重组蛋白表达:如何破解生产和折叠相关难题

学术   2024-12-02 16:55   江苏  

导读

蛋白质折叠是一种生物物理过程,使蛋白质形成特定三维结构,其氨基酸序列决定最终结构。重组蛋白生产中常遇问题包括蛋白水解、折叠错误、包涵体形成及蛋白聚集,导致结构异常。为解决这些问题,目前已开发多种策略,其中高通量筛选不同折叠条件为有效方法。分子伴侣作为高度保守的蛋白质,可以通过保护折叠蛋白免受其他可能干扰折叠过程的蛋白质影响,促进正确折叠。正确折叠是翻译后修饰的前提,翻译后修饰对蛋白质结构、功能和活性至关重要,错误修饰可能导致不良后果。


接下来,本文探讨重组蛋白表达的关键方面,强调了这些蛋白质的相关性,指出了生产重组蛋白和重折叠过程中主要问题,并提出了解决方案,同时概述了翻译后修饰的生物意义及鉴定方法,有望阐明重组蛋白表达中的挑战。

一、重组蛋白的表达


重组蛋白的表达旨在通过适当的宿主细胞生产出具有适当溶解度、折叠状态及活性的蛋白质。重组蛋白溶液表达的一个重要因素是环境的组成和优化。蛋白质折叠作为一种生物物理过程,当诱导细胞合成给定蛋白质时,可能会出现折叠不正确、蛋白水解或聚集。蛋白质无法折叠成正确的3D结构通常会导致产生无活性的蛋白质,但也可能导致功能改变或产生毒性。这些问题的出现可通过优化重组蛋白的生产和折叠条件来避免。

此外,重组蛋白的表达和翻译后修饰与解决基因的生物学功能以及进行生化、酶和三维蛋白质结构研究相关。在重组蛋白的生产中,优化折叠条件至关重要。通过调整诸如表达载体、培养基成分、生长温度和表达伴侣等参数,可以显著改善重组蛋白的折叠效率和产量。然而,低温虽然能降低重组蛋白的生产速度,为折叠提供足够的时间,但也可能导致产量下降。因此,需要在保证产量的同时,寻找最佳的折叠条件[1]。


二、重组蛋白折叠问题与解决方法



在重组蛋白的生产过程中,折叠问题是关键挑战之一。理论上,重组蛋白的获取过程相对简单,但在实际过程中常会出现如包涵体形成、蛋白聚集、蛋白失活、折叠错误以及翻译后的错误修饰甚至不产生蛋白等问题。为解决折叠问题,首先需要确定导致异常的根本原因,而基因组测序是理解蛋白结构的第一步。接下来,优化折叠条件是重组蛋白生产的重要部分,主要通过调整环境参数如温度、诱导剂浓度等来实现。降低温度可减缓蛋白生产速度,给予足够时间进行正确折叠,同时高浓度的分子伴侣也有助于折叠过程。然而,高度不稳定的蛋白质即使在分子伴侣存在下也可能折叠错误。此外,单一分子伴侣可能无效,需综合考虑多种因素。重组蛋白生产过程中的另一个问题是重折叠。重折叠意味着蛋白质构象从未展开到折叠的转变,这取决于变性剂的浓度[2]。

杂交蛋白技术提供了一种解决蛋白质折叠问题的替代方法,因为研究表明它能增加目标蛋白的溶解度。尽管杂交蛋白技术有效,但也存在一些包括可溶聚集物的产生、生物活性的缺乏以及杂交蛋白对蛋白质溶解度的不确定性等问题。

表1重折叠缓冲液优化的因素


三、分子伴侣的作用


分子伴侣在蛋白质折叠过程中起保护作用,防止错误折叠,并参与蛋白质的折叠、重折叠、质量控制和结构维护,避免天然蛋白质的积累和变性。选择合适的伴侣对提高重组蛋白的稳定性和正确折叠至关重要,折叠过程受到分子伴侣的保护,并引导它们进入其自然结构。伴侣具有三磷酸腺苷酶(Adenosine Triphosphatase,ATPase)活性,并特异性地发挥其功能。根据作用机制和与底物蛋白相互作用的类型,分子伴侣可分为三类,包括折叠分子伴侣、保持分子伴侣和解聚分子伴侣。折叠分子伴侣通过重新折叠或不折叠介导ATP依赖的底物改变,从而通过减少聚集体和水解错位的蛋白质来防止包涵体的形成[3]。

图1 Hsp90与固有无序蛋白的复合体

结构及其动态相互作用机制


四、蛋白质质量控制系统

如果重组基因的表达量较低,可能是由于mRNA稳定性差、5'mRNA端出现二级结构、密码子稀缺以及Shine-Dalgarno序列弱等因素导致的。细胞对错误折叠蛋白质的反应是首先去除这些不正确的折叠。蛋白质质量控制系统已经发展到保护细胞免受翻译过程中不需要的产物和受损蛋白质的侵害。蛋白质质量控制系统的作用是通过与受损多肽链结合来控制折叠和抵消聚集,以消除错误折叠的单体和错误折叠的蛋白质,从而导致错误折叠蛋白质的积累。此外,错误折叠蛋白质滴度的增加可能会阻碍蛋白质降解系统,并最终导致整个细胞的破坏[4]。

图2 蛋白质质量控制系统


五、蛋白质翻译后修饰


蛋白质翻译后的修饰是蛋白质生物合成中的最后一步,涉及翻译后蛋白质的一系列可逆或不可逆的化学变化。这些修饰对蛋白质的结构、功能和生物活性至关重要。蛋白质翻译后修饰的类型多种多样,包括磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化、SUMO化、甲基化等。其中,糖基化在真核细胞中最为常见且复杂,对蛋白质的生物活性、折叠、稳定性和溶解度有重要影响。糖蛋白是治疗性蛋白质的重要组成部分,糖基化可增强其稳定性和治疗效果。

乙酰化是另一种重要的翻译后修饰,涉及许多细胞过程的调控和正常功能,如染色质稳定性、细胞周期控制、细胞代谢、转录、基因调控、细胞稳态和蛋白质稳定性等。在真核生物中,大多数蛋白质都会发生乙酰化修饰。磷酸化是真核生物中蛋白质翻译后的重要可逆修饰之一,涉及在胞质溶胶或细胞核中的蛋白质翻译后添加一个磷酸基团。这种修饰在细胞信号传导、细胞分化、DNA修复、基因调控、应激和凋亡等过程中发挥重要作用。甲基化是另一种重要的可逆翻译后修饰过程,虽然过去主要在组蛋白蛋白质中研究,但现在已发现非组蛋白赖氨酸的甲基化也是一种重要的修饰。S-亚硝基化涉及一氧化氮基团与蛋白质中半胱氨酸的硫醇基的共价结合,调节酶活性、蛋白质相互作用、蛋白质功能控制和信号转导途径[5]。

图3 不同类型的翻译后修饰


六、翻译后修饰的诊断和鉴定方法



蛋白质的后翻译修饰及其相关位点的鉴定可以通过多种实验和计算方法进行。在计算方法中,后翻译修饰是通过实验数据分析来确定的。实验鉴定方法因修饰类型而异,例如,体外泛素化技术可用于研究蛋白质的降解。聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)可用于定量特定位置的修饰存在情况。

质谱方法,偶尔涉及高效液相色谱步骤,可用于检测糖基化和聚糖分析。首先通过酶法或化学法释放糖基团,然后利用液相色谱-质谱(Liquid Chromatograph-Mass Spectrometer,LC-MS)分析释放的寡糖。通过电泳分离添加在糖链还原端的荧光团或染料,可以更好地检测糖基化蛋白,通常使用对糖类具有高亲和力的试剂(如糖和凝集素结合抗体)[6]。

表2 重组蛋白修饰类型鉴定方法




结语

重组蛋白的表达是生物技术领域不可或缺的一环,然而,这一过程中存在的多种问题,如蛋白水解、折叠错误、包涵体形成及蛋白聚集等,常常影响了蛋白质的最终结构和功能。为此,科研人员已经提出了多种应对策略,例如选择最佳操作条件、减少生产时间、使用伴侣或适当的折叠缓冲液,还建立了相应的质量控制系统。此外,还概述了重组蛋白的生产和治疗应用需要翻译后修饰,确定了它们的生物学意义并强调了它们的识别方法。可以预见,这有望推动更高效的重组蛋白质生产方法的实施,并助力药物和疗法的设计,从而为治疗癌症、神经系统疾病等复杂疾病以及其他急慢性病症提供有力支持。


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参考文献

[1] Beygmoradi A, Homaei A, Hemmati R, et al. Recombinant protein expression: challenges in production and folding related matters[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 233: 123407.

[2] Yon J M. Protein folding: a perspective for biology, medicine and biotechnology[J]. Brazilian Journal of Medical and Biological Research, 2001, 34: 419-435.

[3] Young J C, Hoogenraad N J, Hartl F U. Molecular chaperones Hsp90 and Hsp70 deliver preproteins to the mitochondrial import receptor Tom70[J]. Cell, 2003, 112(1): 41-50.

[4] Schröder M, Kaufman R J. The mammalian unfolded protein response[J]. Annu. Rev. Biochem., 2005, 74(1): 739-789.

[5] Hermann J, Schurgers L, Jankowski V. Identification and characterization of post-translational modifications: Clinical implications[J]. Molecular aspects of medicine, 2022, 86: 101066.

[6] Larsen M R, Roepstorff P. Mass spectrometric identification of proteins and characterization of their post-translational modifications in proteome analysis[J]. Fresenius' journal of analytical chemistry, 2000, 366: 677-690.

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