噬菌体展示技术的原理和方法

噬菌体展示技术的原理和方法一、本文概述噬菌体展示技术是一种强大的分子生物学工具，它允许科学家在噬菌体表面展示各种外源蛋白。这种技术不仅为研究者提供了在体外模拟和研究蛋白质-蛋白质相互作用的机会，还在生物医药、疫苗开发和蛋白质工程等领域具有广泛的应用。本文将对噬菌体展示技术的原理和方法进行详细的介绍，包括其基本概念、技术原理、操作步骤以及应用领域等方面，旨在为读者提供全面而深入的理解，并激发其在这一领域的探索和创新。二、噬菌体展示技术的原理噬菌体展示技术是一种分子生物学技术，它利用噬菌体表面蛋白与外来DNA片段的融合表达，将外来DNA编码的蛋白质或多肽片段展示在噬菌体表面。这一技术的核心原理主要基于两个方面：噬菌体生命周期中的基因表达和蛋白质定位，以及DNA重组技术的运用。噬菌体在感染宿主菌后，会经历吸附、注入、复制、组装和释放等生命周期阶段。在复制和组装过程中，噬菌体的基因会被转录和翻译，生成相应的蛋白质。这些蛋白质中，有一部分是噬菌体的外壳蛋白，它们负责构成噬菌体的外壳，并保护内部的遗传物质。噬菌体展示技术利用了DNA重组技术，将外来DNA片段插入到噬菌体的基因组中，使其与编码外壳蛋白的基因融合。当这个重组噬菌体在宿主菌中复制时，融合基因会被转录和翻译，生成融合蛋白。这个融合蛋白既包含了噬菌体外壳蛋白的序列，又包含了外来DNA编码的蛋白质或多肽片段。由于噬菌体的外壳蛋白具有定位到噬菌体表面的特性，因此融合蛋白也会被定位到噬菌体表面。这样，外来DNA编码的蛋白质或多肽片段就被展示在了噬菌体表面，形成了噬菌体展示。噬菌体展示技术通过将蛋白质或多肽片段与噬菌体表面蛋白融合，实现了对这些片段的高效展示和筛选。这使得该技术在生物学、医学、生物工程等领域具有广泛的应用前景。例如，它可以用于研究蛋白质之间的相互作用、筛选药物靶标、开发新型疫苗等。噬菌体展示技术也为蛋白质工程和基因工程提供了新的思路和方法。三、噬菌体展示技术的方法噬菌体展示技术是一种强大的分子生物学工具，它允许我们将外源蛋白或多肽片段与噬菌体表面蛋白融合表达，从而通过噬菌体的繁殖和筛选实现对外源蛋白的高通量、高特异性研究。以下将详细介绍噬菌体展示技术的基本方法。构建噬菌体展示载体：我们需要构建一个噬菌体展示载体。这个载体通常是一个改造过的噬菌体基因组，它包含了一个或多个外源基因插入位点，这些位点位于噬菌体表面蛋白的编码序列中。这样，当噬菌体繁殖时，外源基因就会与表面蛋白一起表达在噬菌体表面。插入目标基因：然后，我们将目标基因（编码我们感兴趣的蛋白或多肽片段的基因）插入到展示载体中。这一步通常需要使用限制性内切酶和DNA连接酶，将目标基因与载体进行精确的拼接。转化宿主菌：接下来，我们将构建好的展示载体转化入适当的宿主菌中。这些宿主菌通常是经过改造的大肠杆菌，它们能够容纳并复制噬菌体基因组。噬菌体繁殖与纯化：在宿主菌中，噬菌体会进行繁殖，产生大量的子代噬菌体。这些噬菌体表面都带有我们插入的目标基因编码的蛋白或多肽片段。我们可以通过离心、过滤等方法纯化这些噬菌体。筛选特异性噬菌体：我们可以使用特定的配体（如抗体、受体等）对噬菌体进行筛选，以找到那些表面蛋白能够与配体结合的噬菌体。这些噬菌体就携带了我们感兴趣的目标基因。通过噬菌体展示技术，我们可以高效地筛选和鉴定与目标配体有特异性结合的蛋白或多肽片段，为药物研发、疾病诊断和治疗等领域提供强大的工具。四、噬菌体展示技术的应用噬菌体展示技术作为一种强大的分子工具，在生物学研究和应用中发挥着重要的作用。它的核心在于通过噬菌体表面展示特定蛋白或肽链，从而实现对目标分子的筛选和识别。以下是噬菌体展示技术在各个领域中的应用。在药物研发领域，噬菌体展示技术被广泛应用于新药的发现和优化。通过展示与目标药物受体结合的肽链，科研人员可以快速筛选出具有生物活性的候选药物。噬菌体展示技术还可以用于研究药物与受体的相互作用机制，为药物设计和优化提供重要的理论依据。在疾病诊断和治疗方面，噬菌体展示技术同样发挥着重要作用。例如，通过展示针对特定病原体的抗体片段，噬菌体可以用于开发新型的诊断试剂和治疗方法。噬菌体展示技术还可以用于研究病原体与宿主细胞的相互作用，为疾病的预防和治疗提供新的思路。在疫苗研发领域，噬菌体展示技术为疫苗设计提供了新的方法。通过展示病原体表面的关键抗原表位，噬菌体可以作为疫苗候选物，诱导机体产生特异性免疫反应。与传统的疫苗相比，噬菌体展示技术制备的疫苗具有更高的安全性和有效性。在基础生物学研究中，噬菌体展示技术也被广泛应用于蛋白质相互作用、基因表达和调控等领域。例如，通过展示特定的蛋白质片段，科研人员可以研究蛋白质之间的相互作用和信号传导机制。噬菌体展示技术还可以用于构建基因表达调控网络，为研究基因功能和调控机制提供有力的工具。噬菌体展示技术在药物研发、疾病诊断和治疗、疫苗研发以及基础生物学研究等多个领域都具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和完善，噬菌体展示技术将在未来为生命科学研究和人类健康事业做出更大的贡献。五、噬菌体展示技术的优势和局限性噬菌体展示技术自问世以来，凭借其独特的优势在生物学、医学和生物技术等领域发挥了重要作用。该技术的主要优势体现在以下几个方面：高通量筛选能力：噬菌体展示技术允许研究人员在短时间内筛选大量候选分子，从而快速识别和鉴定具有特定功能的蛋白质或肽段。直观性和灵活性：该技术能够直接将基因型与表型联系起来，使得研究者能够直观地观察到基因表达的产物，并且可以通过简单的操作对展示分子进行改造和优化。广泛的应用范围：噬菌体展示不仅适用于蛋白质，还可以用于展示多肽、抗体片段等生物活性分子，因此在药物研发、疫苗设计、疾病诊断和治疗等方面具有广泛的应用前景。展示容量的限制：由于噬菌体颗粒的大小有限，其能够展示的外源分子大小也受到限制，这可能会限制某些大型蛋白质或多肽的应用。展示稳定性问题：在某些情况下，外源分子与噬菌体衣壳蛋白的结合可能不够稳定，导致在筛选过程中分子丢失或结构改变。背景干扰：噬菌体展示系统中可能存在非特异性结合或交叉反应，这可能会影响筛选结果的准确性和可靠性。技术操作复杂性：虽然噬菌体展示技术在理论上相对简单，但在实际操作中需要一定的专业知识和技术经验，且实验步骤相对繁琐，可能会影响其广泛应用。尽管存在这些局限性，但随着技术的不断发展和优化，噬菌体展示技术仍然具有巨大的潜力和广泛的应用前景。未来，通过改进展示系统、优化筛选方法和提高实验操作的简便性，噬菌体展示技术有望在更多领域发挥重要作用。六、结论噬菌体展示技术作为一种强大的分子生物学工具，已经在多个领域展现出了广泛的应用前景。其基本原理通过基因工程手段将外源蛋白或多肽的DNA序列与噬菌体表面蛋白基因相连，使外源蛋白或多肽以融合蛋白的形式表达在噬菌体表面。这种技术不仅为研究者提供了直观、简便的方式来筛选和鉴定蛋白质相互作用，还为药物研发、疫苗制备以及疾病诊断等领域提供了有力的技术支持。在方法上，噬菌体展示技术通过构建噬菌体展示文库、筛选阳性噬菌体、克隆与测序等步骤，实现了对外源蛋白或多肽的高效表达和筛选。随着技术的不断发展，噬菌体展示技术已经从最初的单一蛋白展示发展到了现在的多蛋白复合体展示，从而进一步拓展了其应用范围。然而，噬菌体展示技术也面临着一些挑战和限制。例如，某些蛋白质在噬菌体表面的表达可能会影响其天然构象和功能，从而影响筛选结果的准确性。噬菌体展示文库的构建也需要耗费大量的时间和资源。因此，在未来的研究中，我们需要进一步优化噬菌体展示技术，提高其表达效率和筛选准确性，以更好地满足科研和实际应用的需求。噬菌体展示技术作为一种强大的分子生物学工具，已经在多个领域展现出了广泛的应用价值。随着技术的不断发展和优化，我们有理由相信噬菌体展示技术将在未来的科研和实际应用中发挥更加重要的作用。参考资料：噬菌体展示技术(phagedisplaytechnology)是将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，同时，外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面的生物技术。到2017年为止，人们已开发出了单链丝状噬菌体展示系统、λ噬菌体展示系统、T4噬菌体展示系统等数种噬菌体展示系统。噬菌体展示技术是将多肽或蛋白质的编码基因或目的基因片段克隆入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，在阅读框正确且不影响其他外壳蛋白正常功能的情况下，使外源多肽或蛋白与外壳蛋白融合表达，融合蛋白随子代噬菌体的重新组装而展示在噬菌体表面。被展示的多肽或蛋白可以保持相对独立的空间结构和生物活性，以利于靶分子的识别和结合。肽库与固相上的靶蛋白分子经过一定时间孵育后，洗去未结合的游离噬菌体，然后以竞争受体或酸洗脱下与靶分子结合吸附的噬菌体，洗脱的噬菌体感染宿主细胞后经繁殖扩增，进行下一轮洗脱，经过3轮～5轮的“吸附-洗脱-扩增”后，与靶分子特异结合的噬菌体得到高度富集。所得的噬菌体制剂可用来做进一步富集有期望结合特性的目标噬菌体。（1）PⅢ展示系统。丝状噬菌体是单链DNA病毒，PⅢ是病毒的次要外壳蛋白，位于病毒颗粒的尾端，是噬菌体感染大肠埃希菌所必须的。每个病毒颗粒都有3个～5个拷贝PⅢ蛋白，其在结构上可分为NN2和CT3个功能区域，这3个功能区域由两段富含甘氨酸的连接肽G1和G2连接。其中，N1和N2与噬菌体吸附大肠埃希菌菌毛及穿透细胞膜有关，而CT构成噬菌体外壳蛋白结构的一部分，并将整个PⅢ蛋白的C端结构域锚定于噬菌体的一端。PⅢ有2个位点可供外源序列插入，当外源的多肽或蛋白质融合于PⅢ蛋白的信号肽(SgⅢ)和N1之间时，该系统保留了完整的PⅢ蛋白，噬菌体仍有感染性；但若外源多肽或蛋白直接与PⅢ蛋白的CT结构域相连，则噬菌体丧失感染性，这时重组噬菌体的感染性由辅助噬菌体表达的完整PⅢ蛋白来提供。PⅢ蛋白很容易被蛋白水解酶水解，所以有辅助噬菌体超感染时，可以使每个噬菌体平均展示不到一个融合蛋白，即所谓“单价”噬菌体。（2）PⅧ及其他展示系统。PⅧ是丝状噬菌体的主要外壳蛋白，位于噬菌体外侧，C端与DNA结合，N端伸出噬菌体外，每个病毒颗粒有2700个左右PⅧ拷贝。PⅧ的N端附近可融合五肽，但不能融合更长的肽链，因为较大的多肽或蛋白会造成空间障碍，影响噬菌体装配，使其失去感染力。但有辅助噬菌体参与时，可提供野生型PⅧ蛋白，降低价数，此时可融合多肽甚至抗体片段。尚有丝状噬菌体PⅥ展示系统的研究报道。PⅥ蛋白的C端暴露于噬菌体表面，可以作为外源蛋白的融合位点，可以用于研究外源蛋白C端结构区域功能。从所掌握的文献来看，该系统主要用于cDNA表面展示文库的构建，并取得了不错的筛选效果。（1）PV展示系统。λ噬菌体的PV蛋白构成了它的尾部管状部分，该管状结构由32个盘状结构组成，每个盘又由6个PV亚基组成。PV有两个折叠区域，C端的折叠结构域（非功能区）可供外源序列插入或替换。用PV系统已成功展示了有活性的大分子蛋白β-半乳糖苷酶（5ku）和植物外源凝血素BPA（120ku）等。λ噬菌体的装配在细胞内进行，故可以展示难以分泌的肽或蛋白质。该系统展示的外源蛋白质的拷贝数为平均1个分子/噬菌体，这表明外源蛋白质或多肽可能干扰了λ噬菌体的尾部装配。（2）D蛋白展示系统。D蛋白的分子质量为11ku，参与野生型λ噬菌体头部的装配。低温电镜分析表明，D蛋白以三聚体的形式突出在壳粒表面。当突变型噬菌体基因组小于野生型基因组的82%时，可以在缺少D蛋白的情况下完成组装，故D蛋白可作为外源序列融合的载体，而且展示的外源多肽在空间上是可以接近的。病毒颗粒的组装可以在体内也可以在体外，体外组装即是将D融合蛋白结合到λD-噬菌体表面，而体内组装是将含D融合基因的质粒转化入λD-溶源的大肠埃希菌菌种中，从而补偿溶源菌所缺的D蛋白，通过热诱导而组装。该系统有一个很好的特点，噬菌体上融合蛋白和D蛋白的比例可以由宿主的抑制tRNA活性加以控制，这对于展示那些可以对噬菌体装配造成损害的蛋白质时特别有用。T4噬菌体展示系统是20世纪90年代中期建立起来的一种新的展示系统。它的显著特点是能够将两种性质完全不同的外源多肽或蛋白质，分别与T4衣壳表面上的外壳蛋白SOC（9ku）和HOC（40ku）融合而直接展示于T4噬菌体的表面，因此它表达的蛋白不需要复杂的蛋白纯化，避免了因纯化而引起的蛋白质变性和丢失。T4噬菌体是在宿主细胞内装配，不需通过分泌途径，因而可展示各种大小的多肽或蛋白质，很少受到限制。吴健敏等成功地将大小约215aaSOC/mE2融合蛋白展示于T4噬菌体衣壳表面。令人值得关注的是，SOC与HOC蛋白的存在与否，并不影响T4的生存和繁殖。SOC和HOC在噬菌体组装时可优于DNA的包装而装配于衣壳的表面，事实上，在DNA包装被抑制时，T4是双股DNA噬菌体中能够在体内产生空衣壳的噬菌体（SOC和HOC也同时组装）。因此，在用重组T4做疫苗时，它能在空衣壳表面展示目的抗原，这种缺乏DNA的空衣壳苗，在生物安全性方面具有十分光明的前景。（1）在噬菌体展示过程中必须经过细菌转化、噬菌体包装，有的展示系统还要经过跨膜分泌过程，这就大大限制了所建库的容量和分子多样性。常用的噬菌体展示文库中含有不同序列分子的数量一般限制在109。（2）不是所有的序列都能在噬菌体中获得很好的表达，因为有些蛋白质功能的实现需要折叠、转运、膜插入和络合，导致在体内筛选时需外加选择压力。例如，在噬菌体展示文库试验中，由于部分未折叠的蛋白在细菌中很容易被降解，因此，必须小心控制条件，以保证在噬菌体表面展示的文库没有降解。另外，鼠源抗体在噬菌体中表达差，也是体内选择压力的一个例子。真核细胞蛋白在细菌中表达差是因为它们的蛋白质合成与折叠机制不同的缘故。（3）噬菌体展示文库一旦建成，很难再进行有效的体外突变和重组，进而限制了文库中分子遗传的多样性。（4）由于噬菌体展示系统依赖于细胞内基因的表达，所以，一些对细胞有毒性的分子如生物毒素分子，很难得到有效表达和展示。确定抗原表位，包括表位的序列和构象，是免疫学家感兴趣的一个问题。表位的确定不仅可以了解有关免疫反应的众多信息，为进一步人工控制免疫反应奠定基础，而且对药物合成、疫苗设计等也具有指导意义。确定表位常用的方法有：还原法、蛋白印迹法、肽扫描、突变分析等，后两种方法还同时解决了蛋白分子一级序列问题。但这些方法大多困难而繁琐。00年以后，噬菌体展示技术成为探测蛋白空间结构、探索受体与配体之间相互作用结合位点、寻找高亲和力和生物活性的配体分子的有利工具，在蛋白分子相互识别的研究、新型疫苗的研制以及肿瘤治疗等研究领域产生了深远的影响。肽库（peptidelibrary）的应用为确定表位序列以至其构象提供了另一有力工具。噬菌体展示肽库是以噬菌体外壳蛋白PⅢ或PⅧ基因为载体，插入一段编码外源短肽的基因片段，噬菌体的浸染能力不受到影响，而外源短肽亦可在噬菌体表面PⅢ或PⅧ蛋白N末端形成一定的空间构象。1990年Scott将随机短肽与丝状噬菌体的表面蛋白PⅢ融合，并展示在噬菌体表面，首次建立了噬菌体随机肽库。从噬菌体展示随机肽库中筛选抗原表位的基本原理是生物淘选（biopanning）。以单克隆抗体筛选蛋白质抗原表位为例，其基本技术流程如下：将单抗包被聚乙烯平皿后，再加入噬菌体展示肽库，使其充分与单抗反应后，洗去未结合的游离噬菌体，再用洗脱液将结合状态的噬菌体洗脱下来。将其浸染宿主大肠杆菌扩增后回收，再进行下一轮筛选。通常经过4轮的筛选，并且每次增加筛选强度，这样就可获得与单抗结合较紧密的噬菌体克隆。通过序列测定和分析，就能推知该噬菌体克隆所携带的外源短肽序列，从而确定该单抗所针对的抗原表位。借助于噬菌体展示肽库技术，已经成功分析了多种蛋白质抗原的表位，如HIV（Kelleretal.,1993；杜勇等，2000）、HBV、HCV（杜勇等，1999；Francescaetal.,2001；潘卫等，2001）、日本血吸虫（欧阳理等，2002）等，说明完全可以利用随机肽库鉴定抗原的线性和构象表位，大大简化了重组免疫原的克隆、鉴定和表达等过程，为表位鉴定研究增添了新的手段。丝状噬菌体具有免疫原性，无须佐剂即可产生抗体，这意味着噬菌体展示系统可以作为候选疫苗抗原表位的递呈工具。利用展示肉毒梭菌中和表位的噬菌体不加佐剂直接免疫小鼠，血清ELISA检测显示，免疫小鼠是对照小鼠的OD值的2~10倍。表明噬菌体展示的表位具有明显的抗原性。噬菌体展示技术的优点噬菌体展示技术作为一种新兴的研究方法和工具，在研究蛋白质结构上已被广泛应用。它具有很多显著的优点，如：A.高通量的淘选将靶标分子（抗体）固定在固相载体上，加入噬菌体展示肽库（噬菌体的数量可达1011PFU），利用抗原-抗体的特异性亲和力将与抗体结合的噬菌体吸附在固相载体上，不能结合的噬菌体仍在溶液中，可以通过洗涤去除，再将特异结合的噬菌体洗脱下来，如此反复数轮扩增、淘选，即可将有用的基因从多达百万以上的噬菌体克隆中分离出来。B.可用于模拟表位的筛选利用噬菌体展示技术得到模拟表位的报道较多（Giuseppe,2001；Seshietal.,2002；Ouyangetal.,2003）。李全喜等（1997）利用单抗9E10筛选噬菌体随机肽库，结果获得了两个阳性克隆，其中一个与抗原天然序列同源，而另一个则完全不同（即为模拟表位）。模拟表位同样可诱发与天然表位相似的特异性免疫反应，例如利用乙肝病毒的模拟表位免疫小鼠可诱导产生高滴度的乙肝病毒抗体。C.易于纯化重组噬菌体的纯化步骤简单、不要求昂贵的试剂与设备，在一般的实验室条件下就可以完成。用于鉴定表位和受体所用的噬菌体载体为13单链噬菌体。由于M13噬菌体是温和型噬菌体，不裂解宿主菌，成熟的噬菌体可分泌到培养基中，通过离心收集培养上清，再向其中加入沉淀剂即可将上清中大量噬菌体粒子沉淀下来，从而富集得到含外源基因产物的重组噬菌体。尽管如此，在噬菌体展示技术中仍然存在一些不足。所建的肽库容量只能达到109，要想构建大片段的肽库很困难。需要解决肽库的多样性问题。第三，少数多肽由于疏水性过强，或由于影响外膜蛋白的折叠而不能展示在噬菌体表面。作为一种新技术，类似的具体问题还很多。但这些暂时的缺点并不能掩盖其巨大应用潜力。1985年，SmithGP第一次将外源基因插入丝状噬菌体f1的基因Ⅲ，使目的基因编码的多肽以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，从而创建了噬菌体展示技术。该技术的主要特点是将特定分子的基因型和表型统一在同一病毒颗粒内，即在噬菌体表面展示特定蛋白质，而在噬菌体核心DNA中则含有该蛋白的结构基因。另外，这项技术把基因表达产物与亲和筛选结合起来，可以利用适当的靶蛋白将目的蛋白或多肽挑选出来。随着噬菌体展示技术的日益完善，该技术在众多基础和应用研究领域产生的影响已日渐明显。噬菌体展示技术(phagedisplaytechnology)是将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，同时，外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面的生物技术。到2017年为止，人们已开发出了单链丝状噬菌体展示系统、λ噬菌体展示系统、T4噬菌体展示系统等数种噬菌体展示系统。噬菌体展示技术是将多肽或蛋白质的编码基因或目的基因片段克隆入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，在阅读框正确且不影响其他外壳蛋白正常功能的情况下，使外源多肽或蛋白与外壳蛋白融合表达，融合蛋白随子代噬菌体的重新组装而展示在噬菌体表面。被展示的多肽或蛋白可以保持相对独立的空间结构和生物活性，以利于靶分子的识别和结合。肽库与固相上的靶蛋白分子经过一定时间孵育后，洗去未结合的游离噬菌体，然后以竞争受体或酸洗脱下与靶分子结合吸附的噬菌体，洗脱的噬菌体感染宿主细胞后经繁殖扩增，进行下一轮洗脱，经过3轮～5轮的“吸附-洗脱-扩增”后，与靶分子特异结合的噬菌体得到高度富集。所得的噬菌体制剂可用来做进一步富集有期望结合特性的目标噬菌体。（1）PⅢ展示系统。丝状噬菌体是单链DNA病毒，PⅢ是病毒的次要外壳蛋白，位于病毒颗粒的尾端，是噬菌体感染大肠埃希菌所必须的。每个病毒颗粒都有3个～5个拷贝PⅢ蛋白，其在结构上可分为NN2和CT3个功能区域，这3个功能区域由两段富含甘氨酸的连接肽G1和G2连接。其中，N1和N2与噬菌体吸附大肠埃希菌菌毛及穿透细胞膜有关，而CT构成噬菌体外壳蛋白结构的一部分，并将整个PⅢ蛋白的C端结构域锚定于噬菌体的一端。PⅢ有2个位点可供外源序列插入，当外源的多肽或蛋白质融合于PⅢ蛋白的信号肽(SgⅢ)和N1之间时，该系统保留了完整的PⅢ蛋白，噬菌体仍有感染性；但若外源多肽或蛋白直接与PⅢ蛋白的CT结构域相连，则噬菌体丧失感染性，这时重组噬菌体的感染性由辅助噬菌体表达的完整PⅢ蛋白来提供。PⅢ蛋白很容易被蛋白水解酶水解，所以有辅助噬菌体超感染时，可以使每个噬菌体平均展示不到一个融合蛋白，即所谓“单价”噬菌体。（2）PⅧ及其他展示系统。PⅧ是丝状噬菌体的主要外壳蛋白，位于噬菌体外侧，C端与DNA结合，N端伸出噬菌体外，每个病毒颗粒有2700个左右PⅧ拷贝。PⅧ的N端附近可融合五肽，但不能融合更长的肽链，因为较大的多肽或蛋白会造成空间障碍，影响噬菌体装配，使其失去感染力。但有辅助噬菌体参与时，可提供野生型PⅧ蛋白，降低价数，此时可融合多肽甚至抗体片段。尚有丝状噬菌体PⅥ展示系统的研究报道。PⅥ蛋白的C端暴露于噬菌体表面，可以作为外源蛋白的融合位点，可以用于研究外源蛋白C端结构区域功能。从所掌握的文献来看，该系统主要用于cDNA表面展示文库的构建，并取得了不错的筛选效果。（1）PV展示系统。λ噬菌体的PV蛋白构成了它的尾部管状部分，该管状结构由32个盘状结构组成，每个盘又由6个PV亚基组成。PV有两个折叠区域，C端的折叠结构域（非功能区）可供外源序列插入或替换。用PV系统已成功展示了有活性的大分子蛋白β-半乳糖苷酶（5ku）和植物外源凝血素BPA（120ku）等。λ噬菌体的装配在细胞内进行，故可以展示难以分泌的肽或蛋白质。该系统展示的外源蛋白质的拷贝数为平均1个分子/噬菌体，这表明外源蛋白质或多肽可能干扰了λ噬菌体的尾部装配。（2）D蛋白展示系统。D蛋白的分子质量为11ku，参与野生型λ噬菌体头部的装配。低温电镜分析表明，D蛋白以三聚体的形式突出在壳粒表面。当突变型噬菌体基因组小于野生型基因组的82%时，可以在缺少D蛋白的情况下完成组装，故D蛋白可作为外源序列融合的载体，而且展示的外源多肽在空间上是可以接近的。病毒颗粒的组装可以在体内也可以在体外，体外组装即是将D融合蛋白结合到λD-噬菌体表面，而体内组装是将含D融合基因的质粒转化入λD-溶源的大肠埃希菌菌种中，从而补偿溶源菌所缺的D蛋白，通过热诱导而组装。该系统有一个很好的特点，噬菌体上融合蛋白和D蛋白的比例可以由宿主的抑制tRNA活性加以控制，这对于展示那些可以对噬菌体装配造成损害的蛋白质时特别有用。T4噬菌体展示系统是20世纪90年代中期建立起来的一种新的展示系统。它的显著特点是能够将两种性质完全不同的外源多肽或蛋白质，分别与T4衣壳表面上的外壳蛋白SOC（9ku）和HOC（40ku）融合而直接展示于T4噬菌体的表面，因此它表达的蛋白不需要复杂的蛋白纯化，避免了因纯化而引起的蛋白质变性和丢失。T4噬菌体是在宿主细胞内装配，不需通过分泌途径，因而可展示各种大小的多肽或蛋白质，很少受到限制。吴健敏等成功地将大小约215aaSOC/mE2融合蛋白展示于T4噬菌体衣壳表面。令人值得关注的是，SOC与HOC蛋白的存在与否，并不影响T4的生存和繁殖。SOC和HOC在噬菌体组装时可优于DNA的包装而装配于衣壳的表面，事实上，在DNA包装被抑制时，T4是双股DNA噬菌体中能够在体内产生空衣壳的噬菌体（SOC和HOC也同时组装）。因此，在用重组T4做疫苗时，它能在空衣壳表面展示目的抗原，这种缺乏DNA的空衣壳苗，在生物安全性方面具有十分光明的前景。（1）在噬菌体展示过程中必须经过细菌转化、噬菌体包装，有的展示系统还要经过跨膜分泌过程，这就大大限制了所建库的容量和分子多样性。常用的噬菌体展示文库中含有不同序列分子的数量一般限制在109。（2）不是所有的序列都能在噬菌体中获得很好的表达，因为有些蛋白质功能的实现需要折叠、转运、膜插入和络合，导致在体内筛选时需外加选择压力。例如，在噬菌体展示文库试验中，由于部分未折叠的蛋白在细菌中很容易被降解，因此，必须小心控制条件，以保证在噬菌体表面展示的文库没有降解。另外，鼠源抗体在噬菌体中表达差，也是体内选择压力的一个例子。真核细胞蛋白在细菌中表达差是因为它们的蛋白质合成与折叠机制不同的缘故。（3）噬菌体展示文库一旦建成，很难再进行有效的体外突变和重组，进而限制了文库中分子遗传的多样性。（4）由于噬菌体展示系统依赖于细胞内基因的表达，所以，一些对细胞有毒性的分子如生物毒素分子，很难得到有效表达和展示。确定抗原表位，包括表位的序列和构象，是免疫学家感兴趣的一个问题。表位的确定不仅可以了解有关免疫反应的众多信息，为进一步人工控制免疫反应奠定基础，而且对药物合成、疫苗设计等也具有指导意义。确定表位常用的方法有：还原法、蛋白印迹法、肽扫描、突变分析等，后两种方法还同时解决了蛋白分子一级序列问题。但这些方法大多困难而繁琐。00年以后，噬菌体展示技术成为探测蛋白空间结构、探索受体与配体之间相互作用结合位点、寻找高亲和力和生物活性的配体分子的有利工具，在蛋白分子相互识别的研究、新型疫苗的研制以及肿瘤治疗等研究领域产生了深远的影响。肽库（peptidelibrary）的应用为确定表位序列以至其构象提供了另一有力工具。噬菌体展示肽库是以噬菌体外壳蛋白PⅢ或PⅧ基因为载体，插入一段编码外源短肽的基因片段，噬菌体的浸染能力不受到影响，而外源短肽亦可在噬菌体表面PⅢ或PⅧ蛋白N末端形成一定的空间构象。1990年Scott将随机短肽与丝状噬菌体的表面蛋白PⅢ融合，并展示在噬菌体表面，首次建立了噬菌体随机肽库。从噬菌体展示随机肽库中筛选抗原表位的基本原理是生物淘选（biopanning）。以单克隆抗体筛选蛋白质抗原表位为例，其基本技术流程如下：将单抗包被聚乙烯平皿后，再加入噬菌体展示肽库，使其充分与单抗反应后，洗去未结合的游离噬菌体，再用洗脱液将结合状态的噬菌体洗脱下来。将其浸染宿主大肠杆菌扩增后回收，再进行下一轮筛选。通常经过4轮的筛选，并且每次增加筛选强度，这样就可获得与单抗结合较紧密的噬菌体克隆。通过序列测定和分析，就能推知该噬菌体克隆所携带的外源短肽序列，从而确定该单抗所针对的抗原表位。借助于噬菌体展示肽库技术，已经成功分析了多种蛋白质抗原的表位，如HIV（Kelleretal.,1993；杜勇等，2000）、HBV、HCV（杜勇等，1999；Francescaetal.,2001；潘卫等，2001）、日本血吸虫（欧阳理等，2002）等，说明完全可以利用随机肽库鉴定抗原的线性和构象表位，大大简化了重组免疫原的克隆、鉴定和表达等过程，为表位鉴定研究增添了新的手段。丝状噬菌体具有免疫原性，无须佐剂即可产生抗体，这意味着噬菌体展示系统可以作为候选疫苗抗原表位的递呈工具。利用展示肉毒梭菌中和表位的噬菌体不加佐剂直接免疫小鼠，血清ELISA检测显示，免疫小鼠是对照小鼠的OD值的2~10倍。表明噬菌体展示的表位具有明显的抗原性。噬菌体展示技术的优点噬菌体展示技术作为一种新兴的研究方法和工具，在研究蛋白质结构上已被广泛应用。它具有很多显著的优点，如：A.高通量的淘选将靶标分子（抗体）固定在固相载体上，加入噬菌体展示肽库（噬菌体的数量可达1011PFU），利用抗原-抗体的特异性亲和力将与抗体结合的噬菌体吸附在固相载体上，不能结合的噬菌体仍在溶液中，可以通过洗涤去除，再将特异结合的噬菌体洗脱下来，如此反复数轮扩增、淘选，即可将有用的基因从多达百万以上的噬菌体克隆中分离出来。B.可用于模拟表位的筛选利用噬菌体展示技术得到模拟表位的报道较多（Giuseppe,2001；Seshietal.,2002；Ouyangetal.,2003）。李全喜等（1997）利用单抗9E10筛选噬菌体随机肽库，结果获得了两个阳性克隆，其中一个与抗原天然序列同源，而另一个则完全不同（即为模拟表位）。模拟表位同样可诱发与天然表位相似的特异性免疫反应，例如利用乙肝病毒的模拟表位免疫小鼠可诱导产生高滴度的乙肝病毒抗体。C.易于纯化重组噬菌体的纯化步骤简单、不要求昂贵的试剂与设备，在一般的实验室条件下就可以完成。用于鉴定表位和受体所用的噬菌体载体为13单链噬菌体。由于M13噬菌体是温和型噬菌体，不裂解宿主菌，成熟的噬菌体可分泌到培养基中，通过离心收集培养上清，再向其中加入沉淀剂即可将上清中大量噬菌体粒子沉淀下来，从而富集得到含外源基因产物的重组噬菌体。尽管如此，在噬菌体展示技术中仍然存在一些不足。所建的肽库容量只能达到109，要想构建大片段的肽库很困难。需要解决肽库的多样性问题。第三，少数多肽由于疏水性过强，或由于影响外膜蛋白的折叠而不能展示在噬菌体表面。作为一种新技术，类似的具体问题还很多。但这些暂时的缺点并不能掩盖其巨大应用潜力。1985年，SmithGP第一次将外源基因插入丝状噬菌体f1的基因Ⅲ，使目的基因编码的多肽以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，从而创建了噬菌体展示技术。该技术的主要特点是将特定分子的基因型和表型统一在同一病毒颗粒内，即在噬菌体表面展示特定蛋白质，而在噬菌体核心DNA中则含有该蛋白的结构基因。另外，这项技术把基因表达产物与亲和筛选结合起来，可以利用适当的靶蛋白将目的蛋白或多肽挑选出来。随着噬菌体展示技术的日益完善，该技术在众多基础和应用研究领域产生的影响已日渐明显。噬菌体展示技术系统是一种强大的蛋白质定向进化工具，能够在细菌病毒（噬菌体）的帮助下将外源基因表达为融合蛋白质。这项技术已有数十年的历史，但在最近几十年中，随着生物技术的迅速发展，噬菌体展示技术系统的应用已经越来越广泛。本文将介绍噬菌体展示技术系统的基本概念、研究现状、未来发展趋势和挑战，以及未来的研究方向和前景。噬菌体展示技术系统利用了噬菌体的特性，将外源基因插入到噬菌体基因组中，并在噬菌体感染细菌时表达出融合蛋白质。这些融合蛋白质通常包含噬菌体外壳蛋白的N端部分和外源蛋白质的C端部分。由于噬菌体外壳蛋白的N端部分可以与噬菌体基因组编码的其他蛋白质相互作用，因此这些融合蛋白质可以在噬菌体中形成稳定的结构。目前，噬菌体展示技术系统的研究已经取得了很大的进展。该技术在抗体药物、疫苗、细胞因子模拟物、神经元受体和蛋白-蛋白相互作用等领域都有广泛的应用。然而，在噬菌体展示技术系统的应用中也存在一些问题，如插入外源基因的容量限制、外源蛋白质的稳定性、融合蛋白质的正确折叠和翻译后修饰等。随着生物技术的不断发展，噬菌体展示技术系统的未来发展趋势和挑战也在不断变化。未来的研究将更加注重提高外源蛋白