蛋白表达技术在生物学研究中扮演着关键角色，为科学家们揭示生物体内复杂生命过程提供了重要工具。从蛋白质的合成到其功能的发挥，蛋白表达是理解细胞活动和药物研发的核心步骤。
重组蛋白表达技术的应用始于20世纪70年代初，该技术利用载体将目的基因导入宿主细胞，从而利用宿主细胞的蛋白质生产机制来生产目标蛋白。现今，许多科研人员选择利用大肠杆菌、酵母、昆虫、哺乳动物等原核或真核细胞作为宿主细胞，并通过多样的载体表达系统来推动现代蛋白质生物化学研究迈出坚实的一步。这些技术的发展不仅推动了基础生物医学研究的进展，也为药物研发领域带来了新的可能性。
一、原核表达系统：大肠杆菌
原核表达系统，特别是以大肠杆菌（Escherichia coli，E.coli）为代表的系统，是生物医学领域中最早也是最经济的蛋白质生产方式之一。大肠杆菌表达系统是一种最早被开发并得到广泛应用的原核细胞表达系统，被广泛运用于分子生物学和生物技术研究，包括基因克隆、蛋白质表达和生产以及作为研究蛋白质功能的重要工具。以下是大肠杆菌表达系统的几个关键特点：
①快速生长:大肠杆菌具有快速生长的优势，能够在短至20分钟的时间内完成细胞分裂，实现快速繁殖。
②低成本:该系统具有低成本的优势，其培养基简单且成本低廉，适合大规模生产。③高表达量:大肠杆菌表达系统能够实现高表达量，可产生高水平的重组蛋白，为蛋白质研究和生产提供了强有力支持。
④缺乏复杂修饰:该系统缺乏复杂的后翻译修饰，如糖基化，这可能需要后续的蛋白重新构型，但这也使得该系统操作简便且成本低廉。
应用:特别适用于结构简单、后修饰要求不高的蛋白表达。
优势:遗传背景清晰，成本低廉，表达量高，稳定性好，以及抗污染能力强。
局限:使用原核表达系统也存在一些局限性，例如表达的蛋白质可能会形成包涵体，导致需要额外的复性步骤来解决这一问题。
二、真核表达系统
真核细胞蛋白表达系统是利用真核生物（如酵母、昆虫和哺乳动物细胞）作为平台来生产重组蛋白的系统。这些系统具有复杂的翻译后修饰机制，这对许多蛋白质的生物学功能至关重要。在真核表达系统中，细胞能够进行各种翻译后修饰过程，如糖基化、磷酸化、乙酰化等，这些修饰可以影响蛋白的结构和功能。此外，真核细胞还具有复杂的细胞器系统，如内质网和高尔基体，这些器官在蛋白质合成和修饰过程中发挥重要作用。因此，真核表达系统在生物医学领域的研究和应用具有重要意义。
1、酵母蛋白表达系统: 开拓了真核功能研究的新篇章
酵母蛋白表达系统是利用酵母细胞作为宿主来生产重组蛋白的前沿技术。酵母细胞作为一种单细胞的真核微生物，具有诸多适合蛋白质表达的优势特性。尤其是甲醇酵母，其结合原核与真核特性备受青睐。毕赤酵母(Pichia pastoris)作为甲醇酵母的代表，在甲醇利用和外源基因表达方面具备独特的优势，已经成为蛋白质表达和生物制药领域中的重要宿主菌。针对酵母表达系统的几种常见特点及其应用领域：
① 真核特性：具备部分真核细胞的翻译后修饰功能；
② 表达量：能够达到较高水平；
③ 稳定性：具有分泌至培养基中的能力，便于后续纯化操作。
应用:酵母蛋白表达系统适用于需要特定翻译后修饰的蛋白质表达.
优势:表达量高、可诱导，并且其糖基化机制接近高等真核生物。
局限:酵母表达系统也存在局限性，部分蛋白产物易受降解影响，且表达量并不总是易于控制。
2、昆虫杆状病毒表达系统:杆状病毒的巧妙应用
昆虫杆状病毒表达系统 (Insect Cell Expression System, ICES) 是一项基于昆虫细胞的生物技术工具，通常使用刺蛾科昆虫的卵巢细胞（如草地夜蛾 Spodoptera frugiperda）进行重组蛋白和病毒载体的生产。该系统采用杆状病毒 (Baculovirus) 作为外源基因的载体，能够实现真核细胞中的复杂翻译后修饰。该系统具有以下特点：
①翻译后修饰:具备真核细胞独特的翻译后修饰加工能力；
②高表达量:外源基因的表达量可达到昆虫细胞蛋白总量的50%；
③安全性:对脊椎动物安全。
应用:适用于需要复杂糖基化和其他翻译后修饰的蛋白质。
优势:组蛋白具有完整的生物学功能,如蛋白的正确折叠、二硫键的搭配。
局限:外源蛋白的表达受极晚期病毒启动子的调控，这可能导致细胞死亡的现象。因此，在应用时需要慎重考虑。
3、哺乳动物细胞表达系统:最接近自然的表达
哺乳动物细胞表达系统是一项用于在哺乳动物细胞中生产重组蛋白的技术平台，其主要特点是能够提供与人体内环境极为相似的翻译后修饰，从而使得产生的蛋白质在活性上更接近天然蛋白。这些系统可以提供与天然蛋白质非常相似的翻译后修饰，例如糖基化、磷酸化和蛋白质折叠等，这对于许多生物药物和复杂蛋白的功能至关重要。在哺乳动物细胞表达系统中，几个关键特点值得关注：
① 复杂修饰：这种系统能够进行复杂的翻译后修饰，尤其是糖基化等。
② 表达水平：表达水平通常在低到中等之间，这取决于所选用的细胞系和载体。
③ 成本：相对而言，哺乳动物细胞表达系统的成本较高，因为操作技术要求也较为复杂。
应用:哺乳动物细胞表达系统适用于表达对翻译后修饰要求严格的蛋白，尤其适合表达某些治疗性蛋白。
优势:其优势在于表达的重组蛋白接近人源构象，适合研究某些特定蛋白功能。
局限:该系统的局限性在于表达量相对较低，成本较高，有时可能导致病毒感染的风险。
三、蛋白表达系统，越高级越好吗？
①表达水平:大肠杆菌和枯草芽孢杆菌系统通常具有较高的表达水平，适合中小规模蛋白质的生产。而酿酒酵母和哺乳动物细胞系统则更适用于对表达水平有更高要求的场景，因其能够实现更高水平的表达。
②蛋白质折叠和修饰:哺乳动物细胞系统在蛋白质折叠和后期修饰方面具有显著优势，适用于需要高度复杂结构和功能的蛋白质。相较之下，原核表达系统在这方面存在一定局限性，表达的蛋白质可能会缺乏某些必要的后期修饰。
③成本和操作难度:在成本和操作难度方面，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌表达系统一般成本较低，操作也相对简便。相反，酵母和哺乳动物细胞表达系统的成本相对较高，操作也会更加复杂。
因此，在选择蛋白表达系统时，应当根据目标蛋白的性质、用途和需求进行合理选择。不同的系统各有优劣，并且取决于在特定情况下所需的特定性能。只有充分考虑这些因素，才能选择出最适合的蛋白表达系统来实现预期的研究目标。
四、4个蛋白表达系统，还有别的吗？
植物作为表达系统具有独特的优势，可以有效表达来自动物、细菌、病毒以及植物本身的蛋白质，且易于大规模培养和生产。在基因表达、修饰和安全性方面，植物表达系统具有特殊优势，因此利用植物生产外源蛋白质在研究中展现出极具前景。通过基因工程技术，已经成功在植物的叶、茎、根、果实、种子以及植物细胞和器官中表达多种抗体、酶、激素、血浆蛋白和疫苗等物质。然而，尽管取得了成功，但提取和纯化仍然是利用植物大规模生产重组蛋白的主要挑战。
尽管植物表达系统在生产外源性蛋白方面起步较晚，但已经取得了显著进展，能够应用于制备多种医用、食用和工业用蛋白以及酶制剂。
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