第5章表达载体2014

1、1第五章第五章 表达载体表达载体第一节第一节 大肠杆菌表达载体大肠杆菌表达载体 第二节第二节 穿梭载体穿梭载体第三节第三节 整合载体整合载体2表达载体构建的一般原则表达载体构建的一般原则1 1、阅读框架、阅读框架要使目的基因得以表达，最重要的因素是外源目的要使目的基因得以表达，最重要的因素是外源目的基因本身必须置于正确的基因本身必须置于正确的阅读框架阅读框架之中。之中。用人工接头可以调节阅读框架，选择适当的人工接用人工接头可以调节阅读框架，选择适当的人工接头，就可使外源基因处于正确的阅读框架中。头，就可使外源基因处于正确的阅读框架中。32 2、启动子（关键因素）、启动子（关键因素） 有效的转录

2、起始是外源基因能否在宿主细胞有效的转录起始是外源基因能否在宿主细胞中高效表达的关键步骤之一。中高效表达的关键步骤之一。 因此，选择因此，选择强的启动子及其相关的调控序列强的启动子及其相关的调控序列，是构建一个高效表达载体首先要考虑的问题。，是构建一个高效表达载体首先要考虑的问题。4 3 3、转录的有效延伸和终止、转录的有效延伸和终止 外源基因的转录一旦被起始，接下来的问题是如何外源基因的转录一旦被起始，接下来的问题是如何保证保证mRNAmRNA有效地有效地延伸、终止延伸、终止。转录衰减转录衰减和和非特异性终止非特异性终止可诱发转录提前终止。可诱发转录提前终止。措施：措施： （1 1）除去衰减子

3、）除去衰减子 （2 2）插入抗转录终止序列）插入抗转录终止序列 （3 3）强转录终止序列）强转录终止序列54 4、有效的翻译起始（关键因素）、有效的翻译起始（关键因素） 原核原核：SD序列，能帮助从起始序列，能帮助从起始AUG处开始翻译。处开始翻译。 真核：真核：kozak（科扎克科扎克）序列，核糖体能够识别）序列，核糖体能够识别mRNA上的这段序列，并把它作为翻译起始位点。上的这段序列，并把它作为翻译起始位点。5 5、翻译终止密码选择、翻译终止密码选择 在原核生物中，翻译的终止由两个释放因子所控在原核生物中，翻译的终止由两个释放因子所控制，制，RF1识别识别UAA和和UAG，RF2识别识别U

4、AA和和UGA。由于由于UAA为两个释放因子所识别，因此在基因工程为两个释放因子所识别，因此在基因工程中，一般采用中，一般采用UAA作为终止码。作为终止码。66 6、外源蛋白的稳定性、外源蛋白的稳定性可采取以下措施避免克隆的蛋白被选择性降解：可采取以下措施避免克隆的蛋白被选择性降解：（1 1）构建融合基因，产生融合蛋白，使外源蛋白不被）构建融合基因，产生融合蛋白，使外源蛋白不被选择性降解选择性降解（2 2）构建成可分泌的蛋白：）构建成可分泌的蛋白：不是所有的外源蛋白都可不是所有的外源蛋白都可以通过基因操作成为可分泌蛋白以通过基因操作成为可分泌蛋白。（3 3）使外源蛋白在宿主细胞中以包涵体的形式

5、表达）使外源蛋白在宿主细胞中以包涵体的形式表达7总之，构建表达载体应根据表达体系的特性，选总之，构建表达载体应根据表达体系的特性，选择性地应用上述原则，删除降低外源基因表达的择性地应用上述原则，删除降低外源基因表达的一些元件，插入提高外源基因表达的一些必需元一些元件，插入提高外源基因表达的一些必需元件。件。8大肠杆菌表达外源基因的优势大肠杆菌表达外源基因的优势 全基因组测序，共有全基因组测序，共有44054405个开放型阅读框架个开放型阅读框架 基因克隆表达系统成熟完善基因克隆表达系统成熟完善 繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定 被美国被美国FDA(F

6、DA(美国食品药物管理局美国食品药物管理局) )批准为安全的基因工程批准为安全的基因工程受体生物受体生物第一节第一节 大肠杆菌表达载体大肠杆菌表达载体9大肠杆菌表达外源基因的劣势大肠杆菌表达外源基因的劣势 缺乏对真核生物蛋白质的复性功能缺乏对真核生物蛋白质的复性功能 缺乏对真核生物蛋白质的修饰加工系统缺乏对真核生物蛋白质的修饰加工系统 内源性蛋白酶降解空间构象不正确的异源蛋白内源性蛋白酶降解空间构象不正确的异源蛋白 细胞周质内含有种类繁多的内毒素细胞周质内含有种类繁多的内毒素10一、大肠杆菌表达载体的结构一、大肠杆菌表达载体的结构 原核表达载体原核表达载体：适用于在原核细胞中表达：适用于在原核

7、细胞中表达外源基因的载体。外源基因的载体。 均是均是质粒载体质粒载体，首先必然满足克隆载体的，首先必然满足克隆载体的基本要求，然后增加表达元件。基本要求，然后增加表达元件。111、表达元件、表达元件(expression elements)1）启动子）启动子(promoter)：三类，即：三类，即lac启动子、启动子、trp启动子和它们的杂合启动子启动子和它们的杂合启动子tac或或trc，都受都受IPTG诱导。诱导。T7噬菌体启动子噬菌体启动子噬菌体的噬菌体的PL启动子。启动子。2）终止子）终止子：依赖于：依赖于因子或不依赖于因子或不依赖于因子（遇茎环因子（遇茎环结构而终止）。结构而终止）。3

8、 3）核糖体结合位点）核糖体结合位点(ribosome binding side, RBS)(ribosome binding side, RBS)：是是mRNAmRNA上的特异性序列，核糖体可以识别并结合这上的特异性序列，核糖体可以识别并结合这一序列来一序列来启动翻译过程启动翻译过程。2、表达形式、表达形式完整单一蛋白完整单一蛋白：单一基因的编码区表达。：单一基因的编码区表达。融合蛋白融合蛋白(fusion protein)：多个基因的编：多个基因的编码区的串联体，但构成一个整体的单一码区的串联体，但构成一个整体的单一ORF，如果融合如果融合标签蛋白标签蛋白有利于蛋白的定向、纯化，如有利于蛋

9、白的定向、纯化，如果融合果融合多个目标蛋白多个目标蛋白，则类似于直接表达了一个，则类似于直接表达了一个多酶复合体一样，可减少载体构建难度，而且可多酶复合体一样，可减少载体构建难度，而且可以偶连两个或多个相关基因的表达。以偶连两个或多个相关基因的表达。12133、表达的控制、表达的控制诱导表达系统：诱导表达系统：IPTG防渗漏表达系统：防渗漏表达系统：lacIq，一种一种能产生能产生过量的过量的 LacI 阻阻遏蛋白遏蛋白（阻遏转录过程）（阻遏转录过程）的的 lacI 基因的突变体。基因的突变体。PL启动子启动子受受c基因（阻遏溶菌周期基因表达）产物基因（阻遏溶菌周期基因表达）产物的抑制，在的抑

10、制，在噬菌体溶原的大肠杆菌中表达。噬菌体溶原的大肠杆菌中表达。c基因的温度敏感突变体基因的温度敏感突变体cI857（ts）：低温）：低温(30)下下阻抑转录，高温阻抑转录，高温(40-45)下解除抑制。下解除抑制。T7噬菌体启动子噬菌体启动子：较复杂：较复杂二、利用二、利用T7噬菌体启动子的表达载体噬菌体启动子的表达载体大肠杆菌大肠杆菌 T7 噬菌体具有一套噬菌体具有一套专一性非常强专一性非常强的转录体系的转录体系，利用这一体系中的元件为基础构建，利用这一体系中的元件为基础构建的表达系统称为的表达系统称为 T7 表达系统。表达系统。14 T7 表达系统表达系统 T7噬菌体基因噬菌体基因1编码的

11、编码的T7 RNA聚合酶聚合酶选择性选择性的激活的激活T7噬菌体启动子噬菌体启动子的转录。的转录。 T7 RNA聚合酶活性高，其合成聚合酶活性高，其合成RNA的速度比大肠的速度比大肠杆菌杆菌RNA聚合酶快聚合酶快5倍倍左右。并可以转录某些不能被左右。并可以转录某些不能被大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶有效转录的序列。聚合酶有效转录的序列。 15T7 表达系统转录调控的机理表达系统转录调控的机理 T7 噬菌体启动子的转录完全依赖于噬菌体启动子的转录完全依赖于 T7 RNA 聚合酶，因此聚合酶，因此 T7 RNA聚合酶的转录调控模式就决定了表达系统的调控方式。聚合酶的转录调控模式就决定了表达系统的调控

12、方式。 化学诱导型化学诱导型 温度诱导型温度诱导型 双质粒系统双质粒系统T7 RNA 聚合酶T7 启动子 目的基因 T7 RNA 聚合酶基因？启动子16化学诱导型化学诱导型 噬菌体噬菌体 DE3 DE3 是是噬菌体噬菌体的衍生株，一段含有的衍生株，一段含有 lacIlacI启启动子和动子和T7 RNA T7 RNA 聚合酶基因聚合酶基因的的DNA DNA 片段被插入其中。片段被插入其中。 用噬菌体用噬菌体DE3DE3的溶源菌作的溶源菌作为表达载体的宿主菌，调控方为表达载体的宿主菌，调控方式为式为化学诱导型化学诱导型，类似于，类似于 Lac Lac 表达系统。表达系统。 T7 RNA 聚合酶基因

13、 lac 启动子E.Coli （DE3）T7 启动子 目的基因T7 RNA 聚合酶IPTG诱导温度诱导型温度诱导型 P PL L 启动子控制启动子控制T7 RNA T7 RNA 聚聚合酶基因，通过热诱导方式激合酶基因，通过热诱导方式激发发T7 T7 噬菌体启动子的转录。噬菌体启动子的转录。 这种方式可以使本底转录这种方式可以使本底转录降到很低的水平，尤其适用于降到很低的水平，尤其适用于表达对大肠杆菌宿主有毒性的表达对大肠杆菌宿主有毒性的重组蛋白质。重组蛋白质。 T7 RNA 聚合酶基因 PL 启动子E.Coli （CE6）T7 启动子 目的基因T7 RNA 聚合酶热诱导cI857双质粒系统双质

14、粒系统 一个质粒带有一个质粒带有 T7 RNA T7 RNA 聚合酶基因，另一个质粒带聚合酶基因，另一个质粒带有有 T7 T7 启动子和目的基因启动子和目的基因 两个质粒的复制子和抗两个质粒的复制子和抗性标记不能相同，调控方式性标记不能相同，调控方式为控制为控制 T7 RNA T7 RNA 聚合酶的启聚合酶的启动子调控类型动子调控类型T7 RNA 聚合酶热诱导T7 启动子 目的基因 T7 RNA 聚合酶基因 PL 启动子 cI857 p15A ori KanRColE1 ori AmpR19T7 表达系统存在的问题表达系统存在的问题 T7 表达系统表达目的基因的水平是目前所有表达表达系统表达目

15、的基因的水平是目前所有表达系统中最高的，但也不可避免出现在相对较高的系统中最高的，但也不可避免出现在相对较高的本底本底转录转录，如果目的基因产物对大肠杆菌宿主有毒性，会，如果目的基因产物对大肠杆菌宿主有毒性，会影响细胞的生长。影响细胞的生长。 解决办法解决办法 在表达系统中在表达系统中低水平表达低水平表达 T7 溶菌酶基因，溶菌酶基因，能与能与T7 RNA 聚合酶结合抑制其转录的活性。通过共转化质粒聚合酶结合抑制其转录的活性。通过共转化质粒导入表达系统，它能明显降低本底转录。导入表达系统，它能明显降低本底转录。 20表达融合蛋白有下列优点：表达融合蛋白有下列优点： (1)转录和翻译起始从转录和

16、翻译起始从正常的正常的E. coli序列序列开始，故开始，故通常可以产生通常可以产生高水平高水平的融合蛋白。的融合蛋白。 (2)融合蛋白往往比天然的外源蛋白更加融合蛋白往往比天然的外源蛋白更加稳定稳定。 (3)产生的融合蛋白较产生的融合蛋白较大大，因此很容易从蛋白质凝，因此很容易从蛋白质凝胶电泳中区别出来。融合蛋白带可以从凝胶上切胶电泳中区别出来。融合蛋白带可以从凝胶上切下，经冷冻干燥，磨成粉末后即可作为抗原。下，经冷冻干燥，磨成粉末后即可作为抗原。 (4)有些融合蛋白带有有些融合蛋白带有信号肽信号肽，可以分泌到细胞外，可以分泌到细胞外，这有助于蛋白质的分离和纯化。这有助于蛋白质的分离和纯化。

17、三、表达融合蛋白的表达载体三、表达融合蛋白的表达载体2122 融合型表达载体融合型表达载体PSDForeign DNA融合型表达载体融合型表达载体融合基因融合基因23技术关键技术关键：克隆基因可插入标签肽序列的：克隆基因可插入标签肽序列的3 3或或5 5端，端，但必须维持但必须维持正确的正确的ORFORF。选择合适酶切位点选择合适酶切位点加人工合成的加人工合成的DNA接头接头构建位相载体构建位相载体24位相载体位相载体-含有含有3种读码框的系列载体种读码框的系列载体25常用的融合表达载体常用的融合表达载体1 1、GST (glutahione S-transferase, GST (gluta

18、hione S-transferase, 谷胱苷肽谷胱苷肽S-S-转移酶转移酶) )表达载体表达载体：如：如AmershamAmersham公司公司( (阿莫仙医药公司阿莫仙医药公司) )的的pGEXpGEX系列，系列，其其GSTGST来自于来自于血吸虫血吸虫，融合蛋白下，融合蛋白下保持酶学活性保持酶学活性，对谷胱，对谷胱苷肽有苷肽有很强的结合能力很强的结合能力，融合蛋白纯化出来后用凝血蛋白，融合蛋白纯化出来后用凝血蛋白酶切割可得到纯的目的蛋白。酶切割可得到纯的目的蛋白。谷胱甘肽谷胱甘肽固定在琼脂糖树脂上固定在琼脂糖树脂上形成亲和层析柱形成亲和层析柱表达融合蛋白的全细胞提取物通过层析柱表达融合

19、蛋白的全细胞提取物通过层析柱融合蛋白吸附在树脂上融合蛋白吸附在树脂上其他细胞蛋白被洗脱出来其他细胞蛋白被洗脱出来用含游离的还原型谷胱甘肽的缓冲液洗脱用含游离的还原型谷胱甘肽的缓冲液洗脱融合蛋白被释放出来融合蛋白被释放出来用凝血蛋白酶切割融合蛋白用凝血蛋白酶切割融合蛋白获得纯化的目的蛋白获得纯化的目的蛋白26位相载体位相载体Ptac：IPTG诱导诱导GST融合蛋白融合蛋白直接纯化直接纯化产物，切割方便：产物，切割方便： pGEX-1T凝血酶凝血酶 pGEX-2T-凝血酶凝血酶 pGEX-3T-X因子因子融合型载体融合型载体-pGEX系列系列2 2、组氨酸标签表达载体：、组氨酸标签表达载体：如如N

20、ovagenNovagen公司的公司的pETpET系系列，可在目标蛋白的列，可在目标蛋白的N-N-端或端或C-C-端加上端加上6 6个组氨酸的个组氨酸的标签和标签和XaXa因子酶切位点，多聚组氨酸能与镍等二因子酶切位点，多聚组氨酸能与镍等二价金属离子结合，纯化目的蛋白，用价金属离子结合，纯化目的蛋白，用XaXa因子处理因子处理可得到纯的目的蛋白。可得到纯的目的蛋白。 将将2 2价重金属阳离子固定在树脂上，便可价重金属阳离子固定在树脂上，便可对带对带HisHis标签的融合蛋白进行亲和层析分离。纯化标签的融合蛋白进行亲和层析分离。纯化的融合蛋白再用的融合蛋白再用XaXa因子处理可去除标签多肽，从因

21、子处理可去除标签多肽，从而获得纯化的目的蛋白。而获得纯化的目的蛋白。27283 3、内含肽表达载体、内含肽表达载体( (即蛋白质内含子即蛋白质内含子, ,是存在于前是存在于前体蛋白质中的一段氨基酸序列体蛋白质中的一段氨基酸序列) )：如：如NEBNEB公司的公司的Impact-TwinImpact-Twin系统，将目的蛋白放在系统，将目的蛋白放在两个可自裂两个可自裂解的内含肽解的内含肽(intein)(intein)中间中间，在得到融合蛋白以后，在得到融合蛋白以后不通过蛋白酶消解、只需要调节不通过蛋白酶消解、只需要调节pHpH值等条件就将值等条件就将标签蛋白切除。标签蛋白切除。4 4、分泌表达

22、载体：、分泌表达载体：产物可跨膜分泌至胞周间隙，产物可跨膜分泌至胞周间隙，可避免受细胞内蛋白酶的降解，或使其正确折叠，可避免受细胞内蛋白酶的降解，或使其正确折叠，或去除或去除N-N-端甲硫氨酸，以维护活性。端甲硫氨酸，以维护活性。信号肽信号肽(signal peptide)(signal peptide)有碱性磷酸酶信号肽、蛋有碱性磷酸酶信号肽、蛋白质白质A A信号肽（如信号肽（如AmershamAmersham公司的公司的pEZZ18pEZZ18系统）。系统）。29分泌型融合表达载体分泌型融合表达载体-pEZZ18Plac：Lac启动子启动子Pspa：金黄色葡萄球菌蛋白：金黄色葡萄球菌蛋白A

23、启动启动子子S：蛋白：蛋白A的信号肽序列的信号肽序列两个合成的两个合成的Z功能域（结合功能域（结合免疫球免疫球蛋白蛋白G，琼脂糖层析柱），琼脂糖层析柱）四、四、 表达产物的纯化表达产物的纯化1 1、包涵体蛋白的纯化、包涵体蛋白的纯化通过机械法、超声波处理等方法破碎外源蛋白的细胞通过机械法、超声波处理等方法破碎外源蛋白的细胞 离心离心 获得包涵体获得包涵体 洗涤洗涤 去除包涵体结去除包涵体结合的细胞蛋白合的细胞蛋白 利用盐酸胍、尿素和利用盐酸胍、尿素和SDSSDS等溶解包涵等溶解包涵体体 蛋白质重新折叠蛋白质重新折叠302 2、可溶性蛋白的纯化、可溶性蛋白的纯化融合蛋白的表达标签可用于分离纯化目

24、的蛋白融合蛋白的表达标签可用于分离纯化目的蛋白分泌表达载体也有助于分离纯化可溶性的表达产分泌表达载体也有助于分离纯化可溶性的表达产物。物。可溶性的表达产物一般可展现应有的可溶性的表达产物一般可展现应有的蛋白质活性蛋白质活性。31不同微生物种类所产生的不同微生物种类所产生的活性物质类型活性物质类型有明显差有明显差异，异，不同的研究目标应选择不同的宿主菌株。不同的研究目标应选择不同的宿主菌株。如如70%70%的抗生素来源于放线菌，如以寻找抗菌抗肿的抗生素来源于放线菌，如以寻找抗菌抗肿瘤活性物质为目标，选择链霉菌为宿主较理想，瘤活性物质为目标，选择链霉菌为宿主较理想，而筛选新的酶则采用大肠杆菌为宜。

25、而筛选新的酶则采用大肠杆菌为宜。3233 穿梭载体穿梭载体(shuttle vector)(shuttle vector)：能够在两类不同能够在两类不同的宿主中复制、增殖和选择的载体，的宿主中复制、增殖和选择的载体，主要是质粒主要是质粒，它们至少有它们至少有两套复制单元和两套选择标记两套复制单元和两套选择标记，相当于，相当于两个载体的联合。两个载体的联合。 通常穿梭载体在通常穿梭载体在细菌细菌中用于中用于克隆、扩增克隆、扩增克隆的克隆的基因，在基因，在酵母菌酵母菌中用于中用于基因表达分析基因表达分析。 第二节第二节 穿梭载体穿梭载体34一、一、大肠杆菌大肠杆菌/ /革兰氏阳性菌穿梭载体革兰氏阳

26、性菌穿梭载体：如向枯草芽：如向枯草芽孢杆菌的穿梭。孢杆菌的穿梭。二、二、大肠杆菌大肠杆菌/ /酵母菌穿梭载体酵母菌穿梭载体：主要用于遗传学和：主要用于遗传学和真核表达研究，尤其是当蛋白需要进行真核修饰真核表达研究，尤其是当蛋白需要进行真核修饰时，如磷酸化、糖基化等。时，如磷酸化、糖基化等。三、三、其它穿梭载体其它穿梭载体：如动物病毒载体、植物转化的：如动物病毒载体、植物转化的TiTi质粒、昆虫杆状病毒等，更为复杂一些。质粒、昆虫杆状病毒等，更为复杂一些。第三节第三节 整合载体整合载体 当外源基因整合到宿主细胞的染色体后，可以稳定当外源基因整合到宿主细胞的染色体后，可以稳定地遗传，进而达到稳定表

27、达的目的。地遗传，进而达到稳定表达的目的。整合载体：整合载体：将某个基因或某些基因将某个基因或某些基因插入到染色体中插入到染色体中去的载体。去的载体。根据整合方式的不同根据整合方式的不同可分为可分为定点整合定点整合和和随机整合随机整合。根据其作用根据其作用可分为可分为目的基因的插入或敲除目的基因的插入或敲除以及以及随机随机突变体库的构建突变体库的构建。353.1 基因插入基因插入/基因敲除基因敲除 同源重组整合载体同源重组整合载体是最常用的整合载体，该是最常用的整合载体，该载体不仅含有大肠杆菌克隆载体的骨架，更主要载体不仅含有大肠杆菌克隆载体的骨架，更主要的是含有一段的是含有一段便于同源重组的

28、重组便于同源重组的重组DNA片段片段。 363.2 随机插入突变载体随机插入突变载体 随机突变体库随机突变体库指标记基因在载体的指标记基因在载体的携带下通过携带下通过DNA重组事件重组事件随机插入基因组随机插入基因组中而形成的突变体的集合。中而形成的突变体的集合。37 （1 1）、微生物插入突变载体）、微生物插入突变载体转座子转座子是一类在细菌的染色体、质粒或噬菌体之间是一类在细菌的染色体、质粒或噬菌体之间自行自行移动移动的遗传成分的遗传成分, ,是基因组中一段特异的具有转位特性是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的的独立的DNADNA序列。序列。以以pEG922pEG922为例，其可用于革

29、兰氏阳性细菌插入突变体库为例，其可用于革兰氏阳性细菌插入突变体库的构建。的构建。该载体上含有在革兰氏阳性细菌中复制和选择的复制区该载体上含有在革兰氏阳性细菌中复制和选择的复制区（该复制区是温度敏感型的，在（该复制区是温度敏感型的，在4242下不能复制）和氯下不能复制）和氯霉素抗性基因。霉素抗性基因。38插入突变体库的构建插入突变体库的构建将装载了一个将装载了一个四环素抗性基因四环素抗性基因的的转座子转座子Tn5401Tn5401插入到插入到载体载体pEG922pEG922中中将该载体转化到革兰氏阳性细菌将该载体转化到革兰氏阳性细菌转座子发生一定频率的转座转座子发生一定频率的转座在在4242下筛

30、选仅有下筛选仅有四环素抗性的菌落四环素抗性的菌落得到的菌落就是发生转座的突变子（由于在高温下得到的菌落就是发生转座的突变子（由于在高温下载体不能复制，随着细胞的分裂，载体就会丢失，只有载体不能复制，随着细胞的分裂，载体就会丢失，只有发生转座事件的菌体才能表现出四环素抗性的表型。）发生转座事件的菌体才能表现出四环素抗性的表型。）392 2、构建植物突变体库所用的载体、构建植物突变体库所用的载体 根瘤农杆菌介导的根瘤农杆菌介导的T-DNAT-DNA插入插入或或植物转座子植物转座子标签标签是植物基因功能研究中常用的产生突变体的是植物基因功能研究中常用的产生突变体的方法。方法。 （1 1）T-DNAT-DNA插入突变体插入突变体 根瘤农杆菌介导的根瘤农杆菌介导的T-DNAT-DNA插入到植物基因组插入到植物基因组时往往会导致插入位点的基因遭到破坏，从而可时往往会导致插入位点的基因遭到破坏，从而可构建用于基因功能分析的突变体。构建用于基因功能分析的突变体。 40（2 2）植物）植物Ac-DsAc-Ds转座子双因子插入突变转座子双因子插入突变这套系统利用玉米的