大肠杆菌表达系统和酵母表达系统的研究进展

摘要 由于DNA重组技术和蛋白组技术的发展与成熟，外源基因表达技术备受关注。其在生物、食品、工业以及医学领域发挥着举足轻重的作用。以原核生物细胞及真核生物细胞作为表达系统，进行目的基因序列的表达以生产蛋白疫苗、核酸疫苗和生物酶制剂等是近年来发酵工业的新型领域。原核和真核表达系统是近年来研究和应用最广泛和最成熟的外源基因表达系统。对近年来关于大肠杆菌表达系统和酵母表达系统的研究进展进行了综述。

关键词 大肠杆菌表达系统；酵母表达系统；表达载体；外源基因；宿主菌株

中图分类号 Q93 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）17-004-03

Abstract Due to the rapid development of recombinant DNA technology and proteomic technology， exogenous gene expression technology has received much attention. It plays increasingly important role in the field of biological， foodstuff， industry and medical science. In recent years， the use of prokaryotic and eukaryotic expression systems for exogenous gene amplification and expression to produce proteins vaccines， nucleic acid vaccine and enzyme preparations， etc. is the emerging fields of fermentation industry. Prokaryotic expression and eukaryotic expression systems were commonly used to express exogenous gene. The research progress of yeast and E. coli expression systems in recent years were reviewed.

Key words E. coli expression system； Yeast expression system； Expression vectors； Exogenous gene； Host bacteria

自20世纪七八十年代以来，由于分子生物学和蛋白组学的迅猛发展，各种外源基因表达的遗传操作技术日趋成熟[1]。其中，大肠杆菌等原核表达系统具有遗传背景研究清楚、操作简单、生长繁殖快、成本低、产量高、表达产物纯化过程简单、产物稳定性好、不易污染以及应用范围广等优点，是最早进行研究的外源基因表达系统，同时也得到了非常广泛的应用，取得了巨大的科研价值和经济效益[2-3]。

酵母菌是一类单细胞真核微生物，尤其是对酿酒酵母的应用可以追溯到几千年以前。同时，随着科学技术的不断发展，酵母的生物学和遗传学背景也已经研究得十分清楚。由于酵母菌具有生长旺盛、生长周期短等特性，近年来，在外源基因表达方面得到了深入研究和广泛应用[4-5]。利用酵母系统表达外源基因时，既具有原核生物生长繁殖快、遗传操作简单的特点，又具有真核生物对外源蛋白进行翻译后修饰加工的能力。表达外源基因常用的酵母种类有酿酒酵母和甲基营养型酵母[6]。随着DNA技术的迅猛发展，利用大肠杆菌和酵母表达系统表达蛋白疫苗、核酸疫苗和生物酶制剂等新型领域，开始进入产业化阶段，但随之带来一系列问题。笔者对大肠杆菌表达系统和酵母表达系统的研究进展进行了综述。

1 大肠杆菌表达系统

1.1 大肠杆菌表达载体

大肠杆菌作为原核生物，因其具有培养条件简单、生长速度快、操作简单以及不易污染等特点而成为原核表达系统中占据优势的菌株。表达系统中最重要的元件是表达载体，表达载体应当具有表达量高、稳定性好、适用范围广等优点。表达载体主要包括启动子、表达阅读框、终止子、复制起点以及抗性筛选标记等重要元件[7-8]。

近年来的研究表明，在科研和工业上被广泛应用的大肠杆菌表达载体主要有pGE系列、pQE系和pET系列，其中目前被广泛应用的高效表达载体是pET。此系统是在大肠杆菌中表达外源蛋白最高效、产量最高、成功率最高的表达载体。 它最初是利用与启动子配套并且能高效转录特定基因的外源RNA聚合酶构建的T7RNA聚合酶/启动子系统，可以从各种基因（包括原核细胞、真核细胞）生产大量的目的蛋白[9]。

1.2 外源基因结构

外源基因是整个表达过程最关键的因素，因为它决定了通过表达系统是否得到目的产物。原核基因在大肠杆菌表达系统中可以直接进行表达，而真核基因属于断裂基因，其基因组DNA中的基因区别于原核基因，是不连续的，其中含有内含子序列，转录出的前体mRNA不能被大肠杆菌进行剪切，从而形成有功能的mRNA，不能完成正常的蛋白翻译功能，因此无法在大肠杆菌表达系统中直接进行表达[10]。大肠杆菌不能识别真核基因转录和翻译元件，所以必须提供大肠杆菌识别的转录及翻译元件，以保证真核基因的表达。例如，真核基因的前导肽不能被大肠杆菌识别，因此在设计真核基因时应去除前导肽序列，必要时换以原核的信号肽序列。此外，许多蛋白质都是以无活性的前体蛋白的形式表达，必须通过翻译后的加工修饰才能成为真正有活性的功能蛋白，因此在设计外源基因序列时应从活性蛋白质编码序列开始[11]。

1.3 表达宿主

作为外源基因的表达宿主，对其表达活性和表达量会产生很大的影响。每个宿主细胞都可以被看成一个微观的小型工厂，按照细胞固有的程序完成一系列活动。菌株内源的蛋白酶过多，可能会造成目的基因产物表达的不稳定性，所以理想的宿主菌株往往是蛋白酶缺陷型的菌株。其中，最经典的蛋白酶缺陷型菌株就是BL21系列菌株。BL21（DE3）是其中研究最成熟的菌株，添加了T7聚合酶基因，是为T7表达系统而设计的[12-13]。