重組蛋白完整技術(shù)指南做重組蛋白這幾年我見(jiàn)過(guò)太多人一上來(lái)就急著找表達(dá)載體、定表達(dá)菌株結(jié)果做到一半發(fā)現(xiàn)蛋白根本不溶或者純化出來(lái)全是降解片段又得推倒重來(lái)。其實(shí)重組蛋白制備這件事說(shuō)到底是“設(shè)計(jì)決定上限操作決定下限”——如果你在基因合成之前沒(méi)把密碼子、信號(hào)肽、標(biāo)簽位置這些事想清楚后面無(wú)論表達(dá)條件怎么優(yōu)化、純化填料怎么選都是在給前面的設(shè)計(jì)漏洞打補(bǔ)丁。這篇文章我打算把重組蛋白從基因設(shè)計(jì)到功能驗(yàn)證的全流程完整梳理一遍而且是按照我實(shí)際做項(xiàng)目時(shí)的邏輯來(lái)寫(xiě)的不是教科書(shū)式的章節(jié)堆砌。不管你是在高校實(shí)驗(yàn)室做科研還是在企業(yè)里做工藝開(kāi)發(fā)只要能把這套思路理順至少能幫你避開(kāi)八成常見(jiàn)的坑。我會(huì)把關(guān)鍵的參數(shù)選擇邏輯、需要避開(kāi)的雷區(qū)、以及那些“文檔里不會(huì)寫(xiě)但實(shí)際特別重要”的經(jīng)驗(yàn)全部拆開(kāi)講透。1. 整體設(shè)計(jì)與思路拆解1.1 重組蛋白項(xiàng)目啟動(dòng)前必須想清楚的三個(gè)問(wèn)題很多新手拿到一個(gè)重組蛋白任務(wù)后第一反應(yīng)是打開(kāi)NCBI找到基因序列然后直接丟給基因合成公司。這種做法不能說(shuō)錯(cuò)但往往會(huì)埋下隱患。我在實(shí)際項(xiàng)目里養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣動(dòng)手之前至少問(wèn)自己三個(gè)問(wèn)題——這個(gè)蛋白要用在什么場(chǎng)景、需要多大純度、要多少產(chǎn)量。如果蛋白是用在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或者動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)菍?duì)內(nèi)毒素的控制要求就非常嚴(yán)格這會(huì)影響你選擇的表達(dá)系統(tǒng)和純化方案。如果只是用來(lái)做抗體生產(chǎn)或者酶活檢測(cè)那產(chǎn)量和活性比純度更關(guān)鍵。不同的下游用途直接決定了你從第一步設(shè)計(jì)開(kāi)始就要做不同的選擇。比如做結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究對(duì)蛋白的均一性和純度要求極高可能需要考慮哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)而不是圖便宜省事選大腸桿菌。還有產(chǎn)量問(wèn)題我見(jiàn)過(guò)有人需要做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)打幾十只小鼠結(jié)果用大腸桿菌表達(dá)一個(gè)膜蛋白折騰兩個(gè)月產(chǎn)量只有每升培養(yǎng)液0.5毫克最后根本不夠用。這種事在項(xiàng)目啟動(dòng)前如果仔細(xì)算一筆賬——目標(biāo)蛋白需要總量、預(yù)計(jì)回收率、單次純化損失——完全可以避免。1.2 五種常用表達(dá)系統(tǒng)的選型邏輯表達(dá)系統(tǒng)的選擇是重組蛋白項(xiàng)目中最關(guān)鍵、也最容易讓人糾結(jié)的環(huán)節(jié)。每種表達(dá)系統(tǒng)都有自己的適用范圍和成本門(mén)檻沒(méi)有絕對(duì)的好壞只有合不合適的區(qū)別。大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)是絕大多數(shù)人的第一選擇因?yàn)槌杀镜?、周期短、操作成熟。我自己的?jīng)驗(yàn)是如果目標(biāo)蛋白沒(méi)有復(fù)雜的糖基化修飾、分子量不大、二硫鍵不多大腸桿菌基本都能搞定。但需要注意的是大腸桿菌表達(dá)的真核蛋白往往容易形成包涵體而且缺乏翻譯后修飾。我過(guò)去做一個(gè)人源細(xì)胞因子的時(shí)候用了大腸桿菌系統(tǒng)產(chǎn)量倒是很高但蛋白完全不溶最后花了大量精力做變復(fù)性活性和天然蛋白相比還是差了不少。酵母表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠進(jìn)行部分翻譯后修飾包括糖基化和二硫鍵形成而且可以分泌表達(dá)純化相對(duì)簡(jiǎn)單。畢赤酵母是我用得比較多的它的甲醇誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)非常強(qiáng)大產(chǎn)量可以做到克級(jí)。缺點(diǎn)是培養(yǎng)周期長(zhǎng)發(fā)酵過(guò)程需要嚴(yán)格控制甲醇濃度而且糖基化修飾與哺乳動(dòng)物細(xì)胞不完全相同高甘露糖型糖鏈可能會(huì)影響蛋白的免疫原性。哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)是制備治療性蛋白和復(fù)雜真核蛋白的首選。CHO細(xì)胞中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞是目前工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的宿主蛋白折疊和修飾最接近天然狀態(tài)。但成本高、周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高一般實(shí)驗(yàn)室輕易不會(huì)選這條路線。我做某個(gè)凝血因子項(xiàng)目時(shí)用過(guò)CHO系統(tǒng)表達(dá)量雖然不算高但蛋白活性和穩(wěn)定性確實(shí)是大腸桿菌系統(tǒng)無(wú)法比的。昆蟲(chóng)細(xì)胞?桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)介于酵母和哺乳動(dòng)物細(xì)胞之間能夠進(jìn)行復(fù)雜的翻譯后修飾表達(dá)量也比較可觀。不過(guò)構(gòu)建重組病毒需要的時(shí)間較長(zhǎng)而且桿狀病毒對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞有潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)雖然不能復(fù)制操作時(shí)需要額外注意生物安全規(guī)范。我在一些病毒樣顆粒項(xiàng)目中用過(guò)這套系統(tǒng)表現(xiàn)不錯(cuò)尤其是對(duì)需要正確折疊的多亞基蛋白復(fù)合物。植物表達(dá)系統(tǒng)、無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)這些比較小眾的一般只在特殊需求下才會(huì)考慮。1.3 從基因到蛋白的全流程路線圖我習(xí)慣把重組蛋白制備拆成五個(gè)核心階段目標(biāo)分析、基因設(shè)計(jì)與合成、表達(dá)條件優(yōu)化、純化工藝開(kāi)發(fā)、質(zhì)量分析與功能驗(yàn)證。每一個(gè)階段都不是孤立的前一階段的決策會(huì)直接影響后一階段的工作量。我見(jiàn)過(guò)太多人埋頭苦干做到某一個(gè)環(huán)節(jié)卡住了才發(fā)現(xiàn)前面選錯(cuò)了系統(tǒng)。比如有人在大腸桿菌里表達(dá)一個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域做了兩個(gè)月都是包涵體最后查文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)這個(gè)激酶需要一個(gè)特定的分子伴侶共表達(dá)。這類信息應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段就通過(guò)序列分析和文獻(xiàn)調(diào)研提前識(shí)別出來(lái)而不是等實(shí)驗(yàn)失敗后才去補(bǔ)救。2. 核心細(xì)節(jié)解析與實(shí)操要點(diǎn)2.1 基因優(yōu)化密碼子偏好性不是玄學(xué)密碼子優(yōu)化是基因設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)也最容易被忽視的環(huán)節(jié)。每個(gè)物種對(duì)同義密碼子都有不同的使用偏好如果你的基因序列里富含某些在大腸桿菌中利用率極低的密碼子翻譯效率就會(huì)嚴(yán)重下降甚至出現(xiàn)翻譯提前終止的情況。直接說(shuō)結(jié)論如果你要用大腸桿菌表達(dá)人源蛋白拿到cDNA序列后一定要做密碼子優(yōu)化。在實(shí)際操作中密碼子優(yōu)化還涉及一個(gè)容易被忽視的維度——mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)。GC含量過(guò)高容易形成穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu)阻礙核糖體前進(jìn)。我一般會(huì)把GC含量控制在40%到60%之間。另外如果一段序列里連續(xù)出現(xiàn)四個(gè)以上的腺苷酸或胸腺嘧啶殘基也可能會(huì)影響轉(zhuǎn)錄效率或造成mRNA不穩(wěn)定。優(yōu)化軟件通常能處理這些問(wèn)題但你不能無(wú)腦相信軟件的輸出。還要注意的是當(dāng)你優(yōu)化密碼子時(shí)不要改動(dòng)功能關(guān)鍵區(qū)域的氨基酸序列。比如催化活性位點(diǎn)、磷酸化位點(diǎn)、蛋白質(zhì)相互作用界面等區(qū)域氨基酸序列必須保持不變。這時(shí)候需要引入“沉默突變”的概念——只改變核苷酸序列而不改變氨基酸序列。2.2 信號(hào)肽與標(biāo)簽設(shè)計(jì)的組合策略如果你希望目標(biāo)蛋白分泌到胞外信號(hào)肽的選擇就變得至關(guān)重要。大腸桿菌常用的信號(hào)肽包括PelB、OmpA和PhoA畢赤酵母則常用α-mating factor信號(hào)肽。信號(hào)肽的選擇不是隨意的它需要跟你的目標(biāo)蛋白序列相匹配。我記得剛做重組蛋白那會(huì)兒用α-mating factor信號(hào)肽表達(dá)一個(gè)疏水性比較強(qiáng)的細(xì)胞因子結(jié)果蛋白大量滯留在細(xì)胞壁附近分泌效率極低。后來(lái)?yè)Q了另一個(gè)信號(hào)肽分泌效果立刻改善了很多。標(biāo)簽設(shè)計(jì)是另一個(gè)需要細(xì)摳的環(huán)節(jié)。組氨酸標(biāo)簽His標(biāo)簽最常用因?yàn)樗?、免疫原性低而且可以用鎳離子親和層析一步純化。但His標(biāo)簽也不是萬(wàn)能的有時(shí)候它會(huì)影響蛋白的折疊或者活性這種情況下就需要把標(biāo)簽放在C端而不是N端試試。GST標(biāo)簽谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶標(biāo)簽可以增加蛋白的可溶性但分子量大可能會(huì)影響蛋白的結(jié)構(gòu)。MBP標(biāo)簽麥芽糖結(jié)合蛋白標(biāo)簽在提高可溶性方面效果很顯著但同樣需要后續(xù)切除。關(guān)于標(biāo)簽位置的選擇我的經(jīng)驗(yàn)是N端標(biāo)簽更容易表達(dá)但也更容易影響蛋白功能C端標(biāo)簽對(duì)蛋白功能影響通常較小但有時(shí)候會(huì)表達(dá)不出來(lái)或者被降解掉。最穩(wěn)妥的辦法是在設(shè)計(jì)階段就把N端和C端兩個(gè)版本都構(gòu)建上先用小規(guī)模實(shí)驗(yàn)測(cè)試哪個(gè)版本的表達(dá)量和活性更好再放大生產(chǎn)。這算是花小錢(qián)省大錢(qián)的策略。2.3 表達(dá)條件優(yōu)化溫度、誘導(dǎo)劑濃度與時(shí)間的協(xié)同表達(dá)條件優(yōu)化是重組蛋白項(xiàng)目中變量最多、最考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)積累的階段。對(duì)于一個(gè)特定的表達(dá)系統(tǒng)溫度、誘導(dǎo)劑濃度、誘導(dǎo)起始菌液濃度和誘導(dǎo)時(shí)間四個(gè)變量需要協(xié)同優(yōu)化。大腸桿菌T7表達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)基本認(rèn)知是降低溫度通常能提高可溶性蛋白的比例。原因很簡(jiǎn)單低溫條件下蛋白質(zhì)折疊的速度和疏水相互作用發(fā)生變化更容易形成正確構(gòu)象而不是聚集成包涵體。但低溫也意味著生長(zhǎng)緩慢、表達(dá)量下降。我一般會(huì)做一個(gè)16°C到37°C的溫度梯度實(shí)驗(yàn)找到一個(gè)產(chǎn)量與可溶性的平衡點(diǎn)。IPTG濃度也是需要測(cè)試的。標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室濃度是0.1到1 mM之間但很多人不知道的是過(guò)高的IPTG濃度反而會(huì)產(chǎn)生毒性抑制菌體生長(zhǎng)。我見(jiàn)過(guò)一些文獻(xiàn)里用0.5 mM IPTG做誘導(dǎo)看起來(lái)產(chǎn)量不錯(cuò)但可溶性蛋白的比例反而很低原因就是誘導(dǎo)強(qiáng)度過(guò)大新生肽鏈來(lái)不及折疊就大量積累。在實(shí)際項(xiàng)目中我會(huì)在搖瓶階段做一整套矩陣實(shí)驗(yàn)溫度16/22/30/37°C× IPTG濃度0.05/0.1/0.5 mM× 誘導(dǎo)時(shí)間3/6/12/20小時(shí)然后綜合比較總蛋白表達(dá)量和可溶性比例兩個(gè)指標(biāo)。這套方法看起來(lái)工作量很大但實(shí)際上比盲目試要快得多而且數(shù)據(jù)可靠。2.4 細(xì)胞破菌與可溶性分析的正確姿勢(shì)很多人在做重組蛋白時(shí)可溶性差第一時(shí)間懷疑是表達(dá)條件的問(wèn)題但破菌操作是否得當(dāng)也是一個(gè)重要變量。大腸桿菌破菌的常見(jiàn)方法包括超聲破碎、高壓勻漿、溶菌酶處理等。超聲破碎的功率、時(shí)間和間歇比例會(huì)影響蛋白質(zhì)的釋放效率和完整性。如果超聲功率太大或者時(shí)間過(guò)長(zhǎng)局部產(chǎn)熱會(huì)造成蛋白變性。如果功率太小破菌不徹底目標(biāo)蛋白收率就會(huì)降低。我做超聲破碎時(shí)有一個(gè)參數(shù)模板功率200W工作2秒停3秒總處理時(shí)間根據(jù)菌液量調(diào)整一般每10毫升菌液處理5到8分鐘。全程在冰浴上進(jìn)行避免蛋白降解和變性。破菌后的可溶性分析也有講究。很多人直接取上清和沉淀做SDS-PAGE對(duì)比但其實(shí)在上樣前需要用超聲或者反復(fù)吹打把沉淀重新懸浮均勻否則沉淀樣品濃度不一致很難進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比。另外如果目標(biāo)蛋白帶有His標(biāo)簽可以用鎳柱做一個(gè)“pull-down”小樣直接檢測(cè)目標(biāo)蛋白是否正確地暴露出了His標(biāo)簽位點(diǎn)。3. 實(shí)操過(guò)程與核心環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)3.1 從基因獲取到表達(dá)載體構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)流程假設(shè)你已經(jīng)做好了密碼子優(yōu)化和標(biāo)簽設(shè)計(jì)的決策下一步就是獲取基因并構(gòu)建表達(dá)載體。目前主流的方式是直接委托基因合成公司合成優(yōu)化后的基因序列速度最快也最可靠。拿到合成好的基因片段后需要通過(guò)酶切或同源重組的方式克隆到表達(dá)載體中。我在實(shí)際項(xiàng)目中首選同源重組比如Gibson Assembly因?yàn)樗皇苊盖形稽c(diǎn)的限制而且可以一步實(shí)現(xiàn)多片段拼接。同源重組引物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是同源臂長(zhǎng)度一般需要15到25 bp的同源序列同源臂太短會(huì)導(dǎo)致重組效率下降?？寺⊥瓿珊蟊仨氝M(jìn)行測(cè)序驗(yàn)證這一步不能省。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)案例某研究者構(gòu)建載體時(shí)跳過(guò)測(cè)序直接做表達(dá)結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白表達(dá)出來(lái)比預(yù)期小了10 kDa最后查下來(lái)是克隆過(guò)程中發(fā)生了移碼突變。這個(gè)教訓(xùn)真的很深刻。表達(dá)菌株的轉(zhuǎn)化也比較講究。對(duì)于大腸桿菌T7表達(dá)系統(tǒng)我們一般使用BL21(DE3)菌株但如果你表達(dá)的是富含二硫鍵的蛋白可以考慮帶有硫氧還蛋白還原酶突變的Origami菌株能促進(jìn)二硫鍵在胞質(zhì)中的形成。如果蛋白含有較多稀有密碼子則可以考慮Rosetta菌株。3.2 搖瓶小試一套可放大的可控流程搖瓶小試的目的不只是“看看有沒(méi)有表達(dá)”而是要建立一個(gè)可重復(fù)的基準(zhǔn)流程一定程度上為后續(xù)放大做準(zhǔn)備。我的標(biāo)準(zhǔn)操作流程如下從新鮮轉(zhuǎn)化的平板挑取單克隆接種到5 mL含抗生素的LB培養(yǎng)基中37°C振蕩培養(yǎng)8到12小時(shí)。這個(gè)步驟叫過(guò)夜預(yù)培養(yǎng)。第二天將預(yù)培養(yǎng)物按1%到2%的比例轉(zhuǎn)接到200 mL新鮮LB培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)至OD???達(dá)到0.6到0.8。此時(shí)加入IPTG至目標(biāo)濃度然后轉(zhuǎn)入目標(biāo)溫度繼續(xù)誘導(dǎo)培養(yǎng)。這里面有一個(gè)容易被忽視的細(xì)節(jié)在加IPTG之前需要預(yù)留一個(gè)未誘導(dǎo)的樣品在誘導(dǎo)后的不同時(shí)間點(diǎn)也需要取樣。這些時(shí)間點(diǎn)樣品要統(tǒng)一調(diào)整到相同的細(xì)胞密度后用于SDS-PAGE檢測(cè)否則你的表達(dá)量變化會(huì)被細(xì)胞密度的差異掩蓋掉。搖瓶和發(fā)酵罐雖然同為培養(yǎng)設(shè)備但兩者的差異非常大在搖瓶到發(fā)酵罐的過(guò)渡階段最容易出問(wèn)題。搖瓶中溶解氧和pH很難精確控制菌體代謝產(chǎn)生的乙酸會(huì)抑制生長(zhǎng)和表達(dá)。到了發(fā)酵罐階段通過(guò)補(bǔ)料策略和pH調(diào)控產(chǎn)量往往能有數(shù)量級(jí)的提升。我建議在搖瓶階段不要過(guò)度追求高產(chǎn)重點(diǎn)是把可溶性表達(dá)的條件摸清楚。3.3 親和純化實(shí)操鎳柱純化的那些細(xì)節(jié)親和純化是重組蛋白純化中最基礎(chǔ)也是最核心的一步。以最常見(jiàn)的His標(biāo)簽鎳柱純化為例操作流程看似簡(jiǎn)單——上柱、洗滌、洗脫——但里面有兩個(gè)細(xì)節(jié)直接決定了純化效果的優(yōu)劣。上樣流速是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。His標(biāo)簽與鎳離子的結(jié)合是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程如果流速太快蛋白質(zhì)沒(méi)有足夠的時(shí)間與填料充分接觸就會(huì)直接流出。我的經(jīng)驗(yàn)是在重力柱中一般控制在每分鐘1到2 mL在低壓層析系統(tǒng)中保持流速在1 mL/min左右。如果處理量大可以考慮適當(dāng)延長(zhǎng)上樣時(shí)間或者使用串聯(lián)柱的方式。洗滌策略是另一個(gè)決定純度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。很多人的習(xí)慣是直接泵入含10到20 mM咪唑的緩沖液洗滌然后洗脫。但如果你面對(duì)的雜蛋白特別多可以采用分步洗滌策略先低濃度咪唑5到10 mM洗去非特異性結(jié)合的雜蛋白再中濃度20到50 mM洗去與鎳離子結(jié)合力較弱的雜蛋白最后提高濃度到250 mM進(jìn)行目標(biāo)蛋白洗脫。洗脫時(shí)我建議用梯度洗脫而不是一步洗脫這樣能把不同結(jié)合強(qiáng)度的蛋白分開(kāi)。還有一個(gè)很多人不知道的小技巧在裂解緩沖液中加入適量的甘油5%到10%和低濃度去垢劑比如0.1% Triton X-100可以有效減少蛋白質(zhì)的聚集和疏水相互作用導(dǎo)致的非特異性結(jié)合。3.4 標(biāo)簽切除與二次純化方案設(shè)計(jì)如果你的下游實(shí)驗(yàn)對(duì)蛋白的天然狀態(tài)有要求比如酶活性測(cè)定、結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)敲幢磉_(dá)標(biāo)簽往往需要在純化后切除。最常用的策略是在標(biāo)簽和目標(biāo)蛋白之間設(shè)計(jì)一個(gè)蛋白酶切割位點(diǎn)比如TEV酶、 thrombin或PreScission蛋白酶。TEV蛋白酶是我用得最多的因?yàn)樗禺愋院?、切割效率高、酶自身穩(wěn)定性好。使用TEV酶切除標(biāo)簽時(shí)需要注意兩個(gè)問(wèn)題一是酶與底物的比例我一般使用150到1100質(zhì)量比在4°C孵育過(guò)夜二是切割后的混合物需要再次過(guò)鎳柱將未被切割的蛋白、切除下來(lái)的His標(biāo)簽、TEV酶如果也帶有His標(biāo)簽與目標(biāo)蛋白分離。這些基本操作雖好理解但容易踩坑的地方在于緩沖液成分。TEV酶的活性需要還原劑如DTT或β-巰基乙醇如果體系中殘留了較高濃度的咪唑可能會(huì)影響酶活性。所以在酶切前最好先通過(guò)透析或者脫鹽柱把咪唑濃度降下來(lái)。二次純化可以選擇的方案很多。如果目標(biāo)蛋白和雜蛋白的分子量差異足夠大可以采用凝膠過(guò)濾層析它同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)緩沖液置換。如果分子量接近可以考慮離子交換層析或肝素親和層析充分利用目標(biāo)蛋白的表面電荷特性或特定結(jié)構(gòu)域的結(jié)合能力。3.5 層析介質(zhì)選擇與工藝參數(shù)速查純化工藝開(kāi)發(fā)中層析介質(zhì)的選擇直接關(guān)系到純化路線能否走通。下表是我根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)整理的幾種常見(jiàn)介質(zhì)的選擇邏輯供參考層析類型分離原理典型介質(zhì)適用范圍關(guān)鍵工藝參數(shù)親和層析特異性結(jié)合Ni-NTA、GST樹(shù)脂帶有標(biāo)簽的重組蛋白結(jié)合緩沖液、洗脫梯度離子交換層析表面電荷差異DEAE、Q Sepharose、SP Sepharose等電點(diǎn)與緩沖液pH不同的蛋白上樣pH、鹽濃度梯度疏水層析表面疏水性差異Phenyl Sepharose、Butyl Sepharose高鹽條件下穩(wěn)定、富含疏水殘基的蛋白鹽濃度、鹽類型凝膠過(guò)濾層析分子大小差異Superdex、Sephacryl多聚體分離、脫鹽、緩沖液置換柱體積、流速、上樣體積肝素親和層析特定結(jié)構(gòu)域結(jié)合Heparin Sepharose生長(zhǎng)因子、凝血因子等結(jié)合鹽濃度、洗脫梯度離子交換層析的介質(zhì)選擇以目標(biāo)蛋白的等電點(diǎn)為核心參考。如果緩沖液pH高于等電點(diǎn)蛋白帶負(fù)電用陰離子交換介質(zhì)如Q Sepharose如果緩沖液pH低于等電點(diǎn)蛋白帶正電用陽(yáng)離子交換介質(zhì)如SP Sepharose。緩沖液pH應(yīng)與等電點(diǎn)保持至少0.5到1個(gè)單位的差距否則蛋白的電荷狀態(tài)不穩(wěn)定結(jié)合效率會(huì)大打折扣。凝膠過(guò)濾層析有個(gè)常被低估的“坑”上樣體積最好不要超過(guò)柱體積的2%到4%否則分辨率會(huì)大幅下降。對(duì)于分析級(jí)純化這個(gè)比例還要更低。另外凝膠過(guò)濾層析有一個(gè)先天的限制——柱子能承受的樣品體積是固定的所以它更適合作為最后一步拋光而不是第一步捕獲。3.6 濃度濃縮與緩沖液置換的操作技巧純化后的樣品通常需要濃縮和緩沖液置換這一步看起來(lái)簡(jiǎn)單但操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致大量蛋白損失。超濾離心管比如不同截留分子量的離心濃縮管是最常用的工具。選擇截留分子量時(shí)應(yīng)依據(jù)目標(biāo)蛋白分子量的三分之一左右作為截留閾值來(lái)獲得理想的回收率。如果目標(biāo)蛋白分子量是45 kDa那可以選擇10 kDa截留的濃縮管這樣既能截留目標(biāo)蛋白又能讓大部分小分子雜質(zhì)通過(guò)。離心濃縮操作要特別注意離心速度和時(shí)間的匹配。速度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)蛋白可能會(huì)在膜表面形成不可逆聚沉。我一般遵循“寧慢勿快”的原則4°C離心轉(zhuǎn)速不超過(guò)4000g每10到15分鐘檢查一次體積變化。如果樣品量特別大可以分批次加入濃縮管。緩沖液置換的終極目標(biāo)是去除影響蛋白穩(wěn)定性的因素。比如在純化過(guò)程中使用的高濃度咪唑、高鹽、還原劑等可能影響目標(biāo)蛋白的活性或某些下游應(yīng)用。用脫鹽柱或透析進(jìn)行置換時(shí)需要檢測(cè)置換是否徹底。常規(guī)的方法是測(cè)定流出液的電導(dǎo)率當(dāng)電導(dǎo)率不再變化時(shí)基本可以認(rèn)為置換完成。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 表達(dá)量低是基因問(wèn)題還是菌株問(wèn)題表達(dá)量低是個(gè)多因素問(wèn)題。我一般按以下順序排查首先確認(rèn)目的基因是否成功轉(zhuǎn)入菌株并測(cè)序正確其次查看mRNA轉(zhuǎn)錄水平是否正?？梢酝ㄟ^(guò)RT-PCR定量檢測(cè)再往下要看翻譯水平即目標(biāo)蛋白的mRNA是否被有效翻譯最后才考慮是否為蛋白被降解。其中一個(gè)最常見(jiàn)的坑是移碼突變或提前終止突變。有次我做一個(gè)44 kDa的蛋白表達(dá)出來(lái)分子量是35 kDa一開(kāi)始以為是降解后來(lái)重新測(cè)序發(fā)現(xiàn)基因內(nèi)部有一個(gè)堿基缺失導(dǎo)致讀碼框改變翻譯提前終止。這個(gè)案例告訴我們表達(dá)載體構(gòu)建完成后測(cè)序驗(yàn)證步驟絕對(duì)不能省。另一個(gè)常見(jiàn)原因是蛋白降解。如果你的表達(dá)產(chǎn)物比預(yù)期分子量小而且隨時(shí)間推移小片段的比例越來(lái)越高大概率是被宿主菌的蛋白酶降解了。解決方案包括換用蛋白酶缺陷型菌株比如BL21(DE3)pLysS降低誘導(dǎo)溫度縮短誘導(dǎo)時(shí)間或者在裂解緩沖液中加入蛋白酶抑制劑混合物。4.2 包涵體處理溶解與復(fù)性的完整流程包涵體是大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)中讓無(wú)數(shù)人頭疼的問(wèn)題。當(dāng)目標(biāo)蛋白以包涵體形式存在時(shí)你面臨一個(gè)選擇是改變表達(dá)條件嘗試讓它變成可溶蛋白還是干脆溶解包涵體進(jìn)行變復(fù)性。這兩條路各有優(yōu)劣取決于蛋白本身的性質(zhì)和最終用途。如果決定走變復(fù)性路線流程大致為收集菌體、破菌、離心收集包涵體沉淀、洗滌包涵體、用變性劑溶解、稀釋復(fù)性或透析復(fù)性。包涵體洗滌這一步很容易被忽視但特別重要。洗滌液通常含有低濃度變性劑1%到2% Triton X-100或2 M尿素、EDTA、DTT可以顯著去除膜蛋白碎片和部分雜蛋白為后續(xù)溶解和純化減輕負(fù)擔(dān)。溶解包涵體最常用的是6到8 M尿素或6 M鹽酸胍。兩者各有優(yōu)劣尿素溶解條件溫和但必需新鮮配制因?yàn)槟蛩厝芤洪L(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)分解產(chǎn)生異氰酸酯導(dǎo)致蛋白氨基甲?；}酸胍溶解能力更強(qiáng)但粘度大且成本高。復(fù)性方法上透析復(fù)性比稀釋復(fù)性溫和但耗時(shí)更長(zhǎng)、體積更大。我做過(guò)一個(gè)小分子單域抗體用稀釋復(fù)性效率只有5%換成梯度透析復(fù)性后效率提高了約3倍。4.3 純化后沒(méi)有目標(biāo)蛋白常見(jiàn)的操作失誤純化后跑SDS-PAGE發(fā)現(xiàn)沒(méi)有目標(biāo)蛋白或者目標(biāo)蛋白出現(xiàn)在流穿液中這種情況多半是以下原因之一His標(biāo)簽被掩蔽在蛋白內(nèi)部、上樣緩沖液pH或鹽濃度不匹配、流速過(guò)快導(dǎo)致結(jié)合效率低、鎳離子脫落導(dǎo)致柱容量下降。針對(duì)His標(biāo)簽掩蔽的問(wèn)題可以通過(guò)在變性條件下如含6 M尿素的緩沖液中純化來(lái)強(qiáng)制暴露標(biāo)簽。如果蛋白需要在天然條件下保持活性則可能需要嘗試更換標(biāo)簽位置或者使用更長(zhǎng)的柔性連接肽。針對(duì)鎳柱本身的問(wèn)題用久了會(huì)出現(xiàn)鎳離子脫落導(dǎo)致柱容量下降。定期的脫鎳再生處理是不可少的。另外EDTA會(huì)螯合鎳離子因此樣品和緩沖液中絕對(duì)不能含有EDTA。4.4 蛋白不穩(wěn)定與降解保護(hù)策略匯總蛋白降解問(wèn)題在不同表達(dá)系統(tǒng)中都會(huì)出現(xiàn)。除了前面提到的使用蛋白酶缺陷菌株和降低溫度之外還有一些更精細(xì)的保護(hù)策略在培養(yǎng)基中添加適當(dāng)濃度的精氨酸可以抑制蛋白聚集在裂解緩沖液中加入適量的去垢劑如CHAPS可以幫助膜蛋白保持溶解狀態(tài)對(duì)于容易氧化的蛋白可以加入DTT或TCEP保持還原環(huán)境對(duì)于容易降解的蛋白可以在N端或C端添加柔性保護(hù)序列或者在標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)就考慮融合一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)域如SUMO標(biāo)簽。SUMO標(biāo)簽是一個(gè)很好用的工具一方面可以顯著提高蛋白的可溶性和穩(wěn)定性另一方面其自帶蛋白酶可以特異性切除SUMO標(biāo)簽切割效率高且不留下多余氨基酸殘基。如果遇到鏈長(zhǎng)較短或者容易降解的蛋白SUMO標(biāo)簽值得優(yōu)先考慮。4.5 常見(jiàn)問(wèn)題快速排查手冊(cè)為了方便后期檢索我把這些年遇到的問(wèn)題和解決方案整理成了一個(gè)速查表異?，F(xiàn)象可能原因優(yōu)先排查方案無(wú)表達(dá)產(chǎn)物基因序列有誤或移碼突變重新測(cè)序驗(yàn)證完整編碼區(qū)無(wú)表達(dá)產(chǎn)物啟動(dòng)子泄漏或阻遏不徹底檢查培養(yǎng)基中是否有誘導(dǎo)劑殘留使用含葡萄糖的培養(yǎng)基表達(dá)量低且有降解宿主菌蛋白酶作用更換蛋白酶缺陷菌株、降低溫度、添加蛋白酶抑制劑全部為包涵體折疊速率跟不上合成速率降低溫度、降低誘導(dǎo)劑濃度、嘗試分子伴侶共表達(dá)可溶性蛋白但活性低折疊不正確或缺少輔因子檢查是否有翻譯后修飾需求添加輔因子嘗試其他表達(dá)系統(tǒng)鎳柱純化無(wú)結(jié)合His標(biāo)簽未暴露增加變性劑強(qiáng)制暴露或更換標(biāo)簽位置鎳柱純化雜蛋白多洗滌條件過(guò)松優(yōu)化洗滌咪唑濃度增加中間濃度洗滌步驟濃縮后蛋白大量損失超過(guò)膜通量或蛋白聚沉選擇合適截留分子量降低離心轉(zhuǎn)速添加保護(hù)劑濃縮后蛋白溶液渾濁蛋白不穩(wěn)定性導(dǎo)致聚集優(yōu)化緩沖液pH、鹽濃度添加甘油或精氨酸4.6 內(nèi)毒素控制從源頭到終端的全鏈路管理如果你的重組蛋白需要用于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)內(nèi)毒素控制就會(huì)成為整個(gè)流程中繞不開(kāi)的核心環(huán)節(jié)。內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌外膜上的脂多糖在表達(dá)和純化過(guò)程中即使目標(biāo)蛋白已經(jīng)分離出來(lái)內(nèi)毒素仍然可能以游離形式或與蛋白結(jié)合的形式存在。大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)毒素含量天然就高這是系統(tǒng)的固有屬性。除了通過(guò)陰離子交換層析、親和層析等手段分離內(nèi)毒素之外源頭上也要做功夫——全程使用無(wú)熱原的耗材和緩沖液操作過(guò)程中注意避免環(huán)境污染。對(duì)于極嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景可以引入內(nèi)毒素親和去除層析步驟但需要注意這一步可能帶來(lái)一定程度的蛋白收率損失。5. 寫(xiě)在最后幾條用時(shí)間換來(lái)的經(jīng)驗(yàn)重組蛋白制備這個(gè)領(lǐng)域本質(zhì)上是一個(gè)細(xì)節(jié)堆疊的工程。做成功一個(gè)蛋白可能讓你覺(jué)得“不過(guò)如此”但做失敗的每一個(gè)蛋白背后幾乎都可以追到某個(gè)被忽視的細(xì)節(jié)。我自己最深刻的體會(huì)是永遠(yuǎn)不要在“差不多”的時(shí)候就往下走。構(gòu)建好載體了你測(cè)序了嗎不是為了走流程而是確認(rèn)沒(méi)有移碼突變。表達(dá)有結(jié)果了你做時(shí)間梯度了嗎不是為了發(fā)文章湊數(shù)據(jù)而是確認(rèn)取樣的時(shí)間點(diǎn)確實(shí)處于表達(dá)平臺(tái)期。純化出主帶了你跑質(zhì)譜驗(yàn)證了嗎不是為了儀式感而是確認(rèn)這就是目標(biāo)蛋白而不是一個(gè)分子量相近的雜蛋白。對(duì)于剛開(kāi)始接觸重組蛋白的同行我給的建議是先花一個(gè)星期做文獻(xiàn)調(diào)研和序列分析把所有可能影響表達(dá)的已知因素列出來(lái)再花兩個(gè)星期做小規(guī)模條件篩選用數(shù)據(jù)而不是直覺(jué)做決策最后再進(jìn)入大規(guī)模表達(dá)和純化。你前期多花的這些“慢功夫”會(huì)在后續(xù)少走無(wú)數(shù)冤枉路。有一個(gè)很實(shí)用的小技巧想分享給大家最后把整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的每一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)詳細(xì)記錄下來(lái)。你當(dāng)時(shí)的誘導(dǎo)溫度、所用的緩沖液配方、純化回收率、出現(xiàn)過(guò)的異常現(xiàn)象都記下來(lái)。等到下一個(gè)項(xiàng)目做到同樣環(huán)節(jié)時(shí)這套記錄可以幫你快速定位問(wèn)題。我翻看自己過(guò)去幾年的實(shí)驗(yàn)記錄很多當(dāng)時(shí)不理解的現(xiàn)象是在后來(lái)積累了更多經(jīng)驗(yàn)之后才恍然大悟的。這些記錄用時(shí)間沉淀下來(lái)的價(jià)值遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)多花的那幾分鐘。重組蛋白這條路上沒(méi)有絕對(duì)的“標(biāo)準(zhǔn)答案”但有很多“前人踩過(guò)的坑”。希望這篇內(nèi)容能幫你提前看清這些坑在哪里讓你的蛋白表達(dá)之路走得更順一些。