外源基因在原核細(xì)胞中的表達(dá)

外源基因在原核細(xì)胞中的表達(dá)第一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第七講基因的表達(dá)、調(diào)節(jié)與產(chǎn)物純化第二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一節(jié)外源基因在原核細(xì)胞中的表達(dá)第三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)1.只有一種RNA多聚酶識(shí)別原核細(xì)胞的啟動(dòng)子，催化所有的RNA合成。2.以操縱子為單位數(shù)個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因與其調(diào)控區(qū)結(jié)合形成一個(gè)表達(dá)的協(xié)同單位。第四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)、連續(xù)進(jìn)行。第五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.不含內(nèi)含子，缺乏轉(zhuǎn)錄后的加工系統(tǒng)。5.調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上。6.mRNA的核糖體結(jié)合位點(diǎn)。Shine-Dalgarno（SD）sequence:含有一個(gè)啟始密碼子和一段同核糖體16SRNA3’末端堿基互補(bǔ)的序列，叫Shine-Dalgarno（SD）序列。第七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、原核表達(dá)系統(tǒng)的注意事項(xiàng)1.外源基因不能帶有內(nèi)含子。2.必須用cDNA3.不能直接用真核基因組DNA。4.必須利用原核細(xì)胞的調(diào)控原件（啟動(dòng)子等）5.防止外源基因產(chǎn)物對(duì)宿主細(xì)胞的毒害。第八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控1.啟動(dòng)子是DNA上的能與RNA聚合酶結(jié)合并能起始mRNA合成的序列。（1）啟動(dòng)子序列大腸桿菌的所有啟動(dòng)子中都有兩段一致順序（consensussequence）。-35Box和-10Box第九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二①-35boxRNA聚合酶δ亞基的識(shí)別位點(diǎn)。

5’

–TTGACA-3’②-10box（PribnowBox）

5’–TATAAT-3’5’TTGACATATAAT

轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)17bp核糖體結(jié)合位點(diǎn)第十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）翻譯的起始位點(diǎn)①核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）ribosomebindingsite1）Shine-Dalgarno（SD）sequence：第十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2）起始密碼：位于SD序列下游。AUG(91%)GUG(8%)UUG(1%)第十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.RNA多聚酶大腸桿菌只有一種類型的RNA多聚酶轉(zhuǎn)錄tRNA，rRNA和mRNA。結(jié)構(gòu)全酶是一個(gè)5聚體，含有兩個(gè)α小亞基，和2兩個(gè)大亞基（β和β′），一個(gè)σ亞基。第十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.轉(zhuǎn)錄終止子在表達(dá)載體克隆位點(diǎn)的下游一般設(shè)計(jì)一段轉(zhuǎn)錄終止子。啟動(dòng)子操縱子S-D序列目的基因終止子內(nèi)終止子intrinsicterminator：E.coli中促使轉(zhuǎn)錄終止的DNA位置有一段反向回文順序，其后緊接一串A，稱為內(nèi)終止子，形成終止信號(hào)。第十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二原因：①莖環(huán)結(jié)構(gòu)②多聚A/U反向回文順序被轉(zhuǎn)錄后，立即形成一個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄物與模板之間配對(duì)的堿基數(shù)降低，整個(gè)減弱了RNA與DNA的互作。由于莖環(huán)3’段緊接一串A/U的配對(duì)，穩(wěn)定性比較差，有利于轉(zhuǎn)錄物脫落而不利于轉(zhuǎn)錄延續(xù)。第十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.翻譯終止密碼5.翻譯增強(qiáng)子大腸桿菌偏愛UAAU。一般安置上全部的三個(gè)終止密碼防止核糖體跳躍（skipping）。Translationenhancer能夠顯著增強(qiáng)外源基因在大腸桿菌細(xì)胞中的表達(dá)效率的特殊序列。T7噬菌體基因10前導(dǎo)序列（簡(jiǎn)稱g10-L序列）;大腸桿菌atpE基因mRNA5’-UTR中富含U的區(qū)段。第二十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.基因工程常用的原核啟動(dòng)子（1）最佳啟動(dòng)子必須具備的條件①必須是一種強(qiáng)啟動(dòng)子能使外源基因的蛋白產(chǎn)量達(dá)到細(xì)胞總蛋白的10%-30%以上。②應(yīng)呈現(xiàn)低水平的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄③應(yīng)是可誘導(dǎo)型的便于表達(dá)毒性蛋白等。用溫度或化學(xué)試劑誘導(dǎo)。第二十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）乳糖啟動(dòng)子lac來自大腸桿菌的乳糖操縱子。用乳糖或其類似物IPTG充當(dāng)誘導(dǎo)物，與阻遏蛋白結(jié)合，解除抑制。Plac

O

目的基因第二十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA第二十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因第二十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第二十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二①乳糖操縱子控制區(qū)的結(jié)構(gòu)“可移動(dòng)的lac啟動(dòng)子小片斷”組成：阻遏物作用區(qū)CAP作用區(qū)RNA聚合酶作用區(qū)長(zhǎng)度：203bp的HaeIII片斷（包括β-半乳糖苷酶的前8個(gè)密碼）。第二十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二大腸桿菌乳糖操縱子控制區(qū)的結(jié)構(gòu)第三十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）色氨酸啟動(dòng)子trp來自大腸桿菌的色氨酸操縱子。第三十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）PL和PR啟動(dòng)子第三十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、外源蛋白在大腸桿菌中的表達(dá)部位1.細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)包涵體（inclusionbody）是存在于細(xì)胞質(zhì)中的一種不溶性蛋白質(zhì)聚集折疊而成的晶體結(jié)構(gòu)物。形成原理未知。第四十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二①優(yōu)點(diǎn)②缺點(diǎn)使重組蛋白易于分離、免受蛋白酶降解、不損害寄主細(xì)胞回收的蛋白生物活性差。例：在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)表達(dá)人生長(zhǎng)激素（humangrowthhormone,hGH）。第四十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.周質(zhì)中表達(dá)（1）周質(zhì)（periplasm）格蘭氏陰性大腸桿菌位于內(nèi)膜和外膜之間的細(xì)胞結(jié)構(gòu)部分。蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)的復(fù)雜機(jī)理目前不完全清楚優(yōu)點(diǎn)：容易被濃縮和純化、有利于正確折疊、被降解的少。第四十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二①常用的原核信號(hào)肽（2）信號(hào)肽（signalpeptide）能帶領(lǐng)蛋白穿過膜到達(dá)周質(zhì)。但以后需要正確切割掉。一般位于N端。①大腸桿菌的信號(hào)肽：phoA、OmpA、OmpT、OmpF、LamB、β-內(nèi)酰胺酶（lactamase）、腸毒素（enterotoxin）ST-II、LT-B等第四十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二②金黃色葡萄球菌的蛋白A。③枯草芽孢桿菌的內(nèi)切葡聚糖酶（endoglucanase）。④胡蘿卜歐氏桿菌的PelB蛋白。②真核信號(hào)肽也能在細(xì)菌中起作用。鼠源RNase、人生長(zhǎng)激素信號(hào)肽。第四十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.胞外表達(dá)使在大腸桿菌細(xì)胞中表達(dá)的外源蛋白分泌到細(xì)胞外的培養(yǎng)基中。用溶血素（hemolysin）基因構(gòu)建分泌性融合蛋白；或與細(xì)菌素釋放蛋白（bacteriocinreleaseprotein)共表達(dá)。由于需要穿過兩層膜，大腸桿菌只能分泌極少的蛋白質(zhì)到培養(yǎng)基中，效果都不太理想。第五十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、幾種類型的原核表達(dá)載體1.非融合型表達(dá)載體載體表達(dá)出的外源基因蛋白質(zhì)不與細(xì)菌的任何蛋白質(zhì)融合在一起。S-D序列ATG-外源基因-TAG優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)物結(jié)構(gòu)接近于真核細(xì)胞體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)：容易被宿主菌的蛋白酶所破壞。第五十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二pKK223-3載體哈佛大學(xué)Gilbert實(shí)驗(yàn)室建立的。表達(dá)能力強(qiáng)。組成結(jié)構(gòu)：①?gòu)?qiáng)啟動(dòng)子:tac（trp-lac）:trp的-35區(qū)lacUV5的-10區(qū)②操縱基因：乳糖操縱子系統(tǒng)。lac操縱基因舉例第五十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二③調(diào)節(jié)基因：宿主菌染色體上的乳糖操縱子系統(tǒng)。如JM105菌。

LacI④終止子：rrnB的強(qiáng)終止子rrnB強(qiáng)終止子⑤S-D序列和插入位點(diǎn)區(qū)：S-D插入位點(diǎn)區(qū)第五十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑥載體的其余部分：來自pBR322質(zhì)粒。⑦表達(dá)誘導(dǎo)物：IPTG（乳糖的類似物，不會(huì)被降解）宿主lacItacPLacOS-D插入位點(diǎn)區(qū)rrnBT阻遏物IPTG第五十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.分泌型表達(dá)載體載體表達(dá)出的外源蛋白質(zhì)與細(xì)菌的分泌信號(hào)肽連在一起，可被宿主菌分泌到細(xì)胞周質(zhì)中。如：pINIII系列：pINIII-comA1,pINIII-comA2,pINIII-comA3,第五十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二組成結(jié)構(gòu)①?gòu)?qiáng)啟動(dòng)子：Ipp（脂蛋白基因啟動(dòng)子）和lacUV5啟動(dòng)子。②調(diào)節(jié)基因：lacI③S-D序列和起始密碼ATG。④分泌信號(hào)肽：大腸桿菌外膜蛋白基因ompa。⑤插入位點(diǎn)區(qū)（多克隆位點(diǎn)）。IpplacPlacOS-D/ATG

ompa

插入位點(diǎn)第五十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.融合蛋白表達(dá)載體系統(tǒng)—pGEX系列表達(dá)出的外源基因產(chǎn)物蛋白是與質(zhì)粒載體上的菌體蛋白連接在一起的。(1)優(yōu)點(diǎn)(2)組成結(jié)構(gòu)便于融合蛋白的分離和純化。①啟動(dòng)子：tac②操縱基因：lacP③調(diào)節(jié)基因：lacI④S-D序列第六十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑤ori：pBR322ori⑥融合肽：GST(谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶）(3)產(chǎn)物提純GST融合蛋白用GlutathioneSepharose親和層析柱分離純化。lacItaclacPlacOS-D/ATG

GST

插入位點(diǎn)TGA第六十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二(4)產(chǎn)物分離用凝血酶或Xa因子可以把外源蛋白從GST上切下來。第六十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二(5)其他融合蛋白系統(tǒng)His-tag（組氨酸標(biāo)簽）：在外源多肽的N端或C端接上6個(gè)組氨酸（His）。His-tag能與Ni2+柱結(jié)合，但很容易被EDTA（或咪唑溶液）洗脫下來，可以純化蛋白質(zhì)。第六十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二六、影響外源基因表達(dá)效率的因素1.啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)對(duì)表達(dá)效率的影響(1)一致順序第六十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二越接近一致順序，啟動(dòng)子越強(qiáng)。(3)-35區(qū)和-10區(qū)的堿基順序(2)-35區(qū)與-10區(qū)之間的距離間隔為17bp時(shí)，啟動(dòng)子最強(qiáng)。第六十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.轉(zhuǎn)譯起始序列對(duì)表達(dá)效率的影響(1)S-D序列5’-AGGAGGU-3’S-D序列后面的4個(gè)堿基：如果是A（T）,翻譯效率最高；如果是G（C）,效率只有50%或25%。第六十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)起始密碼AUGAUG左側(cè)的三個(gè)堿基也有影響。β-半乳糖苷酶的mRNA中：AUG左側(cè)如果是UAU或CUU時(shí)，最為有效；如果是UUC、UCA或AGG時(shí)下降20倍。第七十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二(3)其它多順反子的mRNA與核糖體的結(jié)合位點(diǎn)有一個(gè)或幾個(gè)終止密碼。噬菌體外殼蛋白或核糖體蛋白mRNA的核糖體結(jié)合位點(diǎn)有多個(gè)U。第七十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.啟動(dòng)子與外源基因之間的距離第七十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.轉(zhuǎn)錄終止區(qū)對(duì)表達(dá)效率的影響5.載體拷貝數(shù)及穩(wěn)定性對(duì)表達(dá)效率的影響6.外源蛋白在菌體中的穩(wěn)定性對(duì)表達(dá)效率的影響轉(zhuǎn)錄終止區(qū)的存在保證載體不會(huì)轉(zhuǎn)錄非必須基因，不必浪費(fèi)源量和能量、不會(huì)干擾正常的表達(dá)。增加載體的拷貝數(shù)會(huì)增加轉(zhuǎn)錄出的mRNA數(shù)目。增加表達(dá)效率。但過度的外源基因的表達(dá)會(huì)影響宿主的正常生長(zhǎng)。第七十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二七、提高表達(dá)水平常用的方法1.選擇強(qiáng)啟動(dòng)子序列，如tac

等2.調(diào)整S-D序列與AUG堿基的距離3.改變起始密碼下面的幾組密碼子一般為5-9bp。距離過長(zhǎng)或過短都影響真核基因的表達(dá)。根據(jù)不同的啟動(dòng)子選擇不同的距離。能提高翻譯的起始效率。第七十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.減輕宿主細(xì)胞的代謝負(fù)荷4.增加mRNA的拷貝數(shù)和穩(wěn)定性在外源基因的下游插入“重復(fù)性基因外回文序列”能防止mRNA受到3’→5’外切酶的攻擊。合理地調(diào)節(jié)代謝負(fù)荷與外源基因高效表達(dá)的關(guān)系。（1）誘導(dǎo)表達(dá)將宿主生長(zhǎng)代謝與外源基因表達(dá)分開。一般采用溫度誘導(dǎo)或藥物誘導(dǎo)。第七十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二λPL啟動(dòng)子是溫度誘導(dǎo)型32℃cI857(cI的溫度敏感突變等位基因)阻遏物有活性，抑制λPL啟動(dòng)子，外源基因不表達(dá)，宿主大量生長(zhǎng)。42℃:cI857阻遏物失活，PL啟動(dòng)子啟動(dòng)，外源基因高水平表達(dá)，宿主生長(zhǎng)受到限制。cI857PLPO

外源基因第七十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二λPL啟動(dòng)子是藥物誘導(dǎo)型調(diào)節(jié)基因lacI（位于宿主基因組內(nèi)或載體上）始終產(chǎn)生阻遏物。無IPTG:阻遏物與lac操縱基因結(jié)合，抑制外源基因轉(zhuǎn)錄。宿主大量生長(zhǎng)。有IPTG:阻遏物與IPTG結(jié)合，lac操縱基因解放，外源基因大量轉(zhuǎn)錄。宿主生長(zhǎng)受抑制。第七十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）表達(dá)載體誘導(dǎo)復(fù)制將宿主的生長(zhǎng)與載體的復(fù)制分開。當(dāng)需要宿主大量生長(zhǎng)時(shí)，抑制載體質(zhì)粒的復(fù)制。當(dāng)宿主大量生長(zhǎng)后，再誘導(dǎo)載體質(zhì)粒的復(fù)制，增加拷貝數(shù)。第七十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.提高表達(dá)產(chǎn)物的穩(wěn)定性防止被宿主的酶降解。（1）設(shè)計(jì)成融合蛋白這是避免被降解的最好措施。N末端：由原核基因編碼一段多肽，C末端：是完整的真核外源基因。第七十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯