科研人必知:293F与HEK293细胞在蛋白表达中的不同“超能力”
在现代生命科学研究和生物制药产业中,重组蛋白的表达与制备几乎是绕不开的关键环节。无论是基础研究所需的信号通路蛋白、结构生物学研究所需的膜蛋白,还是抗体、疫苗、酶类等应用型蛋白药物,背后都离不开一个高效、稳定的蛋白表达系统。
在众多表达系统中,HEK293细胞及其衍生的293F细胞因其接近人源细胞的翻译后修饰能力、易于转染的特点而备受青睐。尽管它们源自同一“家族”,但在科研与应用层面却展现出不同的“超能力”。
一、HEK293细胞的“基础功”
HEK293(Human Embryonic Kidney 293)细胞源自人胚胎肾细胞,是1970年代首次建立的人源永生化细胞系之一。由于转染效率高、培养条件相对宽松,它很快成为了分子生物学研究中的明星细胞系。
HEK293在蛋白表达中的优势
- 人源修饰体系:与细菌或酵母系统不同,HEK293能够进行正确的糖基化、磷酸化、二硫键形成等翻译后修饰,确保蛋白更接近天然状态。
- 高转染效率:尤其是在脂质体转染、电转或PEI转染方法中,HEK293表现出显著优势。
- 广泛的适用性:无论是瞬时表达还是稳定细胞系的构建,HEK293都能胜任。
HEK293在蛋白表达中的局限性
- 贴壁依赖:经典的HEK293主要以贴壁状态生长,培养瓶或培养板的表面积成为限制其扩增的瓶颈。
- 规模化不足:大规模生产受限于贴壁培养的操作复杂性和成本。
二、293F细胞的“升级版技能”
为克服贴壁培养的限制,科学家对HEK293进行了改造,发展出293F(Freestyle 293)等悬浮培养适应性细胞株。
293F的关键特点
- 悬浮生长:293F无需贴壁,可在摇瓶或生物反应器中悬浮培养,大大提高了培养体积和产量。
- 高密度培养:在优化培养基与条件下,293F可达1–2×10⁷ cells/mL的细胞密度。
- 瞬时高效表达:利用293F进行瞬时转染,可在数天内获得大量目标蛋白,非常适合快速实验验证与中试。
293F在应用中的优势
- 抗体生产:由于悬浮培养和人源修饰的双重优势,293F常用于小规模抗体制备。
- 疫苗研发:多种病毒载体疫苗、蛋白亚单位疫苗均在293F体系中得到验证。
- 结构生物学:对膜蛋白或糖蛋白等复杂结构的表达更接近体内真实状态。
- 功能蛋白和酶类制备:293F能够快速表达复杂酶类或信号蛋白,为实验室药理学研究提供可靠蛋白来源。
三、不同“超能力”的实际案例
1. HEK293:探索蛋白功能的利器
信号通路研究:研究者利用HEK293表达受体蛋白,通过激动剂刺激,快速观察下游信号通路变化。
膜蛋白功能验证:HEK293因贴壁生长可方便进行免疫荧光和共聚焦显微镜实验,用于研究蛋白定位和相互作用。
药物筛选:小分子或抗体药物候选分子常通过HEK293表达的靶蛋白进行快速初步筛选。
2. 293F:产量与应用兼顾
单克隆抗体早期研发:利用293F瞬时转染,可在几天内获得大量抗体用于动物实验或体外药效学评估。
病毒蛋白亚单位疫苗制备:293F能够表达糖基化正确的病毒刺突蛋白,为疫苗研发提供可靠蛋白来源。
复杂蛋白结构解析:在结构生物学研究中,膜蛋白或糖蛋白需要接近天然状态的修饰,293F的高表达量满足了X射线晶体学或冷冻电镜所需蛋白量。
工业酶制备实验:部分功能酶或信号蛋白通过293F表达后,可直接用于体外生化实验或小规模应用验证,为后续大规模生产提供实验依据。
四、选择与优化策略
科研人员在选择HEK293还是293F时,需结合研究目标:
如果是小规模、快速验证 → 选择HEK293更为合适。
如果是大规模表达、抗体或疫苗研发 → 293F无疑是首选。
此外,还有一些优化策略:
培养基优化:293F通常使用无血清培养基,更利于纯化。
转染方法选择:PEI转染在293F中常用,成本低且效率高。
稳定细胞系构建:在需要长期表达的场景下,可考虑在HEK293中构建稳定株,再移植到悬浮培养体系。
HEK293与293F细胞,一个以简便、高效见长,一个以产量与应用为核心,各自拥有不同的“超能力”。对于科研人来说,理解并善用这两种细胞系,不仅能提升实验效率,还可能为新药研发和生物产业应用提供关键助力。