引言
蛋白表达技术是分子生物学与生物制药研究的核心支撑之一。
不同的蛋白表达系统在转录调控、翻译后修饰以及生产效率上各具特点。
对于科研与产业化生产而言，系统选择不仅影响产量，更决定蛋白的结构与功能完整性。
一、大肠杆菌表达系统
大肠杆菌是最经典的重组蛋白表达宿主之一。其优点在于生长周期短、成本低、表达量高，尤其适合非糖基化或小分子可溶性蛋白。通过调控诱导条件与载体结构，可以显著改善蛋白的可溶性与折叠状态。然而，对于需要复杂修饰或跨膜结构的蛋白，该系统往往受到局限。在结构生物学、酶工程以及基础蛋白功能研究中，大肠杆菌仍是效率与稳定性兼顾的主力系统。
二、哺乳动物表达系统
哺乳动物细胞（如 HEK293与CHO）可提供接近天然状态的翻译后修饰，包括糖基化、磷酸化与正确折叠。因此，该系统在功能蛋白、抗体以及治疗性分子的表达中具有不可替代的地位。虽然成本较高、周期较长，但它所产出的蛋白通常更接近生理状态，适用于功能验证及药物研发阶段。随着瞬时转染和稳定株构建技术的成熟，哺乳动物系统的表达效率正逐步提升，成为高端蛋白质表达服务的重要方向。
三、昆虫细胞表达系统
昆虫细胞系统（如 Sf9、Sf21、HighFive）基于杆状病毒载体，兼具真核修饰能力与较高产量。它能够有效表达多亚基复合蛋白及高分子量蛋白，且对结构折叠具有良好兼容性。该系统常用于抗原制备、疫苗开发以及结构生物学研究。虽然部分糖基化模式与哺乳动物不同，但其在成本与表达复杂度之间取得了较好的平衡，是连接实验研究与生产放大的关键中间层。
四、酵母表达系统
酵母系统在原核与真核之间提供了折中方案。以 Pichia pastoris 和 Saccharomyces cerevisiae 为代表的宿主，既能进行高密度发酵，又具备一定的修饰与分泌能力。其工艺成熟、可放大性强，非常适合工业级蛋白生产与功能蛋白研究。通过启动子强度调节、信号肽优化以及发酵过程控制，酵母系统可在成本控制与产量提升间实现良好平衡。
五、无细胞蛋白表达系统
无细胞蛋白表达技术以细胞裂解物为反应基础，能够在体外完成转录和翻译。这一体系摆脱了细胞活性的限制，特别适用于毒性蛋白、膜蛋白及难表达目标。反应体系可快速调整离子浓度、能量供应与辅因子组成，便于高通量筛选和表达条件探索。在结构生物学和合成生物学研究中，无细胞体系的灵活性与速度正使其成为新兴的蛋白表达平台之一。
表1. 五大蛋白表达系统对比
|
表达系统 |
主要宿主 |
优势 |
局限 |
典型应用 |
|---|---|---|---|---|
|
大肠杆菌系统 |
E. coli |
成本低、表达量高、周期短 |
缺乏修饰，部分蛋白不溶 |
酶类、结构蛋白、基础研究 |
|
哺乳动物系统 |
HEK293、CHO |
完整修饰、高生物活性 |
成本高、周期长 |
抗体、糖蛋白、药物研发 |
|
昆虫细胞系统 |
Sf9、HighFive |
折叠正确、修饰部分保留 |
糖基化模式与哺乳动物不同 |
抗原、疫苗、复合蛋白 |
|
酵母系统 |
P. pastoris、S. cerevisiae |
发酵效率高、可分泌表达 |
修饰有限、部分产物不稳定 |
工业酶、抗原蛋白、放大生产 |
|
无细胞系统 |
细胞裂解液 |
表达速度快、体系可调 |
成本较高、产量有限 |
难表达蛋白、高通量筛选 |
系统优化与应用思考
表达系统优化 是蛋白工程中的关键环节。从启动子设计到密码子适配、从诱导条件到宿主改造，每个环节都可能显著影响蛋白的折叠与产量。不同系统的优化目标并不相同：在大肠杆菌中，重点是提高可溶性与产量；在哺乳动物细胞中，更注重正确修饰与分泌；而无细胞系统则强调体系调控与高通量能力。通过多系统并行与结果对比，可在早期阶段快速筛选最优路径，这也是现代生物技术研发中常用的策略之一。