上世紀(jì)70年代初，在遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)基因工程，后又被稱為重組DNA技術(shù)。這項技術(shù)為任何一種生物接受另一種生物的遺傳物質(zhì)并在其細胞內(nèi)表達功能和穩(wěn)定遺傳提供了可能性，也為我們在試管 內(nèi)直接操作遺傳物質(zhì)改變基因功能、調(diào)節(jié)基因表達方式創(chuàng)造了條件。經(jīng)過近40年的發(fā)展，基因工程技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)各個學(xué)科的基礎(chǔ)研究，成為微觀生物學(xué)，甚至宏觀生物學(xué)有力的研究手段。這項技術(shù)也在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、化工和環(huán)保等領(lǐng)域結(jié)出了豐碩的應(yīng)用成果。在基因工程技術(shù)的基礎(chǔ)上已出現(xiàn)了蛋白質(zhì)工程、基因治療、DNA藥物和新一代的代謝工程等多個生物技術(shù)生長點，展現(xiàn)出越來越廣闊的應(yīng)用前景[1]。
基因工程技術(shù)的核心是基因表達技術(shù)。至今，人們已建立了許多基因表達系統(tǒng)，既有原核生物基因表達系統(tǒng)，也有真核生物基因表達系統(tǒng)。不同的表達系統(tǒng)特點不同，有它們的優(yōu)勢，也有它們的不足。另外，由于研究深度的差異，它們的成熟程度和應(yīng)用范圍也很不一樣。
1.大腸桿菌表達系統(tǒng)
在各種表達系統(tǒng)中，zui早被采用進行研究的是大腸桿菌表達系統(tǒng)，也是目前掌握zui為成熟的表達系統(tǒng)。其主要方法是將已克隆入目的基因DNA片段的載體 （一般為質(zhì)粒）轉(zhuǎn)化細菌（通常選用的是大腸桿菌），通過IPTG等誘導(dǎo)并zui終純化獲得所需的目的蛋白。
對于表達不同的蛋白，需要采用不同的載體。目前已知的大腸桿菌的表達載體可分為非融合型表達載體和融合型表達載體兩種。非融合表達是將外源基因插到表達載體強啟動子和有效核糖體結(jié)合位點序列下游，以外源基因mRNA的AUG為起始翻譯，表達產(chǎn)物在序列上與天然的目的蛋白一致。融合表達是將目的蛋白或多膚與另一個蛋白質(zhì)或多肽片段的DNA序列融合并在菌體內(nèi)表達。融合型表達的載體包括分泌表達載體、帶純化標(biāo)簽的表達載體、表面呈現(xiàn)表達載體、帶伴侶的表達載體[2]。
作為發(fā)展zui早、目前應(yīng)用zui廣泛的經(jīng)典表達系統(tǒng)，大腸桿菌表達系統(tǒng)優(yōu)點在于遺傳背景清楚、繁殖快、成本低、表達量高、表達產(chǎn)物容易純化、穩(wěn)定性好、抗污染能力強以及適用
范圍廣等[3]。但與此同時原核表達系統(tǒng)還存在許多難以克服的缺點：如目的蛋白常以包涵體形式表達，導(dǎo)致產(chǎn)物純化困難；而且原核表達系統(tǒng)翻譯后加工修飾體系不完善，表達產(chǎn)物的生物活性較低。
2. 酵母表達系統(tǒng)
酵母表達系統(tǒng)作為一種后起的外源蛋白表達系統(tǒng)，由于兼具原核以及真核表達系統(tǒng)的優(yōu)點，正在基因工程領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。zui早應(yīng)用于基因工程的酵母是釀酒酵母。釀酒酵母（Saecharomycesc erevisiae）在釀酒業(yè)和面包業(yè)的使用已有數(shù)千年的歷史，被認為是GRAS （generally recognized as safe）生物，不產(chǎn)生毒素，完整的基因序列也于1996年完成測序[4]，長期廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，已被美國FDA確認為安全性生物，其表達產(chǎn)物不需經(jīng)過大量的宿主安全性實驗。但與新型酵母體系相比，釀酒酵母表達系統(tǒng)存在不適合高密度培養(yǎng)、缺乏強有力的嚴(yán)格調(diào)控的啟動子，而且分泌效率較低，尤其是許多分子量大于30kD的外源蛋白幾乎不分泌等缺點，通常不被看作是重組蛋白的理想宿主。
后來人們又相繼開發(fā)了裂殖酵母、甲醇酵母等。其中，甲醇酵母表達系統(tǒng)是目前應(yīng)用zui廣泛的酵母表達系統(tǒng)。目前甲醇酵母主要有H Polymorpha，Candida Bodini，Pichia Pastris 3種，并以Pichia Pastoris應(yīng)用zui多。甲醇酵母的表達載體為整合型質(zhì)粒，載體中含有與酵母染色體中同源的序列，因而比較容易整合入酵母染色體中。大部分甲醇酵母的表達載體中都含有甲醇酵母醇氧化酶 基因—1（AOX1），在該基因的啟動子（PAOX1）作用下，外源基因得以表達。PAOX1是一個強啟動子，在以葡萄糖或甘油為碳源時。甲醇酵母中AOX1基因的表達受到抑制，而在以甲醇為*碳源時PAOX1可被誘導(dǎo)激活，因而外源基因可在其控制下表達,將目的基因多拷貝整合入酵母染色體后可以提高外源蛋白的表達水平及產(chǎn)量[5]。此外甲醇酵母的表達載體都為E.coli／Pichia Pastoris的穿梭載體，其中含有E.coli復(fù)制起點和篩選標(biāo)志，可在獲得克隆后采用E.coli細胞大量擴增。甲醇酵母一般先在含甘油的培養(yǎng)基中生長。培養(yǎng)至高濃度。再以甲醇為碳源。誘導(dǎo)表達外源蛋白。這樣可以大大提高表達產(chǎn)量。利用甲醇酵母表達外源性蛋白質(zhì)其產(chǎn)量往往可達克級。與釀酒酵母相比其翻譯后的加工更接近哺乳動物細胞，不會發(fā)生超糖基化。
3. 昆蟲表達系統(tǒng)
昆蟲表達系統(tǒng)是一類應(yīng)用廣泛的真核表達系統(tǒng)，它具有同大多數(shù)高等真核生物相似的翻譯后修飾加工以及轉(zhuǎn)移外源蛋白的能力。利用重組桿狀病毒在昆蟲細胞體系中表達外源蛋白
是目前較為流行的表達方式，其表達的蛋白水平高達1~500mg/L，但受到諸多因素的限制和影響，如培養(yǎng)基質(zhì)量、供氧情況、保證對數(shù)生長等[3]。
桿狀病毒是已知昆蟲病毒中zui大的類群，是發(fā)現(xiàn)zui早、研究zui多且適用意義很大的昆蟲病毒。桿狀病毒的基因組為單一閉合環(huán)狀雙鏈DNA分子，大小為80~160 kb，其基因組可在昆蟲細胞核復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。DNA復(fù)制后組裝在桿狀病毒的核衣內(nèi)，后者具有較大的柔韌性，可容納較大片段的外源DNA插入，因此是表達大片段DNA的理想載體[6]。另外，此系統(tǒng)所用的多角體蛋白啟動子，是一個很強的真核生物啟動子。常用的桿狀病毒包括苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒（AcNPV）和家蠶型多角體病毒（BmNPV），常用的宿主細胞則來源于草地夜蛾Sf9細胞，用于表達外源基因的質(zhì)粒來源于PUC系列，其含有一個多克隆位點和多角體蛋白啟動子。桿狀病毒系統(tǒng)的主要有點包括①重組蛋白具有完整的生物學(xué)功能，如蛋白的正確折疊、二硫鍵的搭配；②蛋白翻譯后的加工修飾；③表達水平高，可達總蛋白 量的50%；④可容納大分子的插入片段；⑤能同時表達多個基因。主要缺點是外源蛋白表達處于極晚期病毒啟動子的調(diào)控之下，這時由于病毒感染，細胞開始死亡[7]。
4. 哺乳動物表達系統(tǒng)
哺乳動物細胞表達外源重組蛋白可利用質(zhì)粒轉(zhuǎn)染和病毒載體的感染。利用質(zhì)粒轉(zhuǎn)染獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)染細胞需幾周甚至幾個月時間，而利用病毒表達系統(tǒng)則可快速感染細胞，在幾天內(nèi)使外源基因整合到病毒載體中，尤其適用于從大量表達產(chǎn)物中檢測出目的蛋白。哺乳動物細胞表達載體必須包含原核序列、啟動子、增強子、選擇標(biāo)記基因、終止子和多聚核苷酸 信號等控制元件[3]。
根據(jù)目的蛋白表達的時空差異，可將表達系統(tǒng)分為瞬時、穩(wěn)定和誘導(dǎo)表達系統(tǒng)。瞬時表達系統(tǒng)是指宿主細胞在導(dǎo)入表達載體后不經(jīng)選擇培養(yǎng)，載體DNA隨細胞分裂而逐漸丟失，目的蛋白的表達時限短暫；瞬時表達系統(tǒng)的優(yōu)點是簡捷，實驗周期短。穩(wěn)定表達系統(tǒng)是指載體進入宿主細胞并經(jīng)選擇培養(yǎng)，載體DNA穩(wěn)定存在于細胞內(nèi)，目的蛋白的表達持久、穩(wěn)定。由于需抗性選擇甚至加壓擴增等步驟，穩(wěn)定表達相對耗時耗力。誘導(dǎo)表達系統(tǒng)是指目的基因的轉(zhuǎn)錄受外源小分子誘導(dǎo)后才得以開放。采用異源啟動子、增強子和可擴增的遺傳標(biāo)記，可提高蛋白產(chǎn)量[8]。
哺乳動物表達系統(tǒng)在蛋白的起始信號、加工、分泌、糖基化方面具有*優(yōu)勢，適合表達完整的大分子蛋白。由哺乳動物細胞翻譯后再加工修飾產(chǎn)生的外源蛋白質(zhì)，在活性方面遠勝于原核表達系統(tǒng)及酵母、昆蟲細胞等真核表達系統(tǒng)，更接近于天然蛋白質(zhì)，但構(gòu)成復(fù)雜、
操作技術(shù)要求高、表達產(chǎn)量不大、產(chǎn)率低，且有時會導(dǎo)致病毒感染等是該表達系統(tǒng)的不足之處。
5. 植物表達系統(tǒng)
植物能夠表達來自動物、細菌、病毒以及植物本身的蛋白質(zhì)易于大規(guī)模培養(yǎng)和生產(chǎn)，且在基因表達與修飾及安全性方面有特別的優(yōu)勢，因此利用植物生產(chǎn)外源蛋白質(zhì)的研究展現(xiàn)了極其誘人的前景。多種抗體、酶、激紊、血漿蛋白和疫苗等都已通過基因工程的手段在植物的葉、莖、根、果實、種子以及植物細胞和器官中得到表達，然而提取與純化始終是大規(guī)模利用植物生產(chǎn)重組蛋白的主要障礙。Doloressa等[9]據(jù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號肚在蛋白質(zhì)合成中的作用，把3種重組蛋白，即嗜熱細菌來源的木聚糖酶、水母的綠色熒光蛋白和人胎盤分泌的堿性磷酸酶 （SEAP）定位到質(zhì)外體中，通過根分泌和葉分泌途徑獲得表達，從而建立了兩種新的重組蛋白表達系統(tǒng)——植物根分泌和葉分泌，簡化了分離和純化程序，為利用轉(zhuǎn)基因植物大規(guī)模生產(chǎn)重組蛋白提供了潛在的途徑。雖然利用植物表達、生產(chǎn)外源性蛋白起步較晚，但目前已經(jīng)能夠利用植物生產(chǎn)多種醫(yī)用、食用以及工業(yè)用蛋白及酶制劑。
總之，各種表達系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，大腸桿菌和酵母表達系統(tǒng)蛋白表達水平高，生產(chǎn)成本低，但它們的加工修飾體系與昆蟲細胞、哺乳動物細胞不*相同；哺乳動物細胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)更接近于天然蛋白質(zhì)，但其表達量低、操作繁瑣。各種表達系統(tǒng)由于翻譯后的加工不*相同，因而產(chǎn)生的重組蛋白的生物學(xué)活性和免疫原性有時會有差別。因此，選擇表達系統(tǒng)時，必須充分考慮各種因素，如所需要表達的蛋白是否有毒性，是否有活性，是否需要糖基化，還需要考慮成本、產(chǎn)量及純化路線和安全性，權(quán)衡利弊后在研究工作積累和實踐探索的基礎(chǔ)上，做出謹(jǐn)慎的判斷和選擇。
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