摘要：重组蛋白表达是指利用基因工程技术，将目标基因导入合适的宿主细胞中，通过人工构建的表达系统实现转录和翻译，从而获得的大量特定蛋白产物。它突破了天然来源的限制，可通过修饰获得不同形式的蛋白，广泛应用于科研、医药和工业领域。

重组蛋白表达是指利用基因工程技术，将目标基因导入合适的宿主细胞中，通过人工构建的表达系统实现转录和翻译，从而获得的大量特定蛋白产物。它突破了天然来源的限制，可通过修饰获得不同形式的蛋白，广泛应用于科研、医药和工业领域。

重组蛋白生产已成为生物研究与产业应用的核心技术之一。不论是基础研究中的功能解析，还是用于药物、生物制剂的工业规模制备，适当的表达系统选择都极大地影响产量、质量与功能。

重组蛋白表达系统选择的决策

选择表达系统，需综合评估四类关键问题：

1. 目标蛋白的天然特性 —— 包括来源（原核/真核）、胞内定位（细胞质、分泌、膜蛋白）、结构复杂性（是否多域、是否含二硫键）、翻译后修饰需求（如糖基化、磷酸化）等。

2. 后续应用需求 —— 若为结构生物学研究，可能优先获得折叠正确的蛋白；若为工业酶或疫苗生产，需考虑规模性成本与工艺成熟度。

3. 表达效率与可扩展性 —— 对快速、经济的小规模产物可优先考虑大肠杆菌；对复杂修饰或药物级生产则倾向哺乳动物细胞。

4. 系统自身的优化能力 —— 是否具备可调节表达强度、减少宿主代谢负担、辅助蛋白折叠等策略。

主流的重组蛋白表达系统性能与适配场景

1. 原核表达系统 —— 大肠杆菌

大肠杆菌是最早被广泛应用的重组蛋白表达宿主，也是目前使用最普遍的原核系统。其最大优势在于培养周期短、生长速度快和成本低廉。同时，大肠杆菌在基因操作方面极其成熟，拥有大量经过工程改造的宿主菌株和商业化载体，可满足不同表达需求。例如 BL21(DE3) 等高产菌株结合强启动子体系，能够在较短时间内积累大量重组蛋白。由于这一系统具备极高的表达效率和成熟的工艺平台，它不仅适合科研阶段的小规模实验，也常被用于工业化的基础蛋白生产，是高效、经济的首选平台。

2. 酵母表达系统 —— Pichia pastoris

酵母表达系统被认为是介于原核与高级真核系统之间的一种理想选择。它既保留了类似微生物的高生长速率和易于大规模培养的特点，又具备一定的真核翻译后修饰能力，因此特别适合对修饰有一定要求但又不需要完全复杂人源修饰的蛋白生产。以毕赤酵母（Pichia pastoris，现归类为 Komagataella）为代表的系统，能够在高密度发酵条件下维持稳定的表达效率，产量通常远高于哺乳动物细胞。同时，酵母能够分泌表达蛋白质，使下游纯化更加简便，并降低了宿主蛋白杂质的干扰。其可诱导型启动子（如 AOX1）为高水平表达提供了可靠工具，因而在工业酶、疫苗和部分重组治疗性蛋白的生产中占据重要地位。

3. 昆虫细胞表达系统 —— Baculovirus 表达

昆虫细胞系统基于杆状病毒载体的高效感染与表达能力，能够在较高水平上合成复杂蛋白质。与微生物系统相比，昆虫细胞具备更完整的真核加工与折叠机制，可以进行二硫键形成、磷酸化等多种修饰，从而获得更接近天然构象的目标产物。其优点还包括对大型蛋白、多亚基复合物和膜蛋白的良好适应性，这些往往是其他系统难以表达的。常用的 Sf9 和 High Five 等细胞株生长条件稳定，适合悬浮培养和放大，已成为结构生物学、功能研究以及部分工业应用中不可或缺的工具。

4. 哺乳动物细胞表达系统 —— CHO、HEK

哺乳动物细胞系统被认为是重组蛋白生产的“黄金标准”。其最大特点是能够提供与人类细胞几乎完全一致的翻译后修饰和折叠环境，因此表达出的蛋白质在结构和功能上与天然来源高度一致。CHO（中国仓鼠卵巢细胞）和 HEK293（人胚肾细胞）是最常用的宿主，分别在工业和科研中占据主导地位。CHO 细胞因其遗传稳定性和工艺成熟度，已成为生物制药行业生产抗体和复杂蛋白的主力平台；而 HEK293 系统则以转染效率高和产量稳定而受到基础研究与中试开发的青睐。随着瞬时高产表达体系的发展，如 Expi293 等平台能够在短期内获得大量带有天然糖基化模式的蛋白，大大缩短了研发周期。哺乳动物系统在确保蛋白生物活性方面具有无可替代的优势，是治疗性蛋白和疫苗生产的首选。

5. 无细胞表达系统（Cell-Free）

无细胞蛋白表达技术是一种基于体外转录和翻译体系的快速合成平台，不依赖完整的活细胞培养，而是直接利用从细胞裂解液中提取的分子机器来合成蛋白质。其优势在于速度快、操作灵活，可以在数小时内获得目标蛋白，尤其适用于快速筛选表达条件、新型蛋白的原型设计以及含有非常规氨基酸或标签的特种蛋白合成。此外，该系统能够避免细胞内代谢的限制和毒性干扰，因而对于某些在细胞内难以表达或有毒性的蛋白，无细胞系统提供了理想方案。尽管目前大规模应用受限，但在科研和新分子开发中展现了独特价值。

重组蛋白表达生产流程与优化策略

1. 基因克隆与载体构建

构建合适的表达载体，包括启动子、标签（如 His-tag）、分泌信号等，为后续表达与纯化打下基础。

2. 表达条件优化

原核系统中可调节诱导温度、诱导时间、宿主菌株与载体启动子强弱，以减轻代谢负担、提高正确折叠率。

真核系统中，优化培养时间、表达诱导方式、分泌路径与培养基，可获得稳定高产。

3. 下游处理与纯化

无论系统，表达后需要裂解或收集分泌物，再经色谱等步骤纯化蛋白。此外需分析糖型、折叠状态与功能活性保证质量。

4. 工艺规模化与自动化

生产规模放大时，需选择合适培养模式（如批次、fed-batch、连续培养等），采用 QbD（Quality by Design）、PAT（Process Analytical Technology）等流程监控方法，以提升生产效率和产品一致性。

系统选择整体考量

重组蛋白表达系统的选择是一项涉及多因素的综合决策，需要同时考虑目标蛋白的结构特性、所需翻译后修饰、宿主系统的表达能力、生产成本以及规模化潜力。在实际应用中，不同系统各有优势，科研人员和工程师必须根据蛋白功能和用途，合理匹配表达平台与工艺条件，以实现高效、稳定的蛋白生产。这一决策过程不仅影响产量和质量，也决定了后续研发和产业化的可行性，因此系统选择与生产设计需科学规划，为蛋白生产提供可靠参考和指导。

来源：积极的辰小创