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膜蛋白原核表达的基因序列优化

膜蛋白在生物体的许多生命活动中起着非常重要的作用，如细胞

的增殖和分化、能量转换、信号转导及物质运输等。目前有大约60%

的药物作用靶点是膜蛋白［1］。关于膜蛋白结构的研究对探究疾病的

发病机理和有效治疗有着重要意义，也是当前的研究热点之一。研究

膜蛋白结构的技术包括X射线衍射、核磁共振波谱、电子显微镜、原

子力显微镜、红外光谱和圆二色谱等。其中X射线衍射和核磁共振波

谱技术是对膜蛋白三维结构进行研究的主要方法。尤其利用固体核磁

共振技术（SolidstateNMR）可在接近膜蛋白的天然环境的磷脂双分

子层中研究膜蛋白的三维结构信息和动力学特征，在膜蛋白结构研究

领域具有独特的优势和广阔的发展前景［2，3］。采用固体核磁共振

研究膜蛋白的结构与功能，需要制备大量的同位素富集的膜蛋白样品，

重组表达就成为了获取膜蛋白样品的重要手段。常用于重组膜蛋白的

表达系统有真核表达系统、原核表达系统和近些年来发展的无细胞表

达系统。其中以大肠杆菌（E.coli）为代表的原核表达系统因为操作简

单、成本相对低廉、遗传背景清楚、方便同位素标记，以及有大量可

利用的表达载体和宿主菌株等原因，是目前获取重组膜蛋白的最主要

途径。对于一些膜蛋白而言，采用增加蛋白可溶性或者促使蛋白形成

包涵体的标签进行融合表达，是很好的增加蛋白产量的办法，但是目

前还没有普遍有效的融合标签可用于所有膜蛋白的超量表达［4-6］。

因此，如何提高蛋白表达量一直是膜蛋白三维结构研究过程中首先需

要解决的问题。本文归纳了近些年来基因序列优化在膜蛋白原核表达

技术研究上的最新进展，并从稀有密码子的优化、mRNA的稳定性与

翻译起始、mRNA与核糖体行为、翻译的效率与膜蛋白的折叠4个方

面对基因序列影响膜蛋白表达的优化因素进行了总结，旨在对原核系

统中膜蛋白的超量表达提供一些思路和参考。

1膜蛋白基因序列特点

基因的碱基序列上携带的遗传信息，不仅决定了所合成肽链的氨

基酸组成和顺序，还会影响基因的转录和翻译过程，这些遗传信息是

决定蛋白质丰度的主要原因［7］。膜蛋白通常含有一个或几个疏水性

很强的跨膜片段，其组成以疏水性氨基酸残基为主［8］。编码疏水性

氨基酸的密码子中，其尿嘧啶含量要明显高于亲水性氨基酸的密码子

［9］，与可溶蛋白相比膜蛋白在基因组转录中处于明显劣势［10，

11］，这种碱基特异性是可能原因之一。此外，在膜蛋白基因序列上

还存在影响蛋白折叠和插入的信号，它们对膜蛋白的结构和功能的保

持至关重要。对多药耐药基因的研究发现，同义密码子的替换会影响

其产物P-糖蛋白折叠和插入膜的时机，从而使P-糖蛋白底物特异性发

生改变［12］。在啤酒酵母膜蛋白的跨膜区后第45个密码子及第75

个密码子左右经常会出现一些翻译暂停信号，由于翻译过程中核糖体

通道正好可以容纳30-72个氨基酸，这些信号可能与新合成的跨膜区

的折叠有关因此，对于外源膜蛋白在原核表达系统中出现的表达水平

低、可溶性差、易错误折叠和聚集的现象［4，15］，在具体实践中结

合表达宿主对目的基因进行碱基序列优化是促使膜蛋白高效，且正确

表达的一项十分常用的解决手段［4，16，17］。

2膜蛋白基因序列的优化分析

蛋白的表达是遗传信息从基因的DNA序列经过转录、翻译和肽链

折叠而形成蛋白质等一系列的过程。因此膜蛋白基因序列的优化会涉

及到mRNA的转录水平、翻译的效率以及翻译过程中肽链的折叠等等

多个方面。下面将从稀有密码子优化、mRNA的稳定性与翻译起始、

mRNA与核糖体行为、翻译的效率与膜蛋白的折叠四个方面进行介绍。

2.1稀有密码子的优化

除甲硫氨酸和色氨酸之外，其他的氨基酸至少对应两个密码子。

不同物种之间对密码子的偏好有明显差异，使用频率低的密码子被称

为稀有密码子［18，19］。大量研究表明，稀有密码子的存在会影响

膜蛋白的最终表达水平，因此异源表达的膜蛋白通常要在基因序列上

对密码子进行优化［9，17，20-22］。许多膜蛋白，如秀丽隐杆线虫

氯离子通道蛋白（Caen-orhabditiselegansGluClionchannel