如何選擇正確的重組蛋白質表達(protein expression)系統

重組蛋白質是當今應用範圍最為廣泛的產品之一，舉凡蛋白質結構研究、體外活性分析、作為抗原生產抗體、細胞療法刺激物...等，都需要使用重組蛋白質。重組蛋白質的產生簡單來說就是將目標蛋白質基因組放入表達系統（或稱宿主）內進行大量表達，而後在經由提取、純化等步驟得到的蛋白質，也由於重組蛋白質中在不同的表達系統中折疊的構形、後修飾作用、產量皆不相同，因此當您需要使用重組蛋白質來進行研究時，表達系統的選擇就會變得十分重要。重組蛋白質表達技術演變至今，目前些許生物科技公司或是科研單位所使用的表達系統非常的特殊與先進，我們在這邊就不多做討論，圖爾思技術服務中心今天要為大家介紹歷史最悠久且直到今日仍然被廣為應用的蛋白質表達系統：
 

• 大腸桿菌(E. coli.)表達系統：

​ 大腸桿菌是最早被用來當作重組蛋白質表達的宿主。大腸桿菌具有繁殖速度快、生產成本低廉與產量高等特性，通常表達重組蛋白質的時間大約一週左右，可以說非常的快速，因此即便至今仍然是最常使用的表達系統之一。一般而言，重組蛋白質最多位於大腸桿菌的細胞質中(cytoplasma)，含量可達總生物質的30%，表達量可以說是非常豐富，但表達量高也未必一定都是好事，因為當達量過高時，不溶性蛋白質會聚集在一起而形成包涵體(inclusion body)，而包涵體會大大阻礙我們得到可溶性活性蛋白質。至於包涵體的形成原因則有多種說法，一般認為大腸桿菌中包涵體的形成是因為蛋白質在大腸桿菌中折疊和生成的速度是真核生物的十倍所導致。另外，包涵體未必是壞事，因為包涵體具有不易被蛋白質脢(proteinase)作用與容易進行離心濃縮，因此只要純化技術夠好，反而能重新正確的折疊得到活性高與不被污染的重組蛋白質。因此，在蛋白質表達技術中，誰可以想辦法得到正確折疊的可溶性蛋白質與降低包涵體就是技術高下立見的目標了，通常在表達重組蛋白質的過程中將溫度控制在15~30度時能降蛋白質的表達速度，進而爭取時間讓蛋白質能正確的折疊。有的時候同時讓大腸桿菌表達molecular chaperone也是一種常見增加重組蛋白質可溶性的一個方法。另外，在重組蛋白質的N端或是C端加上Tag(例如：GST、MBP、SUMO...)也是一個公認可以增加蛋白質可溶性很好的方法。當然，大腸桿菌表達系統當然也有缺點，例如：不能正確的形成蛋白質雙硫鍵、後修飾作用非常少...等，這些都是您設計實驗時必須要特別注意的地方。
 

• 酵母菌(yeast)表達系統：

酵母菌是一種強而有力的表達系統，因為酵母菌是真核生物，因此在酵母菌中表達的重組蛋白質通常能比在大腸桿菌表達更能正確的折疊，當然酵母菌表達系統能提供的後修飾作用也較大腸桿菌豐富和多元。酵母菌表達重組蛋白質的週期大約是3~4週，若表達條件優化得宜便能得到非常高密度的酵母菌得到相當高產量的重組蛋白質，因此可以大幅降低生產成本。通常我們比較常用酵母菌來表達細胞核內蛋白質或是分泌蛋白質。另外，由酵母菌是真核生物因此具有雙硫鍵的形成能力，所以也非常適合用來表達具有雙硫鍵結構的蛋白質。酵母菌還有一個特性就是在Asp和Ser上醣化作用的結構和昆蟲與哺乳類動物上的醣化作用是非常不相同的，這點在重組蛋白質表達的應用上必須非常注意。
 

• 哺乳類細胞表達系統：

最早，細胞被認為是表達重組蛋白質效率最低的系統，但近來隨著技術的進步，細胞表達系統也早已有所突破而成為商業化的商品了。一般最常用來表達的細胞有HEK293 和 CHO 細胞這兩種，細胞表達系統最大的優點為擁有最出色的折疊能力、雙硫鍵形成能力與最完整的蛋白質後修飾作用，一般而言，工業上最常使用細胞表達系統來表達分泌蛋白質。另外，也因為細胞培養的培養基較為昂貴，因此細胞表達系統的成本較高。


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