哺乳动物细胞蛋白表达FAQ

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哺乳动物细胞表达,听起来门槛高,其实问题多半集中在几个关键环节。钟鼎生物哺乳动物细胞表达服务基于 CHO 和 HEK293T 细胞系统,在哺乳蛋白表达服务中积累了大量的经验。下面把哺乳动物细胞蛋白表达中容易出现的问题整理成 9 个问答,附上我们的分析,供您参考。

📋 本文内容速览
  1. 质粒超螺旋对表达量的影响
  2. CHO 细胞与 293 细胞的区别
  3. 常用表达系统(2936E + PTT5/pAZ5)及原理
  4. 表达低或不表达的原因与难表达蛋白类型
  5. 促进蛋白表达的方式
  6. 分泌表达与信号肽机制
  7. 可表达的蛋白大小范围
  8. 何时选择哺乳动物细胞表达体系
  9. 表达得到的蛋白是否有活性
PART 01质粒质量:超螺旋与表达量
什么是质粒超螺旋,超螺旋对提高表达量有什么帮助?

闭环 DNA(closed circular DNA)没有断口的双链环状 DNA,亦称为超螺旋 DNA。超螺旋比例 90% 以上是比较理想的真核表达质粒,较低的超螺旋比例会降低表达量近 50% 以上

质控要点:制备真核表达质粒时,应关注超螺旋比例、内毒素水平、有无蛋白和核酸污染、无盐苯酚等试剂残留。这些质粒质量指标直接决定转染效率和后续表达水平。

PART 02细胞株选择:CHO 与 293 的区别
CHO 细胞与 293 细胞有什么区别?

CHO 细胞即中国仓鼠卵巢细胞,是目前表达外源蛋白最多最成功的细胞之一。该细胞属于成纤维细胞,是一种非分泌型细胞,自身很少分泌内源蛋白,因此有利于目的蛋白的纯化分离。相较于其他细胞类型,CHO 细胞是治疗性蛋白生产的主要宿主细胞,原因如下:

  1. 能在化学成分限定和无血清悬浮培养中稳定生长;
  2. 该细胞基因组信息明确,在人类致病病毒应答方面表现出合理的安全性;
  3. 能够表达与人相似的翻译后修饰。

此外,CHO 细胞表达系统的最重要优势之一是能够容易地得到基因改造的细胞。然而,因为糖基化模式与人类不完全相同,导致 CHO 细胞产生的重组蛋白在某些时候仍然表现出免疫原性。

HEK293 细胞真核蛋白表达常用的细胞之一,它具有以下优势:更快的生长速度、更高的生长密度、转染效率高,表达后修饰更接近人体蛋白的结构,可能会有潜在的人病毒污染。

选择思路:追求瞬时高表达、转染效率优先,可选 293 系列;追求稳定表达、治疗性蛋白生产、低内源分泌背景,CHO 更合适。

PART 03常用表达系统与原理
常用的哺乳动物细胞蛋白表达系统是什么?原理是什么?

我们常用的系统是 2936E 细胞配套 PTT5(pAZ5) 载体。HEK2936E 是在细胞的基因组中整合了 EBV 病毒的 nuclear antigen 1 (EBNA1),该蛋白可以保证含有 EBV 病毒复制原点(EBV ori)的质粒在 HEK293E 细胞株中复制,提高质粒的拷贝数,进而提高克隆在此种质粒上的外源基因的表达水平。该系统比常规的 293F 细胞表达量要高。

哺乳蛋白表达载体图谱
PTT5(pAZ5) 载体图谱
PART 04表达低/不表达的原因与难表达蛋白
导致哺乳动物细胞蛋白表达低或者不表达的原因有哪些?哪类蛋白不容易表达?

常见原因可以归为以下几类:

1基因是否优化

有的蛋白稀有密码子较多,需要对应表达细胞进行优化密码子。

2蛋白本身难做

比如细胞因子类的、衣壳蛋白类的、膜蛋白。

3质粒质量

内毒素水平、有无蛋白和核酸污染、超螺旋比例、无盐苯酚等试剂。

4分子量较大或太小

大于 150 KD 表达会有一定的难度,小于 5 KD 也会有难度。

5纯化得率低

有的表达量不低,但是纯化得率低(可溶性差,不挂住,不稳定,易降解)。

难表达蛋白:细胞因子、激素、抗菌肽、衣壳蛋白、膜蛋白。

PART 05促进蛋白表达的策略
促进蛋白表达的方式有哪些?
策略层面 具体方式
设计 加可溶性标签 GST、FC;加促表达标签 GST;加表达量高的融合蛋白。
系统 选用高表达系统:比如 293 细胞较 CHO 细胞转染效率要高,EXPI293 或者 ExpiCHO 系统表达较 freestyle 系统表达水平高,但是成本也较高。
表达优化 细胞系、质粒、转染试剂方面的实验优化。
工艺优化 加辅料、低温、加葡萄糖、二次转染等方式提高表达量,延长表达时间。
PART 06分泌表达与信号肽机制
是不是都能实现分泌表达?

信号肽位于分泌蛋白的 N 端,一般由 15~30 个氨基酸组成,包括三个区:

  • 一个带正电信号肽的 N 末端,称为碱性氨基末端;
  • 一个中间疏水序列,以中性氨基酸为主,能够形成一段 α 螺旋结构,它是信号肽的主要功能区;
  • 一个较长的带负电荷的 C 末端,含小分子氨基酸,是信号序列切割位点,也称加工区。

当信号肽序列合成后,被信号识别颗粒(SRP)所识别,蛋白质合成暂停或减缓,信号识别颗粒将核糖体携带至内质网上,蛋白质合成重新开始。在信号肽的引导下,新合成的蛋白质进入内质网腔,而信号肽序列则在信号肽酶的作用下被切除。

信号肽只是一个搬运工具,它能够促进蛋白搬运到胞外区。有的蛋白胞内的组织蛋白或者结构蛋白等分泌能力较弱的蛋白,可能就不能被信号肽酶切除。

PART 07蛋白大小范围与体系选择
哺乳动物细胞蛋白表达体系可表达的蛋白大小范围?

10 kd–120 kd。分子量大于 150 KD、小于 5 KD 表达是有难度的,但是昆虫系统对大分子蛋白表达是有优势的,目前我们接触过 250 KD 的蛋白用昆虫杆状病毒表达系统表达成功。

什么情况下需要选择哺乳动物细胞蛋白表达体系来表达?

生物药蛋白、分泌蛋白、糖基化修饰高的蛋白、需要活性蛋白、内毒素要求控制的蛋白、亚细胞定位在胞外的蛋白。

以上说明不代表昆虫不能做。

PART 08表达蛋白的活性
表达得到的蛋白是有活性的么?

哺乳动物细胞蛋白表达系统表达的蛋白基本上有活性,但是蛋白不一样,很多蛋白没有活性可能是蛋白本身原因,比如亲水性差、可溶性差、不稳定等。

小结:若表达后活性不理想,建议先排除蛋白本身性质(疏水性、稳定性、是否形成包涵体)的影响,再结合纯化工艺和缓冲体系进一步优化。

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