真核與原核蛋白表達方式對比及其優(yōu)勢介紹
自然狀態(tài)下，蛋白的表達翻譯需要以宿主為載體，重組蛋白的產生也是需要以表達體系作為載體的。重組蛋白的表達可以在各種不同的體系中完成，包括HEK293，CHO酵母，植物或昆蟲細胞系等真核動物細胞或者原核細胞。每種表達系統(tǒng)從不同的角度看都有著各自的優(yōu)勢，比如經濟性、易用性以及翻譯后的修飾功能等。那么從哪些角度來考慮選擇合適的宿主呢？Khan K. H[1]總結了選擇合適宿主至少要關注以下幾點：
原核和真核動物細胞表達系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于基礎構造的不同。細菌沒有細胞核、內質網或高爾基體，這些都是細胞運輸和翻譯后修飾的關鍵要素。相比之下，真核動物細胞就擁有這些細胞器應用于蛋白的合成修飾�？梢哉f，真核細胞擁有更復雜的蛋白表達機制，具有更高的翻譯精度（圖1和圖2）。
原核表達體系
大腸桿菌細胞系是最常用的細菌表達系統(tǒng)，具有生長極快、活力旺盛、應用簡單等特點，并且細菌很容易使用熱休克等方法轉染。與真核生物不同，原核細胞的細胞壁以及簡單的構造可以承受劇烈的溫度變化并在熱沖擊過程中生存。真核生物就不同了，在高溫環(huán)境中，真核細胞可能會受到急性永久性損傷，這樣就會影響細胞正常的功能，并抑制細胞正常的蛋白表達，甚至會導致細胞的死亡。對于需要翻譯后較少修飾的胞質蛋白或者分泌的蛋白是適用于大腸桿菌表達體系的，因為大腸桿菌表達的產品總量相對更多，價格較便宜。但是對于一些跨膜蛋白、糖蛋白以及和細胞膜結合的蛋白就不太適合大腸桿菌的表達體系，這是因為沒有內質網等細胞器來促進蛋白結構的正確翻譯折疊。因此，如果要表達真核動物的某些類型蛋白時，原核表達體系就失去了它的優(yōu)勢。
圖1：大腸桿菌模擬圖
真核表達體系
真核動物細胞進行蛋白質表達具有明顯的優(yōu)勢，即能夠產生具有提供天然結構的所有正確翻譯后修飾的真核動物蛋白。因此，真核動物細胞進行重組蛋白制造的表達系統(tǒng)能夠引入適當的蛋白質折疊、翻譯后修飾和蛋白質組裝，這對于蛋白質完整的生物活性是非常重要的。在制藥領域，世界上幾乎所有的生物制藥公司都依賴于使用基于真核動物細胞的穩(wěn)定細胞系來生產生物制劑。不過真核動物細胞通常比細菌更難處理，因為它們更脆弱。通常真核表達體系總體上產生的產品更少，因此價格可能更昂貴；其次蛋白的修飾發(fā)生一般在蛋白翻譯期間或蛋白翻譯后不久。例如，分泌蛋白會在內質網中生成，因為內質網中有促進蛋白折疊、二硫鍵生成以及N -連接糖基化酶。另外抗體在分泌之前會通過高爾基體，高爾基體中含有 O-連接的糖基化的酶，保證了分泌蛋白的正常功能。
圖2：真核哺乳細胞模擬圖
上述可見，選擇合適的宿主是非常關鍵的。原核細胞和真核細胞表達體系應該怎樣選擇呢？Fernández, F. J.和 Vega, M. C. 建議可以優(yōu)先使用大腸桿菌作為表達宿主，除非有證據證明要大量生產的蛋白質在另一個系統(tǒng)中表現(xiàn)得更有優(yōu)勢。根據Fernández, F. J.和 Vega, M. C.的統(tǒng)計2013年PUBMED中記錄的重組蛋白有超過70%是由大腸桿菌表達，2014年PDB中記錄的重組蛋白有超過88%的重組蛋白是由大腸桿菌表達的[2]。
但是，對于治療性重組蛋白、病毒載體和疫苗生產而言，最主要的平臺是真核動物細胞表達系統(tǒng)[3]。它們可以產生復雜的分子蛋白，如單克隆抗體和一些高分子量的治療性蛋白，與細菌和酵母系統(tǒng)相比，在創(chuàng)建穩(wěn)定的細胞系時的選擇過程比微生物系統(tǒng)要長很多，難度也更大。
真核體系表達--抗體
在表達抗體方面，單功能域的抗體可以在大腸桿菌中成功表達，但不同亞型的全長抗體是不能在大腸桿菌中表達的。這是因為抗體包含多糖分子以及將重鏈和輕鏈結合在一起的二硫鍵等結構。如果沒有糖基化或二硫鍵生成的酶，就無法進行適當的折疊和修飾，即使有正確的DNA也無法正確合成蛋白質。圖3舉例了蛋白翻譯后水解、糖基化、磷酸化的過程�？傮w而言，相對于原核細胞，真核動物細胞中的抗體表達技術要求更高，該技術的最大優(yōu)點是抗體將盡可能接近天然結構，從而具有接近天然的結合活性。
圖3：蛋白翻譯后水解、糖基化、磷酸化示意圖
同立海源生物擁有10余年的單克隆抗體表達研發(fā)、生產經驗，公司生產的單克隆抗體都是通過真核體系表達，并且經過人源化改造，具有更接近天然的功能活性和結合活性，在細胞和基因治療過程中可以發(fā)揮重要的作用。
抗體產品列表
參考文獻：
[1] Khan K. H. (2013). Gene expression in Mammalian cells and its applications. Advanced pharmaceutical bulletin, 3(2), 257–263. https://doi.org/10.5681/apb.2013.042
[2] Fernández, F. J., & Vega, M. C. (2016). Choose a Suitable Expression Host: A Survey of Available Protein Production Platforms. Advances in experimental medicine and biology, 896, 15–24. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27216-0_2
[3] Ergen, N. & Tüfekçi, H. (2022). Mammalian cell lines used in Bioprocessing . Journal of Experimental and Clinical Medicine , 39 (3) , 884-892 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/en/pub/omujecm/issue/72455/1106818
