重组蛋白表达纯化如何选择亲和标签

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在进行重组蛋白表达纯化时,亲和标签的选择至关重要。标签选对了,纯化顺畅、活性保留好;标签选错了,可能影响蛋白折叠、降低表达量,甚至导致实验无法进行。

本文从 9 个方面系统阐述选择亲和标签时需要考虑的因素,并附常用亲和标签对比速查表常见问题解答,供实验参考。

本文内容速览:

  1. 一、目的蛋白的结构和功能
  2. 二、蛋白是否稳定
  3. 三、亲和标签的融合位置
  4. 四、是否需要在变性条件下进行亲和纯化
  5. 五、亲和标签对表达水平的影响
  6. 六、是否需要标签具有鉴定功能
  7. 七、亲和洗脱的条件(附常用标签对比表)
  8. 八、是否在亲和纯化后去除标签
  9. 九、成本因素
  10. 十、常见问题解答(FAQ)

因素 01一、目的蛋白的结构和功能

亲和标签与目的蛋白之间的作用是相互的,需要综合考虑:既要考虑对目的蛋白结构功能的影响,又要考虑对标签与其配体亲和作用的影响,以及实际用途。

  • 大多数情况首选短的多肽标签——对目的蛋白的结构影响最小。在某些应用中,短肽不必去除,因为重组蛋白已具有完全的生物学功能。这也是6个组氨酸标签比GST标签应用更广的原因。
  • 短肽不具有免疫原性,融合蛋白可直接用于抗体的制备。
  • 大的亲和标签可能限制重组蛋白的折叠,影响蛋白质的生物学功能。

权衡提示:从另一方面来讲,目的蛋白可能会干扰短肽标签与其配体的结合。与小的短肽标签相比,大的多肽和蛋白质标签也在实验室作为常规选择——它们的亲和配体大多是低分子化合物,可以降低目的蛋白对结合的影响,增强纯化的特异性。在许多情况下,重组融合蛋白去除亲和标签后,目的蛋白可形成正确的结构。

因素 02二、蛋白是否稳定

含有多对二硫键的蛋白质,或某些蛋白质在进行非融合表达时,容易形成包含体,或有降解发生。降解的原因有两种情况:

蛋白质降解的两种原因与对策
降解原因 对策
目的蛋白的不正确折叠 如果加入的亲和标签能够促进目的蛋白的正确折叠,那么就可阻止蛋白质的降解
末端氨基酸不稳定 N端融合有助于保护目的蛋白的N端;C端融合有助于保护目的蛋白的C端,从而可以获得全长的目的蛋白

亲和标签对蛋白质包含体的形成可以促进,也可以减少,不同的标签有不同的特性,多数情况还与表达系统相关。

💡 经典案例

麦芽糖结合蛋白(MBP)具有分子伴侣样的特性,进行N端融合,常有助于蛋白质的正确折叠和活性蛋白的获得。目的蛋白的MBP融合已成功用于晶体结构的研究。

因素 03三、亲和标签的融合位置

亲和标签可以加在N端、C端,也可以进行串联。在选择融合位置时,要综合考虑以下因素:

  • 位置对标签亲和性的影响:如GST适合加在N端。
  • 融合可能对目的蛋白的影响:如果目的蛋白的C端序列包埋在蛋白质内部,那么进行C端融合就不合适。
  • N端融合的优势:多数情况下蛋白质的N端区域对蛋白质的功能不是太重要,所以N端融合常常能保留蛋白质的生物学功能。
  • N端对表达水平的影响:由于N端DNA序列对蛋白质的转录翻译影响较大,所以标签加在N端对蛋白质的表达水平影响更大,优化标签的mRNA结构可使表达水平提高。
  • N端对溶解性的影响:N端标签对表达蛋白的溶解性影响更大,如在N端使用天然HAT标签比6×His标签有助于目的蛋白的可溶性表达,而N端进行MBP融合表达也常用来提高目的蛋白的溶解性。
  • 分泌表达的特殊要求:进行分泌表达时常选用可分泌的亲和标签,有些亲和标签不适合放在N端——如6×His标签放在N端会影响重组蛋白信号肽的处理和目的蛋白的分泌,这是因为6×His标签具有多个带电咪唑残基。
  • 标签去除后的残留问题:C端融合表达时,去除融合标签后目的蛋白的C端会有几个氨基酸残留;而N端融合表达可以在去除标签后得到完整的天然目的蛋白。
重组蛋白亲和标签选择示意

重组蛋白亲和标签选择示意

因素 04四、是否需要在变性条件下进行亲和纯化

如果融合蛋白以包含体的形式存在,由于大多数的亲和标签不适于在变性剂存在条件下进行亲和纯化,只能先进行包含体的溶解和复性,再在非变性条件下进行亲和纯化。

能促进折叠复性的标签:有些亲和标签可以促进蛋白质的折叠复性。如来源于蛋白A的ZZ标签,可使胰岛素样生长因子I(IGF-I)融合蛋白在比非融合蛋白高100倍的浓度下成功折叠复性,并且不会形成沉淀——在选择亲和表达纯化系统时需要考虑这一点。

💡 特殊优势

组氨酸标签在非变性和变性条件下通常均可进行亲和纯化。除了可使用前面的方法,还可直接在变性条件下进行亲和纯化或亲和色谱复性,而且亲和色谱复性常常可以提高折叠的效率。

因素 05五、亲和标签对表达水平的影响

亲和标签对表达水平的影响不仅与亲和标签和目的蛋白相关,还与可用的表达纯化系统密切相关,需根据具体情况进行分析

综合分析:同一种标签在不同表达体系、不同目的蛋白背景下,对表达量的影响可能完全不同。不要简单套用别人的经验,最好在预实验中对比2–3种标签方案。

因素 06六、是否需要标签具有鉴定功能

如果对于目的蛋白没有方便有效的分析鉴定方法,可选择具有鉴定功能的亲和标签。

具有鉴定功能的标签包括:

  • FLAG标签:可用单抗M1/M2进行检测。
  • S标签:可用RNase A的S片段进行检测,可用于表达水平的监测。
  • T7标签:可用单抗检测。
  • GST标签:可进行表达蛋白的检测。
  • PinPoint:可进行表达蛋白的检测。
  • Strep tag II:可进行表达蛋白的检测。

因素 07七、亲和洗脱的条件

在下表中列出了常用亲和融合表达/纯化系统的洗脱条件。有些条件比较温和,而有些条件较为剧烈,选择的亲和表达系统应该不使目的蛋白变性

常用的亲和融合表达/纯化系统
亲和标签 分子大小 结合配体 融合部位 洗脱条件 注释
谷胱甘肽巯基转移酶(GST) 26 kD(220 aa) 谷胱甘肽 N端 还原型谷胱甘肽 载体:pGEX、pET41、pET42;可进行表达蛋白的检测;融合蛋白形成二聚体
金葡菌蛋白A(Protein A)IgG结合结构域 30 kD hIgG N端 低pH 载体:pRIT2T;具有Protein A信号序列可进行分泌表达;可在弱变性条件下纯化(0.5 mol/L盐酸胍)
ZZ结构域 14 kD hIgG N端 低pH 载体:pEZZ18;具有Protein A信号序列可进行分泌表达;可使目的蛋白获得正确的折叠
链球菌蛋白G(Protein G) 28 kD 白蛋白(HSA) N端或C端 低pH 具有Protein G信号序列可进行分泌表达
白蛋白结合结构域(ABD) 5~25 kD 白蛋白(HSA) C端 低pH
几丁质结合结构域 52 aa 几丁质 N端或C端 诱导剪切 pTYB、pTWIN
纤维素结合结构域(CBD) 107 aa、114 aa、156 aa 纤维素 N端或C端 麦芽糖 载体:pET 34、pET 35、pET 36、pET 37、pET 38;可增强表达蛋白的热稳定性;具有信号肽序列可进行分泌表达
麦芽糖结合蛋白(MBP) 41 kD(396 aa) 直链淀粉 N端或C端 麦芽糖 载体:pMAL;具有MBP信号序列可进行分泌表达;可改善溶解性
PinPoint(可生物素化蛋白) 13 kD 单体抗生物素蛋白 N端 生物素 载体:PinPoint;可进行表达蛋白的检测
Biotin Avitag(可生物素化的短肽) 15 aa 单体抗生物素蛋白 N端或C端 生物素 载体:pAN、pAC;可进行表达蛋白的检测;可进行目的蛋白的固定化;可在变性条件下纯化
Strep tag II(非生物素化亲和素) 8 aa 链霉抗生物素蛋白变体 Strep-Tactin N端或C端 脱硫生物素 载体:pPR IBA、pASK-IBA;具有OmpA信号序列可进行分泌表达;可进行表达蛋白的检测、目的蛋白的固定化;可在变性条件下纯化
钙调蛋白结合肽(CBP) 26 aa 钙调蛋白 N端或C端 EGTA / EGTA + 1 M NaCl pCAL
组氨酸标签(Poly His) 6 aa、8 aa、10 aa、18 aa 螯合金属离子 Ni²⁺ 或 Co²⁺ N端或C端 咪唑 / 低pH 载体:pET、pHAT、pQE、pProEx、pTrcHis;可在变性条件下纯化
表位标签 FLAG 8 aa 单抗 M1 / M2 使用M1单抗进行N端融合;使用M2单抗N端或C端融合 融合蛋白与M1单抗的结合是钙依赖的(使用EDTA);M2单抗是非钙依赖的(使用低pH或合成的FLAG肽) 载体:p-FLAG、p3×FLAG;已具有肠激酶酶切位点
S标签 15 aa RNase A的S片段 N端或C端 低pH 载体:pET;可进行表达水平的监测
T7标签 11 aa 单抗 N端 低pH 载体:pET;可增强表达水平;可在弱变性条件下纯化
精氨酸标签(Poly Arg) 5~15 aa 强酸性阳离子基团 C端 氯化钠梯度
苯丙氨酸标签(Poly Phe) 11 aa 疏水苯基 N端 乙二醇

因素 08八、是否在亲和纯化后去除标签

融合蛋白是否需要去除标签,由目的蛋白的用途标签的特点来确定:

标签去除决策
用途 是否需要去除标签
用于免疫动物生产抗体 不需要
不影响蛋白质的功能研究 不需要
影响蛋白质的功能研究 需要去除
用于临床治疗 需要去除

因素 09九、成本因素

亲和介质和缓冲液的费用也是选择亲和标签时需要考虑的重要因素。大规模纯化时,介质用量大、成本高,需要综合权衡。

总结:以上就是我们分别从目的蛋白的结构和功能、蛋白稳定、亲和标签的融合位置、是否需要在变性条件下进行亲和纯化、亲和标签对表达水平的影响、是否需要标签具有鉴定功能、亲和洗脱的条件、是否在亲和纯化后去除标签、成本这九个方面,列出的蛋白纯化需要考虑的一些重要因素。

速查十、亲和标签选择速查表

亲和标签选择九大因素速查
考量因素 关键要点
目的蛋白结构与功能 首选短肽标签(6×His应用广);短肽无免疫原性;大标签可能限制折叠但特异性更强
蛋白稳定性 促进折叠的标签可阻止降解;N端融合保护N端,C端融合保护C端;MBP有分子伴侣样特性
融合位置 GST适合N端;N端对表达量和溶解性影响大;分泌表达时6×His不适合N端;N端融合可获完整天然蛋白
变性条件纯化 多数标签不适于变性条件;ZZ标签可促进复性;组氨酸标签可在变性条件下纯化
表达水平影响 与标签、目的蛋白、表达系统均相关,需具体分析
鉴定功能 FLAG、S标签、T7、GST、PinPoint、Strep tag II 均具检测功能
洗脱条件 温和条件优先;需确保不使目的蛋白变性
标签去除 免疫动物、不影响功能研究 → 不需要;影响功能研究或临床治疗 → 需要去除
成本因素 考虑亲和介质和缓冲液费用;大规模纯化时尤为关键

FAQ十一、常见问题解答

Q1:为什么6个组氨酸标签比GST标签应用更广?

大多数情况首选短的多肽标签,这是因为短的多肽标签对目的蛋白的结构影响最小,在某些应用中,短肽不必要去除,因为重组蛋白已经具有完全的生物学功能。而且短肽不具有免疫原性,融合蛋白可直接用于抗体的制备;而大的亲和标签可能限制重组蛋白的折叠,影响蛋白质的生物学功能。

Q2:亲和标签应该加在N端还是C端?

亲和标签可以加在N端、C端,也可以进行串联。多数情况下蛋白质的N端区域对蛋白质的功能不是太重要,所以在N端进行融合标签的融合常常能保留蛋白质的生物学功能。N端标签对表达蛋白的溶解性影响更大,如N端使用天然HAT标签比6×His标签有助于目的蛋白的可溶性表达。进行分泌表达时,常选用可分泌的亲和标签;6×His标签放在N端会影响重组蛋白信号肽的处理和目的蛋白的分泌。C端融合表达时在去除融合标签后,在目的蛋白的C端会有几个氨基酸残留;而N端融合表达可以在去除标签后得到完整的天然目的蛋白。

Q3:包涵体蛋白如何进行亲和纯化?

如果融合蛋白以包涵体的形式存在,由于大多数的亲和标签不适于在变性剂存在条件下进行亲和纯化,只能先进行包涵体的溶解和复性,再在非变性条件下进行亲和纯化。其中有些亲和标签可以促进蛋白质的折叠复性,如来源于蛋白A的ZZ标签,可使胰岛素样生长因子I(IGF-I)融合蛋白在比非融合蛋白高100倍的浓度下成功折叠复性。组氨酸标签在非变性和变性条件下通常均可进行亲和纯化,还可直接在变性条件下进行亲和纯化或亲和色谱复性,而且亲和色谱复性常常可以提高折叠的效率。

Q4:什么情况下需要去除亲和标签?

融合蛋白是否需要去除标签,由目的蛋白的用途和标签的特点来确定。如果用于免疫动物生产抗体,则不需要;如果不影响蛋白质的功能研究,也不需要;如果影响了蛋白质的功能研究或用于临床治疗,则需要去除标签。

Q5:选择亲和标签时需要考虑哪些因素?

需要从9个方面综合考虑:1)目的蛋白的结构和功能;2)蛋白是否稳定;3)亲和标签的融合位置;4)是否需要在变性条件下进行亲和纯化;5)亲和标签对表达水平的影响;6)是否需要标签具有鉴定功能;7)亲和洗脱的条件;8)是否在亲和纯化后去除标签;9)成本因素(亲和介质和缓冲液的费用)。

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