大肠杆菌基因工程课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物工程专业核心课程,基,因,工,程,淮阴师范学院 杨文杰,生物工程专业核心课程基 因 工 程淮阴师范学院 杨文杰,1,7,.,基因工程,的应用,大肠杆菌,基因,工程,酵母菌,基因,工程,高等植物,基因,工程,哺乳动物,基因,工程,7. 基因工程的应用大肠杆菌基因工程酵母菌基因工程高等植物基,2,细菌与基因工程密不可分。,1973,年，,Boyer,和,Cohen,首次,完成外源基因在大肠杆菌中的表达，在实验室里实现了基,因转移，为基因工程开启了通向现实应用的大门。,几年后，第一个基因工程产品,利用构建基因的基因工程菌生产人胰岛素获得成功，从此人类进入了生物技术的产业时代。,细菌不仅在基因重组技术的诞生和技术进步中起到了举,足轻重的作用，而且细菌的遗传改造也是基因工程中历史,最早、研究最广泛、取得实际应用成果最多的领域。,细菌与基因工程密不可分。1973年，Boyer和Cohen首,3,7-1.,大肠杆菌基因工程,C,大肠杆菌基因工程菌的构建策略,B,外源基因在大肠杆菌中高效表达的原理,A,大肠杆菌作为表达外源基因受体菌的特征,E,利用重组大肠杆菌生产人胰岛素,D 基因工程菌的遗传不稳定性及其对策,7-1. 大肠杆菌基因工程C 大肠杆菌基因工程菌的构,4,一、大肠杆菌作为表达外源基因受体菌的特征,大肠杆菌表达外源基因的优势,全基因组测序，共有4405个开放型阅读框架,基因克隆表达系统成熟完善,繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定,被美国,FDA,批准为安全的基因工程受体生物,一、大肠杆菌作为表达外源基因受体菌的特征大肠杆菌表达外源基因,5,大肠杆菌表达外源基因的劣势,缺乏对真核生物蛋白质的复性功能,缺乏对真核生物蛋白质的修饰加工系统,内源性蛋白酶降解空间构象不正确的异源蛋白,细胞周质内含有种类繁多的内毒素,大肠杆菌表达外源基因的劣势缺乏对真核生物蛋白质的复性功能缺乏,6,二、外源基因在大肠杆菌中高效表达的原理,启动子,终止子,核糖体结合位点,密码子,质粒拷贝数,二、外源基因在大肠杆菌中高效表达的原理启动子终止子核糖体结合,7,（一）启动子,启动子最佳距离的探测,目的基因,E,E,A,启动子,A,酶切开,Bal31,酶解,目的基因,E,E,（一）启动子启动子最佳距离的探测目的基因EEA启动子A 酶切,8,启动子的筛选,Ap,r,ori,galK,pKO1,采用鸟枪法战略，将合适大小的,DNA,片段克,隆到启动子探针质粒,pKO1,上；,受体细胞染色体,DNA,上的,galE,、,galT,与质粒上,报告基因,galk,的表达产物联合作用，可将培养,基中的半乳糖酵解成红色素物质。,转化,galE,+,、,galT,+,、,galK,-,的大肠杆菌受体菌株,含有外源启动子活性的重组克隆,启动子的筛选AprorigalKpKO1采用鸟枪法战略，将合,9,启动子的构建,-35 区序列,-10 区序列,P,L,P,recA,P,trp,P,lac,P,traA,P,tac,启动子,T T G A C A,G A T A C T,T T G A T A,T A T A A T,T T G A C A,T T A A C T,T A G A C A,T A A T G T,T T T A C A,T A T A A T,T T G A C A,T A T A A T,启动子的构建-35 区序列-10 区序列PLPrecAPtr,10,启动子的可控性,P,乳糖启动子,P,lac,的可控性,：,O,P,O,高效转录,阻遏蛋白,诱导,乳糖 异丙基-,-D-,硫代半乳糖苷（,IPTG）,野生型的,P,lac,与其控制区,O,lac,偶联在一起，在没有诱导物,存在时，整个操纵子处于基,底水平表达；,基底水平转录,诱导物可以使启动子,P,lac,介导的转录大幅提高。,启动子的可控性P乳糖启动子Plac的可控性：OPO高效转录阻,11,P,lac,O,高效转录,葡萄糖代谢,野生型的,P,lac,上游附近拥有,代谢激活因子,（,CAP）,结合,区，,cAMP,激活,CAP，CAP,结合启动子控制区，进而促,进,P,lac,介导的转录。,基底水平转录,葡萄糖代谢使,cAMP,减少，,也能阻遏,P,lac,介导的转录。因,此，基因工程中使用的乳糖,启动子均为抗葡萄糖代谢阻,遏的突变型，即,P,lac,UV5,。,CAP,cAMP,cAMP,浓度降低,P,lac,UV5,O,高效转录,P,lac,O,乳糖启动子,P,lac,的可控性,：,PlacO高效转录葡萄糖代谢野生型的Plac上游附近拥有基底,12,色氨酸启动子,P,trp,的可控性：,除去,色氨酸,色氨酸启动子,P,trp,受色氨酸-阻遏蛋白复合物的阻遏，转录呈基底状态；,在培养系统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。,基底水平转录,在正常的细菌培养体系中,除去色氨酸是困难的，因此基因工程中往往添加,IAA,诱导,P,trp,介导的目基因的表达。,色氨酸,或加3-吲哚丙烯酸,高效转录,P,trp,O,trp,阻遏蛋白,（,IAA）,O,trp,P,trp,高效转录,O,trp,P,trp,色氨酸启动子Ptrp的可控性：除去色氨酸色氨酸启动子Ptrp,13,l,噬菌体,启动子,P,l,L,的可控性：,噬菌体启动子,P,L,受,CI,阻遏蛋白阻遏，很难直接诱导控制。在基,因工程中常使用温度敏感型的,cI,突变基因,cI857,控制,PL。,cI857,阻遏蛋在42时失活脱落，,P,L,便可介导目的基因的表达,.,P,trp,A,cI,857,B,P,L,目的基因,阻遏作用,B,P,L,P,trp,A,表达,色氨酸,但在大型细菌培养罐中迅速升温,非常困难，因此常使用一个双质粒,控制系统,，,用色氨酸间接控制目的,基因表达。,l噬菌体启动子PlL的可控性：噬菌体启动子PL受CI阻遏蛋白,14,（二）终止子,1.,强化转录终止的必要性,外源基因在强启动子的控制下表达，容易发生转录,过头现象，即,RNA,聚合酶滑过终止子结构继续转录质,粒上邻近的,DNA,序列，形成长短不一的,mRNA,混合物；,过长转录物的产生在很大程度上会影响外源基因的,表达。,（二）终止子1. 强化转录终止的必要性外源基因在强启动子的控,15,如果外源基因下游紧接有载体上的其它重要基因或,DNA,功,能区域，如选择性标记基因和复制子结构等，则,RNA,聚合酶,在此处的转录可能干扰质粒的复制及其它生物功能，甚至导,致重组质粒的不稳定性；,转录产物越长，,RNA,聚合酶转录一分子,mRNA,所需的时间,就相应增加，外源基因本身的转录效率下降；,过长的,mRNA,往往会产生大量无用的蛋白质，增加工程菌,无谓的能量消耗；,更为严重的是，过长的转录物往往不能形成理想的二级结,构，从而大大降低外源基因编码产物的翻译效率。,如果外源基因下游紧接有载体上的其它重要基因或DNA功转录产物,16,2.,强终止子的选择与使用,目前外源基因表达质粒中常用的终,止子是来自大肠杆菌,rRNA,操纵子上,的,rrnT,1,T,2,以及,T7,噬菌体,DNA,上的,T,f,；,pCP1,Ap,r,ori,Tc,r,筛选,Ap,r,、,Tc,s,的转化子,对于一些终止作用较弱的终止子，通常可以采用二聚体终止子串联的特殊结构，以增强其转录终止作用；,终止子也可以象启动子那样，从细菌或噬菌体基因组,DNA,中克隆筛选。,终止子序列,2. 强终止子的选择与使用目前外源基因表达质粒中常用的终pC,17,（三）核糖体结合位点,外源基因在大肠杆菌细胞中的高效表达不仅取决于转录启动的频率，而且在很大程度上还与,mRNA,的翻译起始效率密切相关。大肠杆菌细胞中结构不同的,mRNA,分子具有不同的翻译效率，它们之间的差别有时可高达数百倍。,mRNA,翻译的起始效率主要由其,5,端的结构序列所决定，称为,核糖体结合位点,（,RBS,）,（三）核糖体结合位点 外源基因在大肠杆菌细胞中的高效表,18,四个特征结构要素：,1.,核糖体结合位点的结构,Shine-Dalgarno,（,SD,）,序列：,位于翻译起始密码子上游的,6-8,个,核苷酸序列,5,UAAGGAGG 3,，,它通过识别大肠杆菌核糖体小亚,基中的,16,S rRNA 3,端区域,3,AUUCCUCC 5,并与之专一性结合，,将,mRNA,定位于核糖体上，从而启动翻译；,翻译起始密码子：,大肠杆菌绝大部分基因以,AUG,作为阅读框架,的起始位点,但有些基因也使用,GUG,或,UUG,作为翻译起始密码子；,SD,序列与翻译起始密码子之间的距离及碱基组成。,基因编码区5 端若干密码子的碱基序列。启始密码子后为,GCAU,或,AAAA,时，翻译效率最高。,四个特征结构要素：1. 核糖体结合位点的结构Shine-Da,19,2.,核糖体结合位点对外源基因表达的影响,SD,序列的影响,：,一般来说，,mRNA,与核糖体的结合程度越强，翻译的起始效率就越高，而这种结合程度主要取决于,SD,序列与,16,S rRNA,的碱基互补性，其中以,GGAG,四个碱基序列尤为重要。对多数基因而言，上述四个碱基中任何一个换成,C,或,T,，,均会导致翻译效率大幅度降低,。,2. 核糖体结合位点对外源基因表达的影响 SD序列的影响：,20,SD,序列与起始密码子之间的序列的影响,：,紧邻,AUG,的前三个碱基成份对翻译起始也有影响，对于大肠杆菌,b,-,半乳糖苷酶的,mRNA,而言，在这个位置上最佳的碱基组合是,UAU,或,CUU,，,如果用,UUC,、,UCA,或,AGG,取代之，则酶的表达水平低,20,倍。,SD,序列下游的碱基若为,AAAA,或,UUUU,，,翻译效率最高；而,CCCC,或,GGGG,的翻译效率则分别是最高值的,50%,和,25%,。,SD序列与起始密码子之间的序列的影响：紧邻AUG的前三个碱基,21,SD,序列与起始密码子之间的距离的影响,：,SD,序列与起始密码子之间的精确距离保证了,mRNA,在,核糖体上定位后，翻译起始密码子,AUG,正好处于核糖体,复合物结构中的,P,位，这是翻译启动的前提条件。,在很多情况下,SD,序列位于,AUG,之前大约,7,个碱基处，,在此间隔中少一个碱基或多一个碱基，均会导致翻译起,始效率不同程度的降低。,SD序列与起始密码子之间的距离的影响：SD序列与起始密码子之,22,起始密码子及其后续若干密码子的影响：,大肠杆菌中的起始,tRNA,分子可以同时识别,AUG,、,GUG,和,UUG,三种起始密码子，但其识别频率并不相同,通常,GUG,为,AUG,的,50%,而,UUG,只及,AUG,的,25%,。,除此之外，从,AUG,开始的前几个密码子碱基序列也至关重要，,至少这一序列不能与,mRNA,的5 端非编码区形成茎环结构，否,则便会严重干扰,mRNA,在核糖体上的准确定位；,目前广泛用于外源基因表达的大肠杆菌表达型质粒上，均含,有与启动子来源相同的核糖体结合位点序列，序列和间隔是最,佳的。,起始密码子及其后续若干密码子的影响：大肠杆菌中的起始tRNA,23,(,四,),密码子,1.,生物体对密码子的偏爱性,不同的生物，甚至同种生物不同的蛋白质编码基,因，对简并密码子使用频率并不相同，具有一定的偏,爱性。,(四) 密码子1. 生物体对密码子的偏爱性 不同的生物,24,生物基因组中的碱基含量：在富含,AT,的生物（如单链,DNA,噬菌,体,fX174）,基因组中,密码子第三位上的,U,和,A,出现的频率较高,;,而,在,GC,丰富的生物（如链霉菌）基因组中,第三位上含有,G,或,C,的简,并密码子占90%以上的绝对优势。,密码子与反密码子相互作用的自由能：性中等强度规律,细胞内,tRNA,的含量,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；,偏爱密码子的决定因素：,生物基因组中的碱基含量：在富含AT的生物（如单链DNA噬菌密,25,2.,密码子偏爱性对外源基因表达的影响,由于原核生物和真核生物基因组中密码子的使用频率,具有较大程大的差异性，因此外源基因尤其是高等哺乳,动物基因在大肠杆菌中高效翻译的一个重要因素是密码,子的正确选择。,一般而言，有两种策略可以使外源基因上的密码子在,大肠杆菌细胞中获得最佳表达：,外源基因全合成,同步表达相关,tRNA,编码基因,2. 密码子偏爱性对外源基因表达的影响由于原核生物和真核生物,26,按照大肠杆菌密码子的偏爱性规律，设计更换外源,基因中不适宜的相应简并密码子，重组人胰岛素、干,扰素以及生长激素在大肠杆菌中的高效表达均采用了,这种方法。,外源基因全合成,按照大肠杆菌密码子的偏爱性规律，设计更换外源外源基因全合成,27,对于那些含有不和谐密码子、种类单一、出现频率,较高、而本身分子量又较大的外源基因而言，则选择,相关,tRNA,编码基因同步克隆表达的策略较为有利。,同步表达相关,tRNA,编码基因,对于那些含有不和谐密码子、种类单一、出现频率同步表达相关tR,28,为了提高人尿激酶原,cDNA,在大肠杆菌中的高效表达，将,大肠杆菌的这两个,tRNA,编码基因克隆在另一个高效表达的,质粒上。由此构建的大肠杆菌双质粒系统有效地解除了受体,细胞对外源基因高效表达的制约作用。,例如，在人尿激酶原,cDNA,的,412,个密码子中，共含有,22,个,精氨酸密码子，,其中,7,个,AGG,、,2,个,AGA,，,而大肠杆菌受,体细胞中,tRNA,AGG,和,tRNA,AGA,的丰度较低。,为了提高人尿激酶原cDNA在大肠杆菌中的高效表达，将例如，在,29,（五）质粒拷贝数,1.,质粒拷贝数对细菌生长代谢的影响,目前实验室里广泛使用的表达型质粒在每个大肠杆菌,细胞中可达数百甚至上千个拷贝，质粒的扩增过程通常,发生在受体细胞的对数生长期内，而此时正是细菌生理,代谢最旺盛的阶段。,质粒分子的过度增殖以及其后目的基因的高效表达势,必会影响受体细胞的生长代谢，进而导致重组质粒的不,稳定性以及目的基因宏观表达水平的下降。,（五）质粒拷贝数1. 质粒拷贝数对细菌生长代谢的影响目前实验,30,2.,质粒扩增时序的控制,在28时，每个细胞的质粒拷贝数为60,ori,pCP3,P,L,MCS,Ap,r,在42时，拷贝数迅速增至300 - 600,在此温度下，受体细胞染色体上的,CI,基因表达的温度敏感型阻遏蛋白失活。因此，用一种手段同时控制质粒拷贝数和基因的表达,pCP3,拥有一个温度可诱导型的复制子,2. 质粒扩增时序的控制在28时，每个细胞的质粒拷贝数为6,31,三、大肠杆菌基因工程菌的构建策略,包涵体型异源蛋白的表达,分泌型异源蛋白的表达,融合型异源蛋白的表达,寡聚型异源蛋白的表达,整合型异源蛋白的表达,蛋白酶抗性或缺陷型表达系统的构建,三、大肠杆菌基因工程菌的构建策略包涵体型异源蛋白的表达分泌型,32,（一）包涵体型异源蛋白的表达,1.,包涵体及其性质,包涵体,(,Inclusion Bodies，IB,),：,在某些生长条件下，,大肠杆菌能积累某种特殊的生物大分子，它们致密地,集聚在细胞内，或被膜包裹或形成无膜裸露的水不溶,性结构。,（一）包涵体型异源蛋白的表达1. 包涵体及其性质包涵体(In,33,富含蛋白质的包涵体多见于生长在,含有氨基酸类似物,培养基的,大肠杆菌细胞中，由这些氨基酸类似物所合成的蛋白质往往会丧,失其理化特性和生物功能，从而集聚形成包涵体。,由高效表达质粒构建的大肠杆菌工程菌大量合成非天然性的同,源或,异源蛋白质，,后者在一般情况下也以包涵体的形式存在于细,菌细胞内。,除此之外，包涵体中还含有少量的,DNA,、,RNA,和脂多糖等非蛋,白分子。,富含蛋白质的包涵体多见于生长在含有氨基酸类似物培养基的由高效,34,2.,以包涵体形式表达目的蛋白的优缺点,包涵体表达形式的优点：,包涵体的水难溶性及其密度远大于其它细胞碎片和细胞成分，,菌体经超声波裂解后，直接通过高速离心即可将重组异源蛋,白从细菌裂解物中分离出来。,在形成包涵体之后，大肠杆菌的蛋白酶降解作用基本上对异,源重组蛋白的稳定性已构不成威胁。,能简化外源基因表达产物的分离操作,能在一定程度上保持表达产物的结构稳定,2. 以包涵体形式表达目的蛋白的优缺点包涵体表达形式的优点：,35,包涵体表达形式的缺点：,以包涵体形式表达的重组蛋白,丧失了原有的生物活性，,必,须通过有效的变性复性操作，才能回收得到具有正确空间构,象（因而具有生物活性）的目标蛋白，因此包涵体变复性操,作的效率对目标产物的收率至关重要。,然而，这也是一个技术难题,尤其当目标蛋白分子中的,Cys,残基数目较高时,，体外复性蛋白质的成功率相当低，一般不,超过,30%。,包涵体表达形式的缺点：以包涵体形式表达的重组蛋白丧失了原有的,36,3.,以包涵体形式表达目的蛋白的操作,如果未进行特殊设计,(,如分泌型表达或融合型表达,),外,源基因在大肠杆菌中表达的蛋白量占细胞总蛋白量20%以,上时，表达产物一般倾向于形成包涵体。,因此，以包涵体形式表达目的基因操作的关键就是选择,高表达的载体。事实上，这种高表达率也是包涵体法的长,处所在。,3. 以包涵体形式表达目的蛋白的操作如果未进行特殊设计(如分,37,4.,包涵体的变性与复性操作,C,共价修饰的蛋白质,1,）蛋白质变性复性的动力学原理：,C,1,C,2,C,n,C,U,I,1,I,n,N,X,1,X2,Xn,X,Ag,Ag,Ag,Ag,I,有效变复性过程中的中间状态,X,脱离有效变复性过程而进入集聚的中间状态,N,天然状态的蛋白质,U,变性状态的蛋白质,A,集聚状态的蛋白质,在细菌细胞内，集聚状态和,共价修饰的,蛋白质不能进入复性过程，因此永远成为,无活性的蛋白质。,包涵体中的蛋白质就属于这两种状态，因此需要在体外进,行人工变性（解除共价修饰和驱散集聚体）复性操作。,4. 包涵体的变性与复性操作C 共价修饰的蛋白质1）蛋白质,38,2,）包涵体的溶解与变性：,包涵体的溶解与变性的主要任务是拆开错配的二硫键和次级键,在人工条件下，使包涵体溶解并重新进入复性途径中。,能有效促进包涵体溶解变性的试剂和条件包括：,清洗剂,SDS、,正十二醇肌氨酸，廉价，但影响复性和纯化,促溶剂,盐酸胍、尿素，前者昂贵，尿素便宜，但常被自发,形成的氰酸盐污染，后者能与多肽链中的氨基反应,混合溶剂,如尿素与醋酸、二甲基砜等联合使用，溶解力增强,极端,pH,廉价，但许多蛋白质在极端,pH,条件下发生修饰反应,2）包涵体的溶解与变性：包涵体的溶解与变性的主要任务是拆开错,39,5.,包涵体的复性与重折叠（,refolding）：,包涵体的复性与重折叠的主要任务是：,将多肽链中被拆开的,游离巯基,重新折叠,通过,次级键,的形成使蛋白质复性,5. 包涵体的复性与重折叠（refolding）：包涵体的复,40,包涵体的复性与重折叠（,refolding）：,复性操作,1),包涵体复性操作的方法包括：,一步稀释法：,蛋白复性与浓度无关，但集聚与浓度关系很大,分段稀释法：,逐步降低变性剂的浓度，防止二次集聚的发生,试剂添加法：,精氨酸、甘氨酸、甘油、蔗糖、,PEG、Ca,2+,蛋白修饰法：,氨基柠檬酸酐酰化，蛋白带负电，抑制集聚,产物隔离法：,将变性的蛋白分子固定化，避免其相互碰撞,分子伴侣法：,GroEL、GroES、DnaK，,固定化，共表达,包涵体的复性与重折叠（refolding）：复性操作1) 包,41,包涵体的复性与重折叠,(refolding)：,二硫键形成,在包涵体变性体系中，始终存在着还原剂，使多肽,链中的巯基保持还原状态，防,止,二硫键错配导致严重,的集聚。在变性操作结束后，这些游离型的巯基必须,重新配对形成二硫键，此时多肽链也重新发生折叠。,包涵体的复性与重折叠(refolding)：二硫键形成在包涵,42,化学氧化法（,A）,需要电子受体，最廉价的电子受体为空,气，二硫键形成是随机的，仅适用于那些不含游离半胱氨酸,残基的蛋白质的重折叠。,二硫键交换（,B）,需要还原型和氧化型谷胱甘肽（,GSH,和,GSSG），,二硫键形成相对特异，因此适用性较广，重折叠,效果好。,形成二硫键的方式主要有：,HS,HS,S,S,2,e,+,2,H,+,A,HS,HS,S-,S-R,HS,+,B,R-S-S-R,S,S,2,R-SH,化学氧化法（A）需要电子受体，最廉价的电子受体为空二硫键交换,43,（二）分泌型异源蛋白的表达,即以可溶性或不溶性（包涵体）状态存在于细胞质中；,或者通过运输或分泌方式定位于细胞周质，甚至穿过外,膜进入培养基中。,蛋白产物,N,端,信号肽,序列的存在是蛋白质分泌的前提条件。,在大肠杆菌中表达的异源蛋白按其在细胞中的定位可分,为两种形式：,（二）分泌型异源蛋白的表达即以可溶性或不溶性（包涵体）状态存,44,1.,以分泌形式表达目的蛋白的优缺点,分泌表达形式的优点：,目的蛋白稳定性高,重组人胰岛素原若分泌到细胞周中，,其稳定性大约是在细胞质中的10倍。,目的蛋白易于分离,目的蛋白末端完整,相当多的真核生物成熟蛋白,N,端并不,含有甲硫氨酸残基。当这些真核基因在大肠杆菌中表达时，,蛋白质,N,端的甲硫氨酸残基往往不能被切除。,如若将外源基因与大肠,杆菌的,信号肽编码序列重组在一起，一旦分泌型表达，其,N,端的甲硫氨酸残基便可在信号肽,的剪切过程中被有效除去。,1. 以分泌形式表达目的蛋白的优缺点分泌表达形式的优点：目的,45,分泌表达形式的缺点：,外源真核生物基因很难在大肠杆菌中进行分泌型表达，少数外源基因既便能分泌表达，但其表达率通常要比包涵体方式低很多；,相对其它生物细胞而言，大肠杆菌的蛋白分泌机制并不健全；,因此目前用于产业化的异源蛋白分泌型重组大肠杆菌尽管有，但并不普遍。,分泌表达形式的缺点：外源真核生物基因很难在大肠杆菌中进行分泌,46,2.,蛋白质的分泌机制,因此与包涵体相比，分泌型重组蛋白具有较高比例的正确构象，生物活性的回收率增加，且对蛋白酶不敏感。,信号肽,胞内,胞外,目标蛋白,内膜,外膜,周质,胞壁,信号肽剪切酶系,原核细菌周质中含有多种,分子伴侣,可阻止分泌蛋白的随机折叠,，,分泌在细胞周质或培养基中的重组蛋白很少形成分子间的二硫键交联；,2. 蛋白质的分泌机制因此与包涵体相比，分泌型重组蛋白具有较,47,3.,分泌型目的蛋白表达系统的构建,包括大肠杆菌在内的绝大多数革兰氏阴性菌不能将蛋白质,直接分泌到胞外，但有些革兰氏阴性菌能将细菌的抗菌蛋白,（细菌素）分泌到培养基中；,这一过程严格依赖于,细菌素释放蛋白，,它激活定位于内膜,上的磷酸酯酶，导致细菌内外膜的通透性增大。,3. 分泌型目的蛋白表达系统的构建包括大肠杆菌在内的绝大多数,48,因此，只要将细菌素释放蛋白编码基因克隆在一个合适的,质粒上即可构建完全分泌型的受体细胞。,此时，用另一种携带大肠杆菌信号肽编码序列和目的基因,的表达质粒转化上述完全分泌型受体细胞，并使用相同性质,的启动子介导目的基因的转录，则可实现目的蛋白从重组大,肠杆菌中的完全分泌。,因此，只要将细菌素释放蛋白编码基因克隆在一个合适的此时，用另,49,（三）融合型异源蛋白的表达,除了直接表达异源蛋白外，还可将外源基因与受体菌自身的蛋白,质编码基因拼接在一起，并作为一个开放型阅读框架进行表达。,由这种杂合基因表达出的蛋白质称为,融合蛋白。,在这种融合蛋白,结构中，通常受体细菌的蛋白部分位于,N,端，异源蛋白位于,C,端。,通过在,DNA,水平上人工设计引入的蛋白酶切割位点或化学试剂特,异性断裂位点，可以在体外从纯化的融合蛋白分子中释放回收异源,蛋白。,（三）融合型异源蛋白的表达除了直接表达异源蛋白外，还可将外源,50,1.,以融合形式表达目的蛋白的优缺点,目的蛋白稳定性高,尤其对分子量较小的多肽效果更佳,目的蛋白易于分离,利用受体蛋白成熟的抗体、配体、底物进行亲,和层析，可以快速获得纯度较高的融合蛋白,目的蛋白表达率高,与受体蛋白共用一套完善的表达元件,目的蛋白溶解性好,由于受体蛋白的存在，融合蛋白往往能在胞内,形成良好的空间构象，且大多具有水溶性,目的蛋白需要回收,融合蛋白需要裂解和进一步分离，才能获目的,蛋白。在实际生产中，产品主要的成本往往就,在该工段,1. 以融合形式表达目的蛋白的优缺点目的蛋白稳定性高 尤其对,51,2.,融合型目的蛋白表达系统的构建,1,）融合蛋白表达质粒的构建原则：,受体细胞的结构基因能高效表达，且其表达产物可以通过,亲和层析进行特异性简单纯化；,外源基因应装在受体蛋白编码基因的下游，为融合蛋白提,供终止密码子。在某些情况下，并不需要完整的受体结构,基因，目的是尽可能避免融合蛋白分子中两种组份的分子,量过于接近，为目的蛋白分离回收创造条件；,两个结构基因拼接位点处的序列设计十分重要，它直接决,定着融合蛋白的裂解工艺；,两个蛋白编码序列应保持一致的翻译阅读框架。,2. 融合型目的蛋白表达系统的构建1）融合蛋白表达质粒的构建,52,2,）用于融合蛋白构建的受体蛋白：,谷胱甘肽转移酶（,GST）,维持良好空间构象,麦芽糖结合蛋白（,MBP）,促进分泌,硫氧化还原蛋白（,TrxA）,维持良好空间构象,pTrxFus,金黄色葡萄球菌蛋白,A（SAPA）,免疫亲和层析,pRIT2T,-,半乳糖苷酶（,LacZ）,免疫亲和层析,外膜蛋白（,OmpF）,促进分泌,泛素蛋白（,Ubi）,维持良好空间构象,2）用于融合蛋白构建的受体蛋白：谷胱甘肽转移酶（GST）,53,3),目的蛋白的回收,融合蛋白中受体蛋白部分的存在可能会影响目的蛋白的空间构象和生物活性，如果将之注入人体还会导致免疫反应，因此在制备和生产药用目的蛋白时，将融合蛋白中的受体蛋白部分完整除去是必不可少的工序。,酶促裂解法,化学断裂法,融合蛋白的位点专一性断裂方法有两种：,3) 目的蛋白的回收融合蛋白中受体蛋白部分的存在可能会影响目,54,用于蛋白位点专一性化学断裂的最佳试剂为,溴化氰（,CNBr,）,它与多肽链中的甲硫氨酸残基侧链的,硫醚基,反应，生成溴化亚氨内酯，后者不稳定，在水的作用,下肽键断裂，形成两个多肽降解片段；,化学断裂法：,其中上游肽段的甲硫氨酸残基转化为,高丝氨酸残基，,而下游肽段,N,端的第一位氨基酸残基保持不变。,用于蛋白位点专一性化学断裂的最佳试剂为溴化氰（CNBr）它,55,这一方法的优点：,然而，如果异源蛋白分子内部含有甲硫氨酸残基，则,不能用此方法,!,回收率高（可达到,85%,以上），,专一性强，,产生的目的蛋白的,N,端不含甲硫氨酸，与真核生物细,胞中的成熟表达产物较为接近,。,这一方法的优点：然而，如果异源蛋白分子内部含有甲硫氨酸残基，,56,酶促裂解法：,单残基位点,蛋白酶酶促裂解法的特点是断裂效率更高，同时每种蛋白酶,均具有相应的断裂位点决定簇，因此可供选择的专一性断裂位,点范围较广。,几种断裂位点专一性最强的商品化蛋白酶分别在多肽链中的,精氨酸、谷氨酸、赖氨酸残基处切开酰胺键，形成不含上述残,基的下游断裂肽段，与溴化氰化学断裂法相似。,酶促裂解法：单残基位点蛋白酶酶促裂解法的特点是断裂效率更高,57,用上述蛋白酶裂解融合蛋白的前提条件：,外源蛋白分子内部不能含有,精氨酸、谷氨酸,或,赖氨酸残,基，,如果外源基因表达产物为小分子多肽，这一限制条件,并不苛刻，但大分子量的异源蛋白来说，上述三种氨基酸,残基的出现频率是相当高的。,用上述蛋白酶裂解融合蛋白的前提条件：外源蛋白分子内部不能含,58,蛋白内切酶,切割位点,梭菌蛋白酶,葡萄球菌蛋白酶,假单孢菌蛋白酶,猪胰蛋白酶,Arg C,N,N,C,受体蛋白,目的蛋白,Arg-C,Glu-C,Lys-C,Arg-C,Lys-C,蛋白内切酶切割位点梭菌蛋白酶葡萄球菌蛋白酶假单孢菌蛋白酶猪胰,59,酶促裂解法：,多残基位点,为了克服仅切单一氨基酸残基的蛋白酶所带来的应用局限,性，可在受体蛋白编码序列与不含起始密码子的外源基因,之间加装一段编码寡肽序列,（,Ile-Glu-Gly-Arg）,的人工接,头片段， 该寡肽为具有蛋白酶活性的,凝血因子,Xa,的识别,和作用序列， 其断裂位点在,Arg,的,C,末端。,酶促裂解法：多残基位点为了克服仅切单一氨基酸残基的蛋白酶所,60,由于,Xa,的识别作用序列由,四个氨基酸残基,组成，大多数蛋,白质中出现这种寡肽序列的概率极少，因此这种方法可广,泛用于从融合蛋白中回收各种不同大小的目的蛋白产物。,纯化后的融合蛋白用,Xa,处理，即可获得不含上述寡肽序列,的目的蛋白。,由于Xa的识别作用序列由四个氨基酸残基组成，大多数蛋纯化后的,61,酶促裂解法：,多残基位点,启动子,受体基因,接头,目的基因,Met,Arg,Stop,Lys,Glu,Ile-Glu-gly-Arg,Glu,Arg,Lys,Ile-Glu-gly-Arg,表达,亲和层析,酶解回收,酶促裂解法：多残基位点启动子受体基因接头目的基因MetArg,62,Pinpoint Xa,tac,生物素结合肽编码序列,Xa,因子识别位点编码序列,SP6,T7,Ap,r,ori,MCS,ATC GAA GGT CGC GAA GCT TCA GCT GGG ATC CGG TAC CGA TAT CAG ATC TCC CGG GGC GGC CGC,Xa-1,Ile Glu Gly Arg,Glu,ATC GAA GGT CGC GAA,A,GC TTC AGC TGG GAT CCG GTA CCG ATA TCA GAT CTC CCG GGG CGG CCG C,Xa-2,ATC GAA GGT CGC GAA,AA,G CTT CAG CTG GGA TCC GGT ACC GAT ATC AGA TCT CCC GGG GCG GCC GC,Xa-3,NruI HindIII PvuII BamHI KpnI EcoRV BglII SmaI NotI,Xa,因子切割位点,酶促裂解法：,多残基位点,Pinpoint Xatac生物素结合肽编码序列Xa因子识别,63,（四）寡聚型异源蛋白的表达,从理论上讲，外源基因的表达水平与受体细胞中可转录基因,的拷贝数（即基因剂量）呈正相关。然而重组质粒除了含有外,源基因外，还携带其它的可转录基因，如作为筛选标记的抗生,素抗性基因等。,随着重组质粒拷贝数的不断增加，受体细胞内的大部分能量,和原料被用于合成所有的重组质粒编码蛋白，而细胞的正常生,长代谢却因能量不济受到影响，因此通过增加质粒拷贝数提高,外源基因表达产物的产量往往不能获得满意的效果。,（四）寡聚型异源蛋白的表达从理论上讲，外源基因的表达水平与受,64,另一种通过增加外源基因剂量而提高目标蛋白产量的,有效方法是构建寡聚串联型异源蛋白表达载体，即将,多拷贝的外源基因克隆在一个低拷贝质粒上，以取代,单拷贝外源基因在高拷贝载体上表达的策略。,另一种通过增加外源基因剂量而提高目标蛋白产量的,65,1.,以寡聚形式表达目的蛋白的优缺点,目的蛋白高效表达,在不提高质粒拷贝数的前提下，增加目的基因的拷贝数，,可以在一定程度上改善表达量；,稳定表达小分子短肽,目的产物回收困难,短肽由于缺乏有效的空间结构，在细菌细胞中的半衰期较短。,串联短肽具有与蛋白质相似的长度及空间结构，因而抗蛋白,酶降解的能力大幅度提高；,寡聚短肽需要裂解和进一步分离，才能获最终分子，但裂解,后的短肽分子容易出现序列不均一性。,1. 以寡聚形式表达目的蛋白的优缺点目的蛋白高效表达在不提高,66,2.,寡聚型目的蛋白表达系统的构建,P,SD,gene,gene,gene,gene,T,1,T,2,H,2,N,COOH,Met,Met,Met,Met,mRNA,CNBr,基本战略：,2. 寡聚型目的蛋白表达系统的构建PSDgenegenege,67,构建举例：,P,SD,T,1,T,2,EcoRI,BamHI,AATTCAGATCT,GTCTAGA,G,CCTAG,EcoRI,Bgl,II,BamHI,EcoRI,BamHI,Bgl,II,GATCT,A,G,CCTAG,EcoRI,BamHI,Bgl II,EcoRI,BamHI,Bgl II,EcoRI,+,BamHI,Bgl,II +,BamHI,BamHI,构建举例：PSDT1 T2EcoRIBamHIAATTCA,68,(,五,),整合型异源蛋白的表达,1.,以整合形式表达目的蛋白的优缺点,目的基因稳定表达,整合型的目的基因随受体细胞染色体,DNA,的复制而复制，,在大多数情况下相当稳定，工程菌在没有选择压力存在下,可以连续培养而不丢失目的基因表达盒，这对以改良物种,遗传性状为目的的基因工程案例特别有意义。,目的基因表达率低,单拷贝整合的目的基因表达率受到限制，此时可通过强化,表达元件而加以补偿。,(五)整合型异源蛋白的表达1. 以整合形式表达目的蛋白的优缺,69,2. DNA,体内重组的基本原理,细胞内的遗传重组可分为两大类：,转位因子依赖型,同源序列依赖型,在生物体细胞尤其是原核细菌细胞内，广泛存在,着,DNA,的遗传重组机制，其可能的生物学功效是促进生物种群的进化。,2. DNA体内重组的基本原理细胞内的遗传重组可分为两大类：,70,转位因子,是指生物细胞内天然存在的一类无复制能力的,DNA,可移动因子，不同生物种群拥有结构不同的转位因子，例如：,1,）转位因子依赖型的体内重组：,转位因子家族,噬菌体,G,片段（,G-Fragment,）,原核细菌 插入顺序（,IS,）,真核细菌 转座子（,Tn,、,Ty,）,高等植物 可移动因子（,Ac,、,Ds,）,高等动物 跳跃基因（,mobil gene,）,转位因子是指生物细胞内天然存在的一类无复制能力的DN,71,IS,（,1 kb,）,Ty（5,kb,）,Tn（2,-,20 kb,）,ACCATGGTT,TTGGTACCA,抗药性基因,转位酶基因,识别位点,阻遏基因,IR,IR,IR,IR,IS,IS,转位因子依赖型的体内重组：,转位因子的结构,IS（1 kb）Ty（5 kb）Tn（2 - 20 kb）A,72,转位因子依赖型的体内重组：,整合形式,转位因子依赖型的体内重组：整合形式,73,在很多原核细菌细胞中，染色体,DNA,链上的两个同源区之间,可发生同源重组，其频率与细菌种类、两个同源区之间的距离,同源区的长度、同源程度密切相关。,2),同源序列依赖型的体内重组：,基本形式,一般地说，距离越远、长度越长、同源性越高，重组的频率,也就越高，反之亦然。,同源重组有整合和交换两种形式，前者只需要一个断裂位点，,而后者涉及两个断裂位点。,在很多原核细菌细胞中，染色体DNA链上的两个同源区之间2)同,74,同源序列依赖型的体内重组：,同源整合,ori,目的基因,同源区域,标记基因,整合位点,染色体,DNA,同源序列依赖型的体内重组：ori目的基因同源区域标记基因整合,75,同源序列依赖型的体内重组：,同源交换,ori,目的基因,同源区域,标记基因,交换区域,染色体,DNA,ori,标记基因,+,同源序列依赖型的体内重组：ori目的基因同源区域标记基因交换,76,（六）蛋白酶抗性或缺陷型表达系统的构建,无论是在真核生物还是在原核细胞中，重组目的蛋白表,达后都会面临被降解的命运，其稳定性甚至还不如半衰期,较短的受体细胞内源性蛋白质。,在大多数情况下，重组目的蛋白的不稳定性可归结为对,受体细胞蛋白酶系统的敏感性。,然而越来越多的实验表明，重组目的蛋白在受体细胞内,的半衰期可以通过蛋白序列的人工设计以及受体细胞的改,造加以调整和控制。,（六）蛋白酶抗性或缺陷型表达系统的构建无论是在真核生物还是在,77,实验结果表明，大多数不稳定的重组目的蛋白是被大肠杆菌,中的蛋白酶,La,和,Ti,降解的，两者分别由,lon,和,clp,基因编码，其,蛋白水解活性依赖于,ATP。,1.,蛋白酶缺陷型受体细胞的改造,1,）,lon,基因缺陷的大肠杆菌受体,(,lon,-,),：,lon,基因由热休克等环境压力激活，细胞内异常蛋白或重组异,源蛋白的过量表达也可作为一种环境压力诱导,lon,基因的表达。,lon,-,的,大肠杆菌突变株可使原来半衰期较短的细菌调控蛋白,(,如,SulA、RscA,、,l,N,）,稳定性大增，因此被广泛用作外源基因高效,表达的受体菌。,实验结果表明，大多数不稳定的重组目的蛋白是被大肠杆菌1.蛋白,78,热休克基因,dnaK,、,dnaJ,、,groEL,、,grpE,以及环境压力特异,性,s,因子编码基因,htpR,的突变株均呈现出对异源蛋白降解作,用的严重缺陷；,htpR,基因缺陷的大肠杆菌受体（,htpR,-,）：,大肠杆菌中庞大的热休克蛋白家族对异常或,异源蛋白的,降解也有重要作用，其机理是胁迫,异常或,异源蛋白形成一,种对蛋白,酶,识别和降解较有利的空间构象，从而提高,异常,或,异源蛋白对蛋白,酶的敏感性；,特别是,lon,-,htpR,-,的双缺陷株，非常适合高效表达各种不稳,定的重组异源蛋白,。,热休克基因dnaK、dnaJ、groEL、grpE以及环境压,79,大量的实验结果表明，在所,有的极性氨基酸中，,天冬氨酸（,Asp）,的存在对提高蛋白质稳定性的效应最显著，而且,Asp,残基离,C,末端越近，蛋白质的稳定性就越大。,2.,抗蛋白酶的重组异源蛋白序列的设计,1),多肽链,C,末端氨基酸序列对稳定性的影响：,更为重要的是，在多种结构和功能相互独立的蛋白质,C,末,端引入,Asp,残基，都能显著地延长这些蛋白质的半衰期，因,此具有普遍意义,。,大量的实验结果表明，在所有的极性氨基酸中，天冬氨酸（Asp）,80,大量的实验结果同时表明，如果多肽链的,N,末端序列中含有,较高比例的,Ala、Asn、Cys、Gln、His,，,则蛋白质的稳定性显,著改善。,2),多肽链,N,末端氨基酸序列对稳定性的影响：,相反，,N,末端含有,Pro、Glu、Ser、Thr,的真核生物蛋白质，,在真核和原核细胞中的半衰期通常很短,尤其,Pro-Glu-Ser-Thr,序列（,PEST,序列），是胞内蛋白酶的超敏感区。,大量的实验结果同时表明，如果多肽链的N末端序列中含有2) 多,81,四、 基因工程菌的遗传不稳定性及其对策,基因工程菌遗传不稳定性的表现与机制,改善基因工程菌不稳定性的策略,四、 基因工程菌的遗传不稳定性及其对策基因工程菌遗传不稳定性,82,1),工程菌遗传不稳定性的表现形式,基因工程菌的遗传不稳定性主要表现在重组质粒的不稳定性，,这种不稳定性具有两种表现形式：,重组,DNA,分子上某一区域发生缺失、重排、修饰，导致,其表观生物学功能的丧失,整个重组,DNA,分子从受体细胞中逃逸（,curing）,结构不稳定性,分配不稳定性,1.,基因工程菌遗传不稳定性的表现与机制,1) 工程菌遗传不稳定性的表现形式基因工程菌的遗传不稳定性主,83,2),工程菌遗传不稳定性的产生机制,能量、物质的匮乏和外源基因表达产物的毒性诱导受体细胞,产生应激反应：关闭合成途径，启动降解程序。,受体细胞中的限制修饰系统对外源重组,DNA,分子的降解,外源基因的高效表达严重干扰受体细胞正常的生长代谢,这是重组质粒逃逸的基本原因,重组质粒在受体细胞分裂时的不均匀分配,受体细胞中内源性的转座元件促进重组分子的缺失重排,2) 工程菌遗传不稳定性的产生机制能量、物质的匮乏和外源基因,84,3),重组质粒的逃逸率,当含有重组质粒的工程菌在非选择性条件下生长时，培养系,统中一部分细胞不再携带重组质粒，这些空载细胞数与总细胞,数之比称为称为重组质粒的,宏观逃逸率。,重组质粒逃逸的原因有：,高温培养、表面活性剂（,SDS）、,药物（利福平）、染料,（吖啶）促使重组质粒渗漏；,受体细胞中的核酸酶降解重组质粒；,重组质粒在受体细胞分裂时不均匀分配，细胞所含重组质,粒拷贝数的差异随着细胞分裂次数的增多而加剧。,3) 重组质粒的逃逸率当含有重组质粒的工程菌在非选择性条件下,85,2.,改善基因工程菌不稳定性的策略,1),改进载体受体系统,以增大质粒稳定性为目的的构建方法包括：,将,R1,质粒上的,parB,基因引入表达型载体中，其表达产物可,以选择性地杀死由于分配不均匀所产生的无质粒细胞；,正确设置载体上的多克隆位点，禁止,DNA,片段插在稳定区内,将受体细胞的致死性基因安装在载体上，同时构建条件致死,性的相应受体系统，如大肠杆菌的,ssb,基因（,DNA,单链结合,蛋白编码基因）。,2. 改善基因工程菌不稳定性的策略1)改进载体受体系统以增大,86,2,）施加选择压力,根据载体上的抗药性标记，向培养系统中添加相应的抗生素,药物和食品生产时禁止使用抗生素,根据载体上的营养缺陷型标记，向培养系统中添加相应的营养组份,培养基复杂，成本较高,2）施加选择压力根据载体上的抗药性标记，向培养系统中添加相应,87,3,）控制目的基因的过量表达,使用可控型启动子控制目的基因的定时表达及表达程度,使用可控型复制子控制质粒的定时增殖或降低质粒的拷贝数,4,）优化基因工程菌的培养工艺,培养基组成：限制培养基比丰富培养基更有利于稳定,培养温度： 较低的培养温度有利于重组质粒的稳定,3）控制目的基因的过量表达使用可控型启动子控制目的基因的定时,88,六、利用重组大肠杆菌生产人胰岛素,胰岛素的结构及其生物合成,人胰岛素的生产方法,重组人胰岛素的大肠杆菌工程菌的构建,六、利用重组大肠杆菌生产人胰岛素胰岛素的结构及其生物合成人胰,89,(,一,),胰岛素的结构及其生物合成,S,S,S,S,C,N,S,S,B,肽（30）,C,肽（31）,A,肽（21）,R,R,R,K,S,S,S,S,C,N,S,S,N,C,高尔基体内的特异性肽酶,N,C,信号肽,B,肽,C,肽,A,肽,信号肽酶,(一) 胰岛素的结构及其生物合成SSSSCNSSB 肽（30,90,（二）人胰岛素的生产方法,1.,直接提取法制人胰岛素,早期人的胰岛素是从人的胰脏中直接分离纯化,的，由于原料供应的限制，其产量远远不能满足,日益增多的糖尿病人的临床需求。,（二）人胰岛素的生产方法1. 直接提取法制人胰岛素早期人的胰,91,2.,化学合成法制人胰岛素,根据人胰岛素,A,链和,B,链的序列，由单个氨基酸从,头合成。这条化学全合成的路线从技术上来说是能,够做到的，但其生产成本奇高，从而也限制了产品,的广泛应用。,2. 化学合成法制人胰岛素根据人胰岛素A链和B链的序列，由单,92,3.,化学转型法制人胰岛素,猪的胰岛素可从原料丰富的猪胰脏中提取获得，,而且猪胰岛素与人胰岛素只在,B,链的,C,末端有一个,氨基酸的差异，,猪的为,Ala，,人的为,Thr,，,因此将,猪胰岛素在体外酶促转化为人胰岛素不失为一种,选择。,3. 化学转型法制人胰岛素猪的胰岛素可从原料丰富的猪胰脏中提,93,上述思路的技术路线是：在,pH,为6-7的有机相中使胰蛋白酶,催化其逆反应，该酶在过量的,苏氨酸叔丁酯,的存在下，将猪胰,岛素,B,链,C,末端的丙氨酸交换下来，所形成的,人胰岛素叔丁酯,再,用,三氯乙酸脱去叔丁酯基团，,最终获得人胰岛素。,该过程的总转化率为60%但工艺路线耗时，分离纯化操作复,杂，产品的价格不菲。,上述思路的技术路线是：在pH为6-7的有机相中使胰蛋白酶该过,94,4.,基因工程法制人胰岛素,1982年，美国,Ely LiLi,公司首先使用重组大肠杆菌生产人胰岛素，成为世界上第一个上市的基因工程药物。,1987年，,Novo,公司又推出了利用重组酵母菌生产人胰岛素的,新工艺。,上述由基因工程菌合成的重组人胰岛素在体外胰岛素受体结,合性能、淋巴细胞和成纤维细胞的应答能力、降血糖作用、血浆,药代动力学等指标上均与天然胰岛素没有任何区别，而且还具有,无免疫原性、注射吸收迅速等优点，充分展示了基因工程在生物,医药领域中的巨大潜力。,4. 基因工程法制人胰岛素1982年，美国Ely LiLi公,95,（三）重组人胰岛素的大肠杆菌工程菌的构建,1. A,链和,B,链分别表达法,基因工程菌的构建战略：,tac,tac,b,-Gal,b,-Gal,A peptide,B peptide,ori,ori,Ap,r,Ap,r,Met,Met,Met,Met,M,M,N,C,M,M,N,C,化学合成,A,链和,B,链的编码序列,（三）重组人胰岛素的大肠杆菌工程菌的构建1. A链和B链分别,96,表达产物的后处理路线：,M,M,N,C,M,M,N,C,b,-Gal,b,-Gal,A,B,CNBr,处理,N,C,