選擇合適的蛋白表達(dá)系統(tǒng)是重組蛋白成功表達(dá)的關(guān)鍵。需要考慮以下方面的因素，包括：目標(biāo)蛋白性質(zhì)、用途、蛋白質(zhì)產(chǎn)量和成本。此外，許多蛋白質(zhì)表達(dá)項(xiàng)目也存在著風(fēng)險(xiǎn)，尤其是大蛋白、膜蛋白、核蛋白和具有大量翻譯后修飾的蛋白質(zhì)。
目前卡梅德生物可以提供幾種表達(dá)系統(tǒng)可供客戶選擇，不同的系統(tǒng)有不同的特性和應(yīng)用。在這里，我們將介紹四種常用于研究和工業(yè)級(jí)別的表達(dá)系統(tǒng)。即：細(xì)菌表達(dá)系統(tǒng)、酵母表達(dá)系統(tǒng)、桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)和哺乳動(dòng)物表達(dá)系統(tǒng)。
 
1. 原核表達(dá)系統(tǒng)
大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)是最主要也是最成熟的表達(dá)系統(tǒng)。主要方法是將目標(biāo)DNA片段導(dǎo)入宿主細(xì)胞。然后用IPTG誘導(dǎo)蛋白表達(dá)。
大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)作為最早開發(fā)和應(yīng)用最廣泛的經(jīng)典表達(dá)系統(tǒng)，具有遺傳背景清晰、選育快、成本低、表達(dá)量高、產(chǎn)品純化容易、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，在原核表達(dá)系統(tǒng)中也存在許多缺點(diǎn)：例如并非所有的蛋白質(zhì)都是可溶的。細(xì)胞質(zhì)中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)能形成稱為包涵體的不溶性聚集物，這導(dǎo)致了蛋白難以純化。此外，原核表達(dá)系統(tǒng)的翻譯后修飾過程不完善，表達(dá)產(chǎn)物的生物活性較低。
因此，其他更復(fù)雜的系統(tǒng)也正在開發(fā)中；這些系統(tǒng)可能允許以前認(rèn)為在大腸桿菌中不可能表達(dá)的蛋白質(zhì)的表達(dá)，例如糖基化蛋白質(zhì)。
2. 酵母表達(dá)系統(tǒng)

酵母表達(dá)系統(tǒng)作為一種新的外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)，具有原核和真核表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。它在基因工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1996年對(duì)釀酒酵母全基因序列進(jìn)行了測(cè)序。釀酒和面包行業(yè)使用釀酒酵母已有數(shù)千年的歷史，被認(rèn)為是不產(chǎn)生毒素的GRAS（一般公認(rèn)為安全的）生物，也被FDA認(rèn)可。因此，酵母系統(tǒng)表達(dá)的產(chǎn)物不需要進(jìn)行大量的宿主安全性實(shí)驗(yàn)。然而，與新的酵母系統(tǒng)相比，釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)不適合于高密度培養(yǎng)，缺乏強(qiáng)有力和嚴(yán)格的調(diào)控啟動(dòng)子。分泌效率低。尤其是分子量大于30kD的許多靶蛋白幾乎不分泌。
后來，人們開發(fā)了裂變酵母和甲醇酵母表達(dá)系統(tǒng)。其中，甲醇酵母表達(dá)系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的酵母表達(dá)系統(tǒng)。目前，甲醇酵母主要有H多晶型、博迪念珠菌和畢赤酵母。畢赤酵母是最受歡迎的工具。大多數(shù)甲醇酵母含有甲醇酵母氧化酶基因-1（AOX1），外源基因在啟動(dòng)子（paox1）作用下表達(dá)，PAOX1是以葡萄糖或甘油為碳源的強(qiáng)啟動(dòng)子，AOX1基因在甲醇酵母中的表達(dá)通常受到抑制。當(dāng)甲醇為唯一碳源時(shí)，PAOX1可以被活化，因此，在該基因的控制下，AOX1基因的表達(dá)可以增加。利用甲醇酵母來表達(dá)外源蛋白的產(chǎn)量通�？蛇_(dá)到克級(jí)別。與釀酒酵母相比，其翻譯更接近哺乳動(dòng)物細(xì)胞，不發(fā)生高糖基化。
 
3. 昆蟲桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)
昆蟲表達(dá)系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用的真核表達(dá)系統(tǒng)，具有翻譯和修飾類似于高等真核生物的外來蛋白質(zhì)的能力。重組桿狀病毒在昆蟲細(xì)胞系統(tǒng)中表達(dá)外源蛋白是一種較為流行的表達(dá)方法。蛋白質(zhì)含量可達(dá)1~500mg/L，但受到培養(yǎng)基、供氧量、對(duì)數(shù)生長等多種因素的限制和影響。
桿狀病毒是已知的昆蟲病毒中最大的一類，是最早、研究最多、最適用的昆蟲病毒。桿狀病毒基因組是一個(gè)80-160kb大小的單封閉環(huán)狀雙鏈DNA分子。它的基因組可以在昆蟲的細(xì)胞核中復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。DNA復(fù)制被組裝在桿狀病毒的樹皮中，具有很大的靈活性，可以容納大量的外來DNA插入片段。它是表達(dá)DNA大片段的理想載體。
桿狀病毒系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：
* 重組蛋白具有蛋白質(zhì)正確折疊和二硫鍵等完整的生物學(xué)功能；
* 翻譯后的修飾；
* 高表達(dá)水平，高達(dá)總蛋白量的50%；
* 適應(yīng)大片段插入蛋白；
* 可同時(shí)表達(dá)多種基因。
主要的缺點(diǎn)是外源性蛋白表達(dá)受到病毒啟動(dòng)子的控制較緩慢，使得細(xì)胞由于病毒感染而開始死亡。
昆蟲表達(dá)系統(tǒng)通常用于膜蛋白的生產(chǎn)，盡管糖基化可能與脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的不同。一般來說，使用它比使用哺乳動(dòng)物病毒更安全，因?yàn)樗�的宿主范圍有限，不�?jīng)修飾就不會(huì)感染脊椎動(dòng)物。
 
4. 哺乳動(dòng)物表達(dá)系統(tǒng)
哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)的重組蛋白通常使用質(zhì)粒轉(zhuǎn)染和病毒載體感染。穩(wěn)定的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細(xì)胞株需要數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間，而病毒載體可以在幾天內(nèi)迅速感染細(xì)胞。
根據(jù)蛋白質(zhì)表達(dá)的時(shí)空差異，表達(dá)系統(tǒng)可分為瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)、穩(wěn)定表達(dá)系統(tǒng)和誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)。瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)是指宿主細(xì)胞在沒有選擇壓力和外源載體的情況下，隨著細(xì)胞分裂而使得表達(dá)逐漸喪失。靶蛋白表達(dá)持續(xù)時(shí)間短。瞬態(tài)表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)周期短、簡(jiǎn)單。穩(wěn)定的表達(dá)系統(tǒng)意味著載體DNA在宿主細(xì)胞內(nèi)長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)制和表達(dá)。由于選擇阻力和壓力步驟的需要，穩(wěn)定表達(dá)相對(duì)耗時(shí)費(fèi)力。誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)是指靶基因在外來小分子誘導(dǎo)下開始表達(dá)。使用異源啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和可擴(kuò)增的遺傳標(biāo)記可以增加蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。
哺乳動(dòng)物表達(dá)系統(tǒng)在蛋白質(zhì)起始信號(hào)、加工、分泌、糖基化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，適用于表達(dá)完整的大分子。
哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的外源蛋白，與天然蛋白相近，其活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原核生物表達(dá)系統(tǒng)或酵母、昆蟲等真核表達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、要求高、產(chǎn)量低，有時(shí)還存在病毒感染。

所有這些表達(dá)系統(tǒng)都有優(yōu)缺點(diǎn)。大腸桿菌和酵母表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)水平高、成本低，但它們的修飾系統(tǒng)不同于昆蟲細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞；哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與天然蛋白質(zhì)相似，但缺點(diǎn)是表達(dá)水平低，操作復(fù)雜。不同表達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的重組蛋白的生物學(xué)活性和免疫原性有時(shí)因翻譯后加工的轉(zhuǎn)移而不同。因此，在考慮選擇哪一種表達(dá)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮多種因素，如靶蛋白是否具有毒性、蛋白是否需要生物活性、蛋白是否需要糖基化以及成本效益、產(chǎn)量、純化、安全性等。
 
表1 四種表達(dá)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單比較