耗，當(dāng)濃度到達(dá)2ng/ml以下時(shí)啟動(dòng)子被啟動(dòng)。

能夠在沒有外界的物理，化學(xué)信號(hào)的介入條件下自動(dòng)誘導(dǎo)表達(dá)目的基因是這類表達(dá)載體的特點(diǎn)，其缺陷是不容易精確控制自動(dòng)誘導(dǎo)的時(shí)刻。其他表達(dá)系統(tǒng)強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄終止的必要性

外源基因在強(qiáng)啟動(dòng)子的控制下表達(dá)，容易發(fā)生轉(zhuǎn)錄過頭現(xiàn)象，即RNA聚合酶滑過終止子結(jié)構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄質(zhì)粒上鄰近的DNA序列，形成長(zhǎng)短不一的mRNA混合物過長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄物的產(chǎn)生在很大程度上會(huì)影響外源基因的表達(dá)，其原因如下：轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物越長(zhǎng)，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄一分子mRNA所需的時(shí)間就相應(yīng)增加，外源基因本身的轉(zhuǎn)錄效率下降；如果外源基因下游緊接有載體上的其他重要基因或DNA功能區(qū)域，如選擇性標(biāo)記基因和複製子結(jié)構(gòu)等，則RNA聚合酶在此處的轉(zhuǎn)錄可能干擾質(zhì)粒的複製及其它生物功能，甚至導(dǎo)致重組質(zhì)粒的不穩(wěn)定性；過長(zhǎng)的mRNA往往會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)用的蛋白質(zhì)，增加工程菌無(wú)謂的能量消耗；更為嚴(yán)重的是，過長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄物往往不能形成理想的二級(jí)結(jié)構(gòu)，從而大大降低外源基因編碼產(chǎn)物的翻譯效率終止子強(qiáng)終止子的選擇與使用目前外源基因表達(dá)質(zhì)粒中常用的終止子是來自大腸桿菌rRNA操縱子上的rrnT1T2

以及T7噬菌體DNA上的Tf。

對(duì)於一些終止作用較弱的終止子，通?？梢話?cǎi)用二聚體終止子串聯(lián)的特殊結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄終止作用終止子核糖體結(jié)合位點(diǎn)外源基因在大腸桿菌細(xì)胞中的高效表達(dá)不僅取決於轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的頻率，而且在很大程度上還與mRNA的翻譯起始效率密切相關(guān)。大腸桿菌細(xì)胞中結(jié)構(gòu)不同的mRNA分子具有不同的翻譯效率，它們之間的差別有時(shí)可高達(dá)數(shù)百倍。

mRNA翻譯的起始效率主要由其5‘端的結(jié)構(gòu)序列所決定，稱為核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）

核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)大腸桿菌核糖體結(jié)合位點(diǎn)包括下列四個(gè)特徵結(jié)構(gòu)要素：

位於翻譯起始密碼子上游的6–8個(gè)核苷酸序列

5’UAAGGAGG3’

即Shine-Dalgarno（SD）序列，它通過識(shí)別大腸桿菌核糖體小亞基中的16SrRNA3’端區(qū)域3’AUUCCUCC5’並與之專一性結(jié)合將mRNA定位於核糖體上，從而啟動(dòng)翻譯；

翻譯起始密碼子，大腸桿菌絕大部分基因以AUG作為閱讀框架的起始位點(diǎn)，有些基因也使用GUG或UUG作為翻譯起始密碼子

SD序列與翻譯起始密碼子之間的距離及堿基組成基因編碼區(qū)5’端若干密碼子的堿基序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)對(duì)外源基因表達(dá)的影響

SD序列的影響一般來說，mRNA與核糖體的結(jié)合程度越強(qiáng)，翻譯的起始效率就越高，而這種結(jié)合程度主要取決於SD（UAAGGAGG）序列與

16SrRNA的堿基互補(bǔ)性，其中以GGAG

四個(gè)堿基序列尤為重要。對(duì)多數(shù)基因而言，上述四個(gè)堿基中任何一個(gè)換成C或T，均會(huì)導(dǎo)致翻譯效率大幅度降低核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)對(duì)外源基因表達(dá)的影響

SD序列與起始密碼子之間的序列的影響

SD序列下游的堿基若為AAAA或UUUU，翻譯效率最高；而

CCCC或GGGG的翻譯效率則分別是最高值的50%和25%。

緊鄰AUG的前三個(gè)堿基成份對(duì)翻譯起始也有影響。對(duì)於大腸桿菌b-半乳糖苷酶的mRNA而言，在這個(gè)位置上最佳的堿基組合是UAU或CUU，如果用UUC、UCA或AGG取代之，則酶的表達(dá)水準(zhǔn)低20倍核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)對(duì)外源基因表達(dá)的影響

SD序列與起始密碼子之間的距離的影響

SD序列與起始密碼子AUG

之間的精確距離保證了mRNA在核糖體上定位後，翻譯起始密碼子AUG正好處?kù)逗颂求w複合物結(jié)構(gòu)中的P位，這是翻譯啟動(dòng)的前提條件。

在很多情況下，SD序列位於AUG之前大約七個(gè)堿基處，在此間隔中少一個(gè)堿基或多一個(gè)堿基，均會(huì)導(dǎo)致翻譯起始效率不同程度的降低核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)對(duì)外源基因表達(dá)的影響

起始密碼子及其後續(xù)若干密碼子的影響大腸桿菌中的起始tRNA分子可以同時(shí)識(shí)別AUG、GUG和UUG

三種起始密碼子，但其識(shí)別頻率並不相同，通常GUG為AUG的

50%，而UUG只及AUG的25%。

除此之外，從AUG開始的前幾個(gè)密碼子堿基序列也至關(guān)重要，至少這一序列不能與mRNA的

5’端非編碼區(qū)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，否則便會(huì)嚴(yán)重干擾mRNA在核糖體上的準(zhǔn)確定位

目前廣泛用於外源基因表達(dá)的大腸桿菌表達(dá)型質(zhì)粒上，均含有與啟動(dòng)子來源相同的核糖體結(jié)合位點(diǎn)序列，序列和間隔是最佳的。核糖體結(jié)合位點(diǎn)

不同的生物，甚至同種生物不同的蛋白質(zhì)編碼基因，對(duì)簡(jiǎn)並密碼子使用頻率並不相同，具有一定的偏愛性，其決定因素是：生物基因組中的堿基含量在富含AT的生物（如單鏈DNA噬菌體φX174）基因組中，密碼子第三位上的U和A出現(xiàn)的頻率較高；在GC豐富的生物（如鏈黴菌）基因組中，第三位上含有G或C的簡(jiǎn)並密碼子占90%以上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)密碼子與反密碼子相互作用的自由能性中等強(qiáng)度規(guī)律如GGG、CCC、GCG、GGC、AAA、UUU、AUA、UAU等使用少如GUG、CAC、UCG、AGC、ACA、UGU、AUC、UUG等使用多細(xì)胞內(nèi)tRNA的含量密碼子生物體對(duì)密碼子的偏愛性密碼子密碼子偏愛性對(duì)外源基因表達(dá)的影響

由於原核生物和真核生物基因組中密碼子的使用頻率具有較大程大的差異性，因此外源基因尤其是高等哺乳動(dòng)物基因在大腸桿菌中高效翻譯的一個(gè)重要因素是密碼子的正確選擇。

一般而言，有兩種策略可以使外源基因上的密碼子在大腸桿菌細(xì)胞中獲得最佳表達(dá)：

外源基因全合成同步表達(dá)相關(guān)tRNA編碼基因質(zhì)粒拷貝數(shù)質(zhì)?？截悢?shù)對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)代謝的影響目前實(shí)驗(yàn)室裏廣泛使用的表達(dá)型質(zhì)粒在每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中可達(dá)數(shù)百甚至上千個(gè)拷貝，質(zhì)粒的擴(kuò)增過程通常發(fā)生在受體細(xì)胞的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)，而此時(shí)正是細(xì)菌生理代謝最旺盛的階段。質(zhì)粒分子的過度增殖以及其後目的基因的高效表達(dá)勢(shì)必會(huì)影響受體細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而導(dǎo)致重組質(zhì)粒的不穩(wěn)定性以及目的基因宏觀表達(dá)水準(zhǔn)的下降

解決上述難題的一種有效策略是將重組質(zhì)粒的擴(kuò)增納入可控制的軌道

外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)蛋白質(zhì)的合成是在細(xì)胞之中進(jìn)行的目標(biāo)蛋白在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是：表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建比較簡(jiǎn)單；能夠達(dá)到很高的目標(biāo)蛋白表達(dá)量，一般可以達(dá)到占細(xì)胞總蛋白的

20%～40%。目標(biāo)蛋白在大腸桿菌系統(tǒng)表達(dá)的形式有二種：

在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)為不溶性的包涵體顆粒

包涵體存在於大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)中

在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)為可溶性的蛋白質(zhì)

可溶性的目標(biāo)蛋白質(zhì)除可存在於細(xì)胞質(zhì)中外，還可借助於本身的功能序列和大腸桿菌蛋白質(zhì)加工、運(yùn)輸體系，最終分泌到周質(zhì)空間，或外泌到培養(yǎng)液中。大腸桿菌基因工程菌的構(gòu)建策略

包涵體型異源蛋白的表達(dá)分泌型異源蛋白的表達(dá)融合型異源蛋白的表達(dá)寡聚型異源蛋白的表達(dá)整合型異源蛋白的表達(dá)蛋白酶抗性或缺陷型表達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)建外源基因在大腸桿菌中的表達(dá)包涵體及其性質(zhì)在某些生長(zhǎng)條件下，大腸桿菌能積累某種特殊的生物大分子，它們緻密地集聚在細(xì)胞內(nèi)，或被膜包裹或形成無(wú)膜裸露結(jié)構(gòu)，這種水不溶性的結(jié)構(gòu)稱為包涵體（InclusionBodies，IB）。富含蛋白質(zhì)的包涵體多見於生長(zhǎng)在含有氨基酸類似物培養(yǎng)基的大腸桿菌細(xì)胞中，由這些氨基酸類似物所合成的蛋白質(zhì)往往會(huì)喪失其理化特性和生物功能，從而集聚形成包涵體。由高效表達(dá)質(zhì)粒構(gòu)建的大腸桿菌工程菌大量合成非天然性的同源或異源蛋白質(zhì)，後者在一般情況下也以包涵體的形式存在於細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)。除此之外，包涵體中還含有少量的DNA、RNA和脂多糖等非蛋白分子包涵體型異源蛋白的表達(dá)以包涵體形式表達(dá)目的蛋白的優(yōu)缺點(diǎn)

包涵體表達(dá)形式的優(yōu)點(diǎn)在一定程度上保持表達(dá)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能夠避免細(xì)胞內(nèi)蛋白水解酶的作用，有利於目標(biāo)蛋白的富集

簡(jiǎn)化外源基因表達(dá)產(chǎn)物的分離操作包涵體的水難溶性及其密度遠(yuǎn)大於其他細(xì)胞碎片和細(xì)胞成分，菌體經(jīng)超聲波裂解後，直接通過高速離心即可將重組異源蛋白從細(xì)菌裂解物中分離出來

能夠表達(dá)對(duì)大腸桿菌宿主有毒或有致死效應(yīng)的目標(biāo)蛋白。包涵體型異源蛋白的表達(dá)以包涵體形式表達(dá)目的蛋白的優(yōu)缺點(diǎn)

包涵體表達(dá)形式的缺點(diǎn)以包涵體形式表達(dá)的重組蛋白喪失了原有的生物活性，必須通過有效的變性複性操作，才能回收得到具有正確空間構(gòu)象（因而具有生物活性）的目標(biāo)蛋白，因此包涵體變複性操作的效率對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的收率至關(guān)重要。

經(jīng)過複性處理的目標(biāo)蛋白不一定能完全恢復(fù)原來的生物學(xué)活性，有時(shí)甚至完全得不到有活性的蛋白蛋，尤其當(dāng)目標(biāo)蛋白分子中的

Cys殘基數(shù)目較高時(shí)，體外複性蛋白質(zhì)的成功率相當(dāng)?shù)?，一般不超過30%

複性處理工藝可使目標(biāo)蛋白的製備成本上升。包涵體型異源蛋白的表達(dá)包涵體的變性與複性操作包涵體的溶解與變性包涵體的溶解與變性的主要任務(wù)是拆開錯(cuò)配的二硫鍵和次級(jí)鍵。在人工條件下，使包涵體溶解並重新進(jìn)入複性途徑中。

能有效促進(jìn)包涵體溶解變性的試劑和條件包括：

清洗劑

SDS、正十二醇肌氨酸，廉價(jià)，但影響複性和純化

促溶劑鹽酸胍、尿素，前者昂貴，尿素便宜，但常被自發(fā)形成的氰酸鹽污染，後者能與多肽鏈中的氨基反應(yīng)

混合溶劑如尿素與醋酸、二甲基碸等聯(lián)合使用，溶解力增強(qiáng)

極端pH

廉價(jià)，但許多蛋白質(zhì)在極端pH條件下發(fā)生修飾反應(yīng)包涵體型異源蛋白的表達(dá)包涵體的變性與複性操作

包涵體的複性與重折疊（refolding）包涵體的複性與重折疊的主要任務(wù)：將多肽鏈中被拆開的游離巰基重新折疊通過次級(jí)鍵的形成使蛋白質(zhì)複性包涵體型異源蛋白的表達(dá)在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)為可溶性的蛋白質(zhì)

目標(biāo)蛋白以可溶性蛋白質(zhì)形式表達(dá)雖然可以避免包涵體複性帶來的問題，但是也有一定的缺陷，主要表現(xiàn)為大腸桿菌本身存在於細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)往往只含有少量的，甚至沒有半胱氨酸殘基。富含半胱氨酸殘基，需要形成二硫鍵的蛋白質(zhì)大部份被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞的其他部位。

分泌型異源蛋白的表達(dá)

這是因?yàn)榇竽c桿菌細(xì)胞質(zhì)微環(huán)境的氧化還原態(tài)勢(shì)不利於蛋白質(zhì)二硫鍵的形成，而且缺少一種形成二硫鍵所必須的體系。一些需要通過二硫鍵的形成來維持其構(gòu)象的目標(biāo)蛋白在大腸桿菌的細(xì)胞質(zhì)中往往不能正確折疊。解決這一問題的途徑之一是用大腸桿菌氧硫還蛋白還原酶基因trxB缺陷株作為宿主菌表達(dá)目標(biāo)蛋白。研究表明trxB缺陷株細(xì)胞質(zhì)的氧化還原態(tài)勢(shì)發(fā)生了變化，蛋白質(zhì)在trxB缺陷株的細(xì)胞質(zhì)中能夠形成二硫鍵。這一菌株對(duì)於表達(dá)結(jié)構(gòu)複雜的蛋白質(zhì)而言是一·個(gè)相當(dāng)重要的工具。分泌型異源蛋白的表達(dá)在細(xì)胞質(zhì)中直接表達(dá)不帶有前導(dǎo)序列的成熟蛋白質(zhì)

在細(xì)胞質(zhì)中直接表達(dá)不帶有前導(dǎo)序列的成熟蛋白質(zhì)需要起始密碼，通常為編碼甲硫氨酸的ATG。⑴在多數(shù)情況下，N端附加的甲硫氨酸對(duì)蛋白質(zhì)的性質(zhì)沒有特別的影響，但是也有附加的甲硫氨酸嚴(yán)重影響蛋白質(zhì)生物學(xué)活力的報(bào)導(dǎo)。⑵另外，附加的甲硫氨酸也可能改變蛋白質(zhì)的免疫性質(zhì)和藥理性質(zhì)。從製備用於醫(yī)療目的的蛋白質(zhì)的角度來看，這是一個(gè)需要引起重視的問題。

去除附加的甲硫氨酸有二種方法：

⑴在表達(dá)系統(tǒng)中共表達(dá)甲硫氨酸氨肽酶基因。⑵在分離純化後在體外用外肽酶處理。但它們都對(duì)與甲硫氨酸相鄰的氨萊酸殘基類型有一定要求，因此在使用上有一定的限制。目標(biāo)蛋白與有親合配基的序列融合表達(dá)

與純化包涵體相比，細(xì)胞質(zhì)中以可溶性形式表達(dá)蛋白質(zhì)的分離純化過程比較複雜，一般要通過親合層析才能達(dá)到比較高的純度。目標(biāo)蛋白與有親合配基的序列融合表達(dá)既可以提高分離純化的效率，又能在融合蛋白切離的過程中得到?jīng)]有附加甲硫氨酸目標(biāo)蛋白。金黃色葡萄球菌蛋白G、A和衍生物Z，日本血吸蟲穀胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶，大腸桿菌麥芽糖結(jié)合蛋白，His-tag等是目前常用的與目標(biāo)基因融合表達(dá)的序列。目標(biāo)蛋白在周質(zhì)空間中表達(dá)目標(biāo)蛋白在周質(zhì)空間中表達(dá)的優(yōu)點(diǎn)⑴大腸桿菌周質(zhì)空間中自身蛋白質(zhì)的數(shù)量約為100種，只占菌體總蛋白數(shù)量的4%。蛋白水解酶的含最與在細(xì)胞質(zhì)中相比也少得多，因此目標(biāo)蛋白在周質(zhì)空間中表達(dá)有利於分離純化和減少蛋白水解酶的降解。⑵目標(biāo)蛋白從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)空間過程中信號(hào)肽被加工切除，有效地避免了N端附加的甲硫氨酸的產(chǎn)生。⑶周質(zhì)空間中呈氧化型的氧化還原態(tài)勢(shì)使目標(biāo)蛋白能夠較好折疊，維持正確的構(gòu)象。目標(biāo)蛋白外泌表達(dá)

把所表達(dá)的目標(biāo)蛋白外泌到細(xì)胞外的培養(yǎng)基中可以進(jìn)一步減少蛋白水解酶的降解，也有利於分離純化。目前成功的例子主要是採(cǎi)用以下方案:

（1）與大腸桿菌本身的外泌蛋白基因融合表達(dá)（2）與一些能提高細(xì)胞外膜通透性的因數(shù)融合或共表達(dá)（3）改變培養(yǎng)基的成分歸納現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示這些方法僅對(duì)外泌分子量較小的蛋白有效，而且外泌效率一般都比較低。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)表達(dá)質(zhì)粒的優(yōu)化和設(shè)計(jì)共表達(dá)大腸桿菌稀有密碼子tRNA基因提高目標(biāo)基因mRNA和目標(biāo)基因產(chǎn)物的穩(wěn)定性高密度發(fā)酵和工程化宿主細(xì)胞四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)表達(dá)質(zhì)粒的優(yōu)化和設(shè)計(jì)在各種表達(dá)載體中，啟動(dòng)子和SD序列的下游都設(shè)計(jì)了一段含有各種限制性酶切位點(diǎn)的序列，用於目標(biāo)基因的插入。這一插入位點(diǎn)附近的序列將成為核糖體結(jié)合位點(diǎn)的一部分，因此它對(duì)於構(gòu)建高效表達(dá)質(zhì)粒是至關(guān)重要的。由於每一個(gè)基因都具有各自獨(dú)特的5’端結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建成的各種表達(dá)質(zhì)粒所具有的核糖體結(jié)合位點(diǎn)是一個(gè)變數(shù)。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)表達(dá)質(zhì)粒的優(yōu)化和設(shè)計(jì)

構(gòu)建表達(dá)質(zhì)粒時(shí)首先要考慮使目標(biāo)基因的翻譯起始密碼ATG與SD序列之間的距離和堿基組成處?kù)兑粋€(gè)適當(dāng)?shù)墓?fàn)圍內(nèi)。核糖體結(jié)合位點(diǎn)序列的變化對(duì)mRNA的翻譯效率有顯著影響，具體表現(xiàn)為：

SD序列UAAGGAGG的翻譯效率要比AAGGA高3～6倍翻譯起始密碼ATG與UAAGGAGG的最適距離是6～8個(gè)堿基長(zhǎng)度，與AAGAA的最適距離是5～7個(gè)堿基長(zhǎng)度

ATG與UAAGGAGG至少相隔3～4個(gè)堿基，與AAGAA至少相隔5

個(gè)堿基；mRNA的翻譯才能進(jìn)行

ATG與SD序列之間的堿基組成為A，T堿基豐富時(shí)，mRNA翻譯效率較高。

核糖體結(jié)合位點(diǎn)本身和附近的序列決定了目標(biāo)基因mRNA5’端的二級(jí)結(jié)構(gòu)，研究表明討mRNA5’端形成的“莖環(huán)”結(jié)構(gòu)阻礙了mRNA與核糖體30S亞基的結(jié)合，從而抑制了翻譯的起始。儘量提高核糖體結(jié)合位點(diǎn)本身和附近的序列中A/T堿基的含量，降低mRNA5’端形成的“莖環(huán)”結(jié)構(gòu)的可能性，也是構(gòu)建表達(dá)質(zhì)粒時(shí)需要注意的事項(xiàng)。在必要的情況下，還可通過定點(diǎn)突變，PCR等技術(shù)改變個(gè)別關(guān)鍵的堿基來破壞mRNA5’端的“莖環(huán)”結(jié)構(gòu)。把目標(biāo)基因設(shè)計(jì)成多順反子結(jié)構(gòu)，在大腸桿菌本身的高效翻譯起始元件後加上第二個(gè)SD序列和目標(biāo)基因，一起插入表達(dá)載體。這一方法通常適用於目標(biāo)基因5’端序列容易形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，而又不宜改變其序列的情形下表達(dá)質(zhì)粒的優(yōu)化和設(shè)計(jì)

在構(gòu)建表達(dá)質(zhì)粒時(shí)，充分利用各個(gè)基因的結(jié)構(gòu)特徵和特點(diǎn)，注意引入翻譯增強(qiáng)子序列

能提高mRNA翻譯效率的特殊核苷酸序列，稱為翻譯增強(qiáng)子。

四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)共表達(dá)大腸桿菌稀有密碼子tRNA基因

表達(dá)水準(zhǔn)高的基因呈現(xiàn)的密碼子偏愛性高於表達(dá)水準(zhǔn)低的基因。現(xiàn)已闡明的在大腸桿菌中的稀有密碼子有：編碼Arg的密碼子AGA、AGG、CGA、CGG

編碼Pro的密碼子CCC、CCU、CCA

編碼Cys的密碼子UGU、UGC;

編碼Gly的密碼子GGA、GGG

編碼Leu的密碼子CUA、CUC

編碼Ile的密碼子AUA

編碼Ser的密碼子UCA、AUG、UCG、UCC

編碼Thr的密碼子ACA四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)共表達(dá)大腸桿菌稀有密碼子tRNA基因

由於同義密碼子的使用頻率與細(xì)胞內(nèi)對(duì)應(yīng)的tRNA的豐度有正比關(guān)係稀有密碼子對(duì)應(yīng)的tRNA的豐度很低，有可能在翻譯過程中發(fā)生中止和移碼突變。

解決這一問題的辦法：通過基因突變把稀有密碼子改變?yōu)槠渌褂妙l率高的同義密碼子。在表達(dá)系統(tǒng)中共表達(dá)稀有密碼子tRNA基因，以提高大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)稀有密碼子tRNA的豐度四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)

在所有的大腸桿菌稀有密碼子tRNA中，tRNAArg(AGG/AGA)含量最少，而AGG和AGA密碼子在真核基因中經(jīng)常出現(xiàn)。人尿激酶原ProUK，新型組織纖溶酶原啟動(dòng)劑NTA等基因中都含有較多的AGG和AGA密碼子，在大腸桿菌中直接表達(dá)的水準(zhǔn)很低，但在大腸桿菌中共表達(dá)tRNAArg(AGG/AGA)基因argU後，這些基因的表達(dá)水準(zhǔn)能明顯得到提高。現(xiàn)在還沒有一個(gè)固定規(guī)則來判定稀有密碼子的存在是否確實(shí)會(huì)對(duì)翻譯過程產(chǎn)生明顯的不利影響。因?yàn)橄∮忻艽a子存在的位置、分佈的均勻性、mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的不同決定了它對(duì)翻譯過程的影響是有差別的。所有的結(jié)論要通過實(shí)驗(yàn)才能得出。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)提高目標(biāo)基因mRNA和目標(biāo)基因產(chǎn)物的穩(wěn)定性由於大腸桿菌防禦體系的自身保護(hù)作用，大腸桿菌中的核酸酶和蛋白水解酶能夠降解目標(biāo)基因mRNA和目標(biāo)基因產(chǎn)物，這種降解作用程度對(duì)不同的基因或蛋白質(zhì)而言是不同的，具有一定的專一性和選擇性。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)蛋白水解酶的特點(diǎn)細(xì)胞質(zhì)是蛋白水解酶含量最多的區(qū)域，目標(biāo)蛋白在細(xì)胞質(zhì)中最容易受到蛋白水解酶的作用。通過對(duì)已知大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)半衰期的蛋臼質(zhì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)N末端為Arg、Lys、Leu、Phe、Tyr、Trp殘基的蛋白質(zhì)，含有ProGlu、Ser、Thr豐富區(qū)的蛋白質(zhì)容易降解，穩(wěn)定性較差。

在細(xì)胞內(nèi)有多肽碎片、突變的異常蛋白和外界物理因素的刺激的條件下，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的蛋白水解酶活力往往能達(dá)到比較高的水準(zhǔn)。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)提高目標(biāo)蛋白的穩(wěn)定性的措施主要有：利用蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)把目標(biāo)蛋白最終累積在周質(zhì)空間，或分泌到培養(yǎng)基中採(cǎi)用缺乏某些蛋白水解酶基因的缺陷株作為宿主菌。對(duì)分子量較小的目標(biāo)基因進(jìn)行融合表達(dá)或串聯(lián)聚合表達(dá)。共表達(dá)能提高特定目標(biāo)蛋白穩(wěn)定性的輔助因數(shù)，如分子伴侶基因。對(duì)蛋白質(zhì)序列中的蛋白水解酶敏感區(qū)域和識(shí)別位點(diǎn)進(jìn)行改造。在較低的溫度下培養(yǎng)菌體和優(yōu)化發(fā)酵條件。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)

但必須指出的是，由於目標(biāo)蛋白本身的性質(zhì)和用途的不同，上述幾種方法在使用上是受到一定的限制的。主要表現(xiàn)為：大腸桿菌對(duì)分子量較大的目標(biāo)蛋白的較運(yùn)和分泌效率一般比較低，不能滿足大規(guī)饃製備的需要。蛋白水解酶含量低的菌株往往代謝不旺盛，生長(zhǎng)速率慢，使高密度發(fā)酵比較困難。融合表達(dá)使目標(biāo)蛋白的構(gòu)象與天然狀態(tài)不一樣，導(dǎo)致生物比活力降低，甚至沒有活性。融合蛋白和串聯(lián)聚合蛋白需要用酶或化學(xué)的方法切割出單體目標(biāo)蛋白。酶法成本比較高且加入的酶蛋白還必須分離去除?；瘜W(xué)法比酶法成本低，但不少裂解試劑有毒性。對(duì)蛋白質(zhì)序列進(jìn)行改造需要有基本的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而目前這方面的資料庫(kù)還不完整。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)高密度發(fā)酵和工程化宿主細(xì)胞大腸桿菌高密度發(fā)酵是大規(guī)模製備重組蛋白質(zhì)過程中不可缺少的工藝步驟。其目的是在單個(gè)菌體對(duì)目標(biāo)基因的表達(dá)水準(zhǔn)基本不變的前提下，通過單位體積的菌體數(shù)量的成倍增加來實(shí)現(xiàn)總表達(dá)量的提高。目前常用的發(fā)酵方式有：恒定培養(yǎng)、流加補(bǔ)料培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)三種

構(gòu)建出產(chǎn)乙酸能力低的工程化宿主菌

高密度發(fā)酵後期由於菌體的生長(zhǎng)密度較高，培養(yǎng)基中的溶氧飽和度往往比較低，氧氣的不足導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)速率降低和乙酸的累積，乙酸的存在對(duì)目標(biāo)基因的高效表達(dá)有明顯的阻抑作用。這是高密度發(fā)酵工藝研究中最迫切需要解決的問題。雖然在發(fā)酵過程中可採(cǎi)取通氧氣，提高攪拌速度，控制補(bǔ)料速度等措施來控制溶氧飽和度，減少乙酸的產(chǎn)生。但從實(shí)際應(yīng)用上看，這些措施都有一定的滯後效應(yīng)，難以做到比較精確的控制。因此構(gòu)建出產(chǎn)乙酸能力低的工程化宿主菌，是從恨本上解決問題的途徑之一。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)

利用透明顫菌血紅蛋白能提高大腸桿菌在貧氧條件下對(duì)氧的利用率的生物學(xué)性質(zhì)，把透明顫菌血紅蛋白基因vgb

導(dǎo)入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)以增加其對(duì)溶氧的寬容度。從而降低菌體產(chǎn)生乙酸所要求的溶氧飽和度閥值。用基因敲除技術(shù)缺失大腸桿菌的磷酸轉(zhuǎn)乙醯酶基因pta1

和乙酸激酶基因ackA，使從丙酮酸到乙酸的合成途徑被阻斷。改變代謝流的方向，通過共轉(zhuǎn)化把枯草桿菌、釀酒酵母的乙醯乳酸合成酶基因alsS，單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因pdc1和乙醇脫氫酶基因adh2導(dǎo)入大腸桿菌，使丙酮酸的代謝有選擇地向生成3‘-羥基丁酮或乙醇的方向進(jìn)行。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)構(gòu)建蛋白水解酶活力低的工程化宿主菌對(duì)於以可溶性或分泌形式表達(dá)的目標(biāo)蛋日而言，隨著發(fā)酵後期各種蛋白水解酶的累積，目標(biāo)蛋白會(huì)遭到蛋白水解酶的作用而被降解。為了使對(duì)蛋白水解酶比較敏感的目標(biāo)蛋白也能獲得較高水準(zhǔn)的表達(dá)，需要構(gòu)建蛋白水解酶活力低的工程化宿主菌。

rpoH基因編碼大腸桿菌RNA聚合酶的r32亞基，r32亞基對(duì)大腸桿菌中多種蛋白水解酶的活力有正調(diào)控作用。rpoH基因缺陷的突變株己經(jīng)被構(gòu)建，研究結(jié)果表明它能明顯提高目標(biāo)基因的表達(dá)水準(zhǔn)。到目前為止，已知的大腸桿菌蛋白水解酶基因缺陷的突變株都巳被獲得，其中一部分具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。四、高效表達(dá)目標(biāo)基因的戰(zhàn)略和技術(shù)五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)構(gòu)建各種表達(dá)載體

建立新的表達(dá)系統(tǒng)

目前研究的重點(diǎn)完善現(xiàn)有的表達(dá)系統(tǒng)，解決表達(dá)系統(tǒng)中還存在的缺陷等方面。這些研究工作主要包括:

重組蛋白質(zhì)的正確折疊、構(gòu)象形成和分泌菌體表面表達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用重組蛋白質(zhì)修飾加工研究共表達(dá)與蛋白質(zhì)折疊過程密切相關(guān)的分子伴侶包涵體是由於在新合成的大量目標(biāo)蛋白質(zhì)的折疊過程中，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)參與折疊的蛋白因數(shù)的量不能滿足需要，無(wú)法形成正確的構(gòu)象而產(chǎn)生的，因此在大腸桿菌內(nèi)共表達(dá)與蛋白質(zhì)折疊過程密切相關(guān)的分子伴侶，折疊酶或硫氧還蛋白基因可以使目標(biāo)基因可溶性表達(dá)的比例明顯上升。

研究表明這種作用是具有專一性的，不同的目標(biāo)蛋白需要不同類型的蛋白因數(shù)共表達(dá)。在有些情況下需要有多個(gè)蛋白因數(shù)共表達(dá)才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)共表達(dá)人或小鼠的二硫鍵異構(gòu)酶、促進(jìn)二硫鍵形成和正確折疊大腸桿菌周質(zhì)空間通過二硫鍵形成酶

DsbA和DsbB二個(gè)蛋白維持適當(dāng)?shù)难趸€原態(tài)勢(shì)使蛋白質(zhì)的二硫鍵形成。

共表達(dá)人或小鼠的蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDl）

PDl能互補(bǔ)dsbA缺陷株，但在dsbB缺陷株中PDl失去原有的功能;PDl對(duì)目標(biāo)蛋白的二硫鍵形成和正確折疊的促進(jìn)作用可以受到穀胱甘肽的調(diào)節(jié)。

PDI具有的二硫鍵異構(gòu)，交換功能有效地彌補(bǔ)了DsbA和DsbB

功能上的不足，從而提高了目標(biāo)蛋白正確折疊的比例。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)降低蛋白質(zhì)合成的速率，從而增加正確折疊重組蛋白質(zhì)從

phoA基因合成速率低的突變株中發(fā)現(xiàn)其分泌在周質(zhì)空間的phoA基因的產(chǎn)物------鹼性磷酸酯酶比野生型菌株有顯著增加，由於只有構(gòu)象正確的酶原才能被大腸桿菌蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)識(shí)別和分泌，這一結(jié)果表明了目標(biāo)蛋白合成的速率能對(duì)其構(gòu)象形成正確與否產(chǎn)生影響。

採(cǎi)用較弱的啟動(dòng)子或部分誘導(dǎo)強(qiáng)啟動(dòng)子的方法可降低蛋白質(zhì)合成的速率，從而達(dá)到增加正確折疊重組蛋白質(zhì)的目的。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)改造信號(hào)肽的序列和結(jié)構(gòu)，提高分泌效率

改造信號(hào)肽的序列和結(jié)構(gòu)，提高分泌效率比較成功的例子是發(fā)現(xiàn)了把鹼性磷酸酯酶基因phoA信號(hào)肽的疏水區(qū)置換為多聚Leu殘基能明顯提高分泌效率。表明信號(hào)肽核心部位疏水性的增強(qiáng)有利於它與細(xì)胞膜的相互作用。這一結(jié)果為天然信號(hào)肽優(yōu)化改造的設(shè)計(jì)提供了很好的參考依據(jù)。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)大腸桿菌表面表達(dá)技術(shù)的建立膜蛋白基因在大腸桿菌中表達(dá)的技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，膜蛋白表達(dá)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了大腸桿菌表面表達(dá)技術(shù)的建立。

外源蛋白質(zhì)在菌體表面表達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是大腸桿菌可直接用於製備疫苗，進(jìn)行生物催化和作為探針篩選藥物。在一定程度上能與噬菌體展示系統(tǒng)相媲美。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)大腸桿菌表面表達(dá)技術(shù)的建立主要通過三條途徑使目標(biāo)蛋白呈現(xiàn)在菌體表面:

把外源序列插入LamB、OmpA、PhoE等外膜蛋白的膜外區(qū)

把外源蛋白導(dǎo)入大腸桿菌鞭毛或傘毛的結(jié)構(gòu)中

這二種方法適合表達(dá)一段長(zhǎng)度小於100個(gè)氨基酸殘基的外源序列，因?yàn)檩^大的外源序列的插入往往會(huì)使外膜蛋白不能形成原來的三維結(jié)構(gòu)，影響它轉(zhuǎn)運(yùn)過程和在膜上的定位。

在脂蛋白、IgA蛋白酶、ompA基因的N端或C端融合外源基因這種融合表達(dá)的方法對(duì)外源基因的限制條件就比較小，其序列可在

50到500氨基酸殘基長(zhǎng)度的範(fàn)圍內(nèi)。五、大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)一、培養(yǎng)基的基本要求

營(yíng)養(yǎng)成分促生長(zhǎng)因數(shù)激素滲透壓

pH

無(wú)毒、無(wú)污染1.

營(yíng)養(yǎng)成分

氨基酸氨基酸是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的原料。所有細(xì)胞都需要12種必須氨基酸：

纈、亮、異亮、蘇、賴、色、苯丙、蛋、組、酪、精、胱。此外還需要穀氨醯胺，它在細(xì)胞代謝過程中有重要作用，所含的氮是核酸中嘌呤和嘧啶合成的來源，同樣也是合成三、二、一磷酸醯苷所需要的基本物質(zhì)。

單糖

培養(yǎng)中的細(xì)胞可以進(jìn)行有氧與無(wú)氧酵解，六碳糖是主要能源。此外六碳糖也是合成某些氨基酸、脂肪、核酸的原料。細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收能力最高，半乳糖最低。一、培養(yǎng)基的基本要求1.

營(yíng)養(yǎng)成分

維生素：

主要是輔酶、輔基，必不可少。生物素、葉酸、煙醯胺、泛酸、吡哆醇、核黃素、硫胺素、維生素B12都是培養(yǎng)基常有的成分。

無(wú)機(jī)離子與微量元素

細(xì)胞生長(zhǎng)除需要鈉、鉀、鈣、鎂、氮、磷等基本元素，還需要微量元素，如鐵、鋅、硒、銅、錳、鉬、釩等。一、培養(yǎng)基的基本要求2.

促生長(zhǎng)因數(shù)及激素

各種激素、生長(zhǎng)因數(shù)的功能維持細(xì)胞的功能保持細(xì)胞的狀態(tài)（分化或未分化）

有些激素對(duì)許多細(xì)胞生長(zhǎng)有促生長(zhǎng)作用，如胰島素，它能促進(jìn)細(xì)胞利用葡萄糖和氨基酸。

有些激素對(duì)某一類細(xì)胞有明顯促進(jìn)作用，如氫化可的松可促進(jìn)表皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，泌乳素有促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞生長(zhǎng)作用等。一、培養(yǎng)基的基本要求3.

滲透壓

細(xì)胞必須生活在等滲環(huán)境中，大多數(shù)培養(yǎng)細(xì)胞對(duì)滲透壓有一定耐受性人血漿滲透壓290mOsm/kg，可視為培養(yǎng)人體細(xì)胞的理想滲透壓鼠細(xì)胞滲透壓在320mOsm/kg左右。大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞，滲透壓在260～320mOsm/kg的範(fàn)圍都適宜一、培養(yǎng)基的基本要求4.

pH

大多數(shù)細(xì)胞適宜pH為7.2～7.4

培養(yǎng)基應(yīng)具一定的緩衝能力

造成pH波動(dòng)主要是代謝產(chǎn)生的

CO2，在封閉式培養(yǎng)過程中CO2

與水結(jié)合產(chǎn)生碳酸，培養(yǎng)基pH很快下降。

為解決這一問題，合成培養(yǎng)基中使用了NaHCO3-CO2

緩衝系統(tǒng)，通過穩(wěn)定調(diào)節(jié)溫箱中CO2

濃度（5％），使之與培養(yǎng)基中的NaHCO3

處?kù)镀胶鉅顟B(tài)一、培養(yǎng)基的基本要求5.

無(wú)毒、無(wú)污染體外生長(zhǎng)的細(xì)胞對(duì)微生物及一些有害有毒物質(zhì)沒有任何抵抗能力，因此培養(yǎng)基應(yīng)達(dá)到

無(wú)化學(xué)物質(zhì)污染無(wú)微生物污染（如細(xì)菌、真菌、支原體、病毒等）無(wú)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷作用的生物活性物質(zhì)污染（如抗體、補(bǔ)體）對(duì)於天然培養(yǎng)基，污染主要來源於取材過程及生物材料本身，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格選材，嚴(yán)格操作。對(duì)於合成培養(yǎng)基，污染主要來源於配製過程，配製所用的水，器皿應(yīng)十分潔淨(jìng)，配製後應(yīng)嚴(yán)格過濾除菌。一、培養(yǎng)基的基本要求天然培養(yǎng)基血清的種類血清的主要成分和作用血清的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)血清的外觀血清的使用與儲(chǔ)存使用血清的優(yōu)缺點(diǎn)二、天然培養(yǎng)基

天然培養(yǎng)基

天然培養(yǎng)基是指來自動(dòng)物體液或利用組織分離提取的一類培養(yǎng)基，如血漿、血清、淋巴液、雞胚浸出液等。

但是由於天然培養(yǎng)基製作過程複雜、批間差異大，因此逐漸為合成培養(yǎng)基所替代。

目前廣泛使用的培養(yǎng)基是血清，另外各種組織提取液、促進(jìn)細(xì)胞貼壁的膠原類物質(zhì)在培養(yǎng)某些特殊細(xì)胞也是必不可少。二、天然培養(yǎng)基

血清的種類

小牛血清

取自出生10～30天的小牛新牛血清

取自出生24小時(shí)之內(nèi)的新生牛胎牛血清

取自剖腹產(chǎn)的胎牛，血清中所含的抗體、補(bǔ)體等對(duì)細(xì)胞有害的成分最少二、天然培養(yǎng)基

二、天然培養(yǎng)基

血清的主要成分和作用

主要成分血清是由血漿去除纖維蛋白而形成的，血清中含有各種血漿蛋白、多肽、脂肪、碳水化合物、生長(zhǎng)因數(shù)、激素、無(wú)機(jī)物等

主要作用

提供基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

提供激素和各種生長(zhǎng)因數(shù)

提供結(jié)合蛋白

對(duì)培養(yǎng)中的細(xì)胞起到某些保護(hù)作用

血清的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

血清品質(zhì)高低取決於兩方面因素：一是取材對(duì)象，二是取材過程。

理化性質(zhì)

滲透壓、pH值、蛋白電泳圖譜、蛋白含量、激素水準(zhǔn)、內(nèi)毒素等。

蛋白含量包括血清總蛋白含量（不低於35-45g/L）、球蛋白含量（應(yīng)小於20g/L)、血紅蛋白含量等。其中球蛋白含量是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，血清中球蛋白主要是抗體，球蛋白含量越低血清品質(zhì)越高。血紅蛋白也是越低越好。二、天然培養(yǎng)基

血清的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

微生物檢測(cè)包括細(xì)菌、真菌、支原體、病毒等。特別是對(duì)支原體、病毒的檢測(cè)支原體是一種很小的微生物，可通過孔徑22mm的濾膜。支原體、病毒污染在光學(xué)顯微鏡下難於察覺，細(xì)胞也能生長(zhǎng)繁殖，但會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。檢測(cè)支原體的方法很多，如培養(yǎng)法、PCR法、螢光染色法、電鏡觀察法等。二、天然培養(yǎng)基血清的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

促生長(zhǎng)效果

這是血清重要的特性之一，應(yīng)以培養(yǎng)的細(xì)胞來檢測(cè)

克隆形成率懸浮生長(zhǎng)的細(xì)胞，有限稀釋法，統(tǒng)計(jì)克隆生長(zhǎng)百分比

貼瓶率測(cè)定

貼壁細(xì)胞，集落數(shù)占接種細(xì)胞數(shù)的百分比續(xù)傳代培養(yǎng)

細(xì)胞培養(yǎng)七天收集細(xì)胞，計(jì)數(shù)，取平均值。連續(xù)測(cè)試三個(gè)週期以上，觀察細(xì)胞生長(zhǎng)狀況。二、天然培養(yǎng)基血清的外觀好的血清應(yīng)該是透明清亮，土黃色或棕黃色，無(wú)沉澱或極少沉澱，比較粘稠。如血清渾濁、不透明、含許多沉澱物，說明血清污染或血清中的蛋白質(zhì)變性。若血清呈棕紅色，說明血清中的血紅蛋白含量太高，取材時(shí)有溶血現(xiàn)象搖晃時(shí)感覺液體稀薄，說明血清中摻入的生理鹽水太多。二、天然培養(yǎng)基血清的使用與儲(chǔ)存

使用前處理

滅活處理，即56℃30分鐘。滅活的目的使去除血清中的補(bǔ)體成分。

儲(chǔ)存條件血清一般儲(chǔ)存在-20℃，同時(shí)應(yīng)避免反復(fù)凍融。購(gòu)買大包裝的血清後首先要滅活處理，然後分裝成小包裝，儲(chǔ)存於-20℃，使用前融化。融化時(shí)最好現(xiàn)置於4℃。融化後的血清在4℃不宜長(zhǎng)時(shí)間存放，應(yīng)盡快使用。

使用濃度自從有了合成培養(yǎng)基，血清就是作為一種添加成分與合成培養(yǎng)基混合使用，使用濃度一般為5～20％，最常用是10％。二、天然培養(yǎng)基二、天然培養(yǎng)基使用血清的優(yōu)缺點(diǎn)牛血清的優(yōu)點(diǎn)

來源充足製備技術(shù)成熟經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)人們對(duì)其有比較深入的理解細(xì)胞培養(yǎng)中使用血清的缺點(diǎn)改變某種細(xì)胞在體內(nèi)的正常狀態(tài)

含有一些對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生毒性的物質(zhì)

每批血清都有差別，其成分不能保持一致取材過程有可能帶入支原體、病毒三、合成培養(yǎng)基

基本培養(yǎng)基如何選擇培養(yǎng)基培養(yǎng)基的配製無(wú)血清培養(yǎng)基無(wú)蛋白培養(yǎng)基限定化學(xué)成分培養(yǎng)基三、合成培養(yǎng)基

合成培養(yǎng)基是人工設(shè)計(jì)、配製的培養(yǎng)基。早期組織培養(yǎng)是利用天然培養(yǎng)基，目前合成培養(yǎng)基已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)化的商品，從最初的基本培養(yǎng)基發(fā)展到無(wú)血清培養(yǎng)基、無(wú)蛋白培養(yǎng)基，並且還在不斷發(fā)展。合成培養(yǎng)基的出現(xiàn)極大的促進(jìn)了組織培養(yǎng)技術(shù)的普及發(fā)展?；九囵B(yǎng)基

基本組分

無(wú)機(jī)鹽

CaCl2、KCl、MgSO4、NaCl、NaHCO3、NaH2PO4

氨基酸

纈、亮、異亮、蘇、賴、色、苯丙、蛋、組、酪、精、胱(L型)

維生素

偏多酸鈣、氯化膽鹼、葉酸、肌醇、煙醯胺、吡哆醛、核黃素

硫胺素