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与常见问题解答,供实验参考。
本文内容速览:
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。
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。
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:
| 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。
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。
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:
重组蛋白亲和标签选择示意
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。
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。
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。
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:
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。
| 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 | — |
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:
| 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 |
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。
| 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 |
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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