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1、基因工程常用受体细胞第一页，讲稿共五十八页哦第一节、宿主细胞选择原则1 1、容易获得较高浓度的细胞；、容易获得较高浓度的细胞；2 2、安全，不致病；、安全，不致病；3 3、遗传背景清楚，容易进行、遗传背景清楚，容易进行DNADNA重组操作及遗传改造；重组操作及遗传改造；4 4、产物的产量高、产物的产量高（表达水平和稳定性）（表达水平和稳定性）、生物活性高生物活性高5、产物容易提取纯化。产物容易提取纯化。6 6、容易进行代谢调控；、容易进行代谢调控；7 7、易培养（生长速度、营养需求、氧耗量等），培养成本低、易培养（生长速度、营养需求、氧耗量等），培养成本低第二页，讲稿共五十八页哦第二节、宿主细
2、胞分类及特点n分类：原核细胞（原核细胞（大肠杆菌、枯草芽胞杆大肠杆菌、枯草芽胞杆菌、链霉菌等）菌、链霉菌等）n 真核细胞真核细胞（酵母细胞、哺乳动物细胞、（酵母细胞、哺乳动物细胞、昆虫细胞）昆虫细胞）第三页，讲稿共五十八页哦一、原核表达系统的特点一、原核表达系统的特点n（一）优点：（一）优点：1、结构简单，基因组成及功能相对清楚，易于遗传操作及转化2、生理代谢途径及表达调控机制相对清楚，便于表达调控3、生长迅速，要求条件低（大肠杆菌倍增时间为17分钟），易于大规模培养。第四页，讲稿共五十八页哦（二）缺点（二）缺点1、不能识别剪切内含子，不能表达基因组DNA，只能表达cDNA；2、缺乏真核生物的
3、蛋白质加工修饰系统，不能进行蛋白酶解、糖基化、磷酸化、乙酰化、硫酸化、酰胺化等修饰作用；蛋白酶解作用：从蛋白前体中切去一段氨基酸序列，从而获得功能性分子糖基化意义：赋予蛋白独特的结合性并增强稳定性3、不具备真核生物的蛋白质复性系统（如蛋白二硫键异构酶），不能进行真核蛋白的正确折叠；第五页，讲稿共五十八页哦二、酵母（yeast）表达体系特点n酵母菌是最简单的真核单细胞生物；n是外源真核基因最理想的表达体系。第六页，讲稿共五十八页哦（一）优点：（一）优点：1、全基因组测序，基因表达调控机理比较清楚，遗传操作简便2、具有原核生物无法比拟的蛋白翻译后加工修饰系统。对表达的蛋白可进行正确折叠和糖基化、磷
4、酸化等修饰；3、安全：不含特异病毒、不产生毒素，美国FDA认定为安全的4、繁殖迅速（倍增期约2小时），要求条件低，大规模发酵工艺简单，成本低廉；5、能外分泌第七页，讲稿共五十八页哦（二）缺点：1、生长相对细菌缓慢2、对有些生物活性蛋白仍无法表达或正确修饰，比如蛋白超糖基化第八页，讲稿共五十八页哦超糖基化修饰作用n酵母菌糖蛋白的N糖基外链的组成成分只有甘露糖，但其分支结构极为复杂的的现象称为超糖基化修饰作用。酵母菌高等真核生物O寡聚多糖链甘露糖单体唾液酸基团N糖基外侧链甘露糖甘露糖N乙酰葡萄糖胺半乳糖果糖唾液酸等第九页，讲稿共五十八页哦N-连接糖基化(N-linked glycosylation
5、)n新合成蛋白进行糖基化修饰的一种方式。n糖通过与蛋白质的天冬氨酸的自由NH2基连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。第十页，讲稿共五十八页哦O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）n高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化，将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。第十一页，讲稿共五十八页哦三、哺乳动物细胞表达特点哺乳动物细胞表达特点n是表达哺乳动物基因（如人基因）的最好受体细胞。n优点：1、能识别和剪切内含子并加工为成熟的mRNA，既可表达cDNA又可表达基因组DNA；2、表达产物具有正确地高级结构和糖基化、磷酸化等修饰。3 3、表达产物可分泌
6、到培养液中，纯化容易。第十二页，讲稿共五十八页哦缺点：缺点：1、细胞生长慢，培养条件刻苛，大规模培养工艺复杂、费用高2、培养液中产物浓度较小3、转化细胞筛选麻烦第十三页，讲稿共五十八页哦主要基因工程表达体系比较主要基因工程表达体系比较主要基因工程表达体系比较主要基因工程表达体系比较表达体系表达体系 产产 物物 产生部位产生部位 培养方式培养方式 提提 纯纯 产物活性产物活性 潜在危性潜在危性大肠杆菌大肠杆菌 多肽蛋白质多肽蛋白质 菌体内菌体内 容易容易 一般一般 对原核好对原核好 不大不大 融合蛋白质融合蛋白质 部分高产部分高产 对真核差对真核差 酵酵 母母 多肽蛋白质多肽蛋白质 菌体内菌体内
7、 容易容易 菌体内菌体内 真核的接近真核的接近 不大不大 糖基化蛋白糖基化蛋白 外分泌外分泌 可高产可高产 稍复杂稍复杂 天然产物天然产物 哺乳动物哺乳动物 完完 整整 外分泌外分泌 较难成本高较难成本高 简单简单 可达天然可达天然 需注意需注意 糖基化蛋白糖基化蛋白 可高产可高产 产物产物 致癌致癌第十四页，讲稿共五十八页哦第三节、常用原核表达细胞n大肠杆菌n枯草芽孢杆菌n短小芽孢杆菌第十五页，讲稿共五十八页哦一、大肠杆菌表达体系（一）生物学特性n革兰氏阴性杆菌n大小24um0.40.1um；n无芽孢；n一般无荚膜(capsule)n裂殖(Fission)分裂，3717分钟繁殖一代。第十六页
8、，讲稿共五十八页哦（二）特点n优点：1、载体受体系统完备2 2、外源基因表达水平高，可达总蛋白530；3、下游技术成熟第十七页，讲稿共五十八页哦缺点：1、胞内表达蛋白易形成无活性的包涵体，需进行复性操作；可溶性表达的胞内真核蛋白易被细菌蛋白酶水解2、蛋白分泌机制不健全，外源真核基因很难实现分泌表达，且分泌产物大多只能分泌到细胞周质（细胞质与外膜之见的间隙）；少数分泌表达的蛋白表达效率比包含体形式低很多。3、胞内表达产物蛋白质产物蛋白质N N端多余一个甲硫氨酸残基端多余一个甲硫氨酸残基（由起始密码（由起始密码ATG编码），影响活性或容易引起免疫反应编码），影响活性或容易引起免疫反应4、细胞壁含脂
9、多糖（内毒素），增加了分离纯化难度第十八页，讲稿共五十八页哦包涵体n细胞内由生物大分子致密聚集形成的被膜包裹或无膜的水不溶颗粒状物（相差显微镜或电子显微镜下可见）。组成：1、外源重组蛋白：50以上2、宿主蛋白：RNA聚合酶、核糖核蛋白体、外膜蛋白等3、质粒编码蛋白：如标记基因产物4、非蛋白分子：DNA、RNA、脂多糖等蛋白特点：氨基酸序列组成正确，空间构象往往错误第十九页，讲稿共五十八页哦（三）在基因工程中的应用n扩增外源扩增外源DNA（双链、单链）（双链、单链）n构建基因文库（构建基因文库（DNA文库、文库、cDNA文库）文库）n高效表达原核生物基因高效表达原核生物基因n表达不需翻译后加工、
10、修饰的真核蛋白表达不需翻译后加工、修饰的真核蛋白第二十页，讲稿共五十八页哦五、实验室常用的大肠杆菌五、实验室常用的大肠杆菌n用于接受质粒：用于接受质粒：C600W3110HB101JM83 JM101（Aps、Tcs、Cms）n用于接受用于接受l l-DNA：LE392、ED8654 第二十一页，讲稿共五十八页哦二、芽孢杆菌（Bacillus subtilis）表达体系（一）生物学特性n革兰氏阳性杆菌n大小0.70.823mn能产生芽孢；第二十二页，讲稿共五十八页哦（二）特点n优点：1、具有高效分泌机制，可将表达的外源蛋白高效分泌到培养基中，且多数真核蛋白经芽孢杆菌分泌后便具有天然构象和生物活
11、性2、胞壁不含脂多糖，不产生内毒素第二十三页，讲稿共五十八页哦缺点1、载体受体系统不完备载体受体系统不完备2、常规方法、常规方法不易转化不易转化3、野生型芽孢杆菌合成和、野生型芽孢杆菌合成和分泌大量的胞外蛋白酶分泌大量的胞外蛋白酶，直，直接影响表达产物的稳定性接影响表达产物的稳定性4、发酵技术不如大肠杆菌成熟发酵技术不如大肠杆菌成熟第二十四页，讲稿共五十八页哦（三）基因制药目前普遍使用的芽孢菌表达系统及载体n枯草芽孢杆菌：蛋白分泌能力强，但同时至少分泌6种蛋白酶n短小芽孢杆菌：蛋白分泌能力与枯草芽孢杆菌接近，但胞外蛋白酶活性远低于枯草芽孢杆菌，且可分泌蛋白酶抑制剂第二十五页，讲稿共五十八页哦多
12、重蛋白酶基因缺陷枯草芽孢杆菌受体菌nDB428WB500WB600DB428、WB500、WB600蛋白酶活性分别只及野生型的3.1、0.8、0.3，若加入蛋白酶抑制剂苯甲基磺酰氟（PMSF）则WB600胞外检测不到蛋白酶活性。第二十六页，讲稿共五十八页哦两株胞外蛋白分泌水平较高的短小芽孢杆菌野生株n芽孢杆菌47株nHPD31株在合适培养条件下，每升培养液可积累30g蛋白产物第二十七页，讲稿共五十八页哦芽孢杆菌使用的表达载体npNU210nPYQLnpUB18第二十八页，讲稿共五十八页哦（四）在基因工程制药中的应用n重组蛋白多肽药物的分泌表达重组蛋白多肽药物的分泌表达白细胞介素2白细胞介素3表
13、皮生长因子（EGF）人干扰素乙肝病毒核心抗原第二十九页，讲稿共五十八页哦第四节、基因制药常用酵母表达细胞n酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）n巴斯德毕赤酵母（Pichiapastoris)）n乳酸克鲁维酵母（Kluyveromyceslactis）n多型汉逊酵母（Hansenulapolymorpha）第三十页，讲稿共五十八页哦一、酿酒酵母n是第一个用于基因药物表达的酵母菌，遗传背景已相当清楚：有17条染色体，1996年完成其全基因组测序，基因组为12068kb，阅读开放开架5887个，编码约6000个基因，比单细胞的原核生物和古细菌大一个数量级。n受体细胞举例：酿酒酵
14、母GRF18第三十一页，讲稿共五十八页哦应用n1981年酿酒酵母表达了第一个外源基因一干扰素基因，随后又有一系列外源基因在该系统得到表达。nFDA批准的第一个基因工程疫苗就是酿酒酵母表达的乙肝疫苗（Merck公司）n上市产品还有人胰岛素（丹麦NovoNordisk公司）和人粒细胞集落刺激因子（Immunex公司）等第三十二页，讲稿共五十八页哦存在问题1、外源基因表达水平不高。原因：（1）密码子使用的偏向性（tRNA与外源基因密码子不匹配）（2）乙醇发酵途径活跃导致生物大分子合成普遍受到抑制（3）质粒的不稳定性2、重组异源蛋白超糖基化修饰第三十三页，讲稿共五十八页哦二、巴斯德毕赤酵母（Pichi
15、a pastoris）n是近年来发展最为迅速，应用最为广泛的酵母细胞。n是一种甲基营养菌，能在相对较为廉价的甲醇培养基中生长。第三十四页，讲稿共五十八页哦优点n除具有一般酵母所具有的特点外，还有以下几个优点：1、具有目前最强，调控机理最严格的启动子之一乙醇乙醇氧化酶氧化酶AOX1基因启动子基因启动子,外源蛋白表达量高（一般 500-4000mg/L，最高为破伤风毒素C达到12g/l）。2、表达质粒能在基因组的特定位点稳定整合。3、蛋白产物糖基化修饰作用大多数情况下接近哺乳动物细胞且可直接以天然可溶形式分泌到胞外。第三十五页，讲稿共五十八页哦缺点n发酵周期长，要添加甲醇n分子生物学基础不清楚，遗
16、传改造难度大。第三十六页，讲稿共五十八页哦应用生产重组真核药物蛋白：近年来，Invitrogon公司开发了毕赤酵母表达系统的系列产品，短短几年已经有300多种外源蛋自在该系统得到有效表达，被认为是目前最有效的酵母表达系统。药物蛋白已有20多种，见李元基因工程药物P52表。如人IL2、人血清白蛋白、TNF、HBsAg、EGF、破伤风毒素C片断、人巨细胞病毒抗原、抗凝血因子水蛭素衍生物等，有些即将进入市场。第三十七页，讲稿共五十八页哦常用毕氏酵母菌 nKM71和GS115:都具有HIS4营养缺陷标记。GS115茵株：具有AOX1基因，是Mut，即甲醇利用正常型；KM71菌株：AOX1位点被ARG4
17、基因插入，表型为Muts，即甲醇利用缓慢型共同特点:为组氨醇脱氢酶缺陷株，与带有his标记基因的表达质粒配合使用第三十八页，讲稿共五十八页哦三、乳酸克鲁维酵母n具有可稳定存在的附加体型质粒pKD1载体及高拷贝整合型质粒pMIRK1n外源基因表达水平比酿酒酵母高，如由重组乳酸克鲁维酵母合成的人IL1是重组酿酒酵母的80100倍。第三十九页，讲稿共五十八页哦四、多型汉逊酵母表达系统n蛋白糖基化修饰作用接近哺乳动物细胞。n也是一种甲基营养菌。第四十页，讲稿共五十八页哦举例：利用重组酵母生产乙肝疫苗n第一代乙肝疫苗：病毒携带者体内提取n存在问题：1、来源有限2、提取过程复杂3、致病潜在危险4、成本高第
18、四十一页，讲稿共五十八页哦第二代乙肝疫苗重组乙肝疫苗n第一阶段：大肠杆菌重组乙肝疫苗。20世纪70年代末尝试用大肠杆菌表达乙肝表面抗原HBsAg，但表达水平极低n第二阶段：酿酒酵母重组乙肝疫苗。起始于20世纪80年代初，将HBsHg（或s多肽）的编码序列置于ADH1（酿酒酵母的乙醇脱氢酶1基因）启动子或PGK（磷酸甘油酯激酶基因）启动子后面，表达出具有免疫活性的非糖基化HBsHg。目前已作为乙肝疫苗商品化，商品名为RecombivaxB或EngerixB。第四十二页，讲稿共五十八页哦第三阶段：巴斯德毕赤酵母重组乙肝疫苗nHBsAg基因稳定整合在巴斯德毕赤酵母染色体上n表达产物量比在酿酒酵母中高
19、1倍，并且表达蛋白效价高出酿酒酵母数十倍。第四十三页，讲稿共五十八页哦第五节、常用哺乳动物表达细胞n能在培养基中无限生长的哺乳动物细胞系。n一般为与正常细胞生理特性基本接近、无平面接触抑制特性的肿瘤细胞系或异倍体连续细胞系第四十四页，讲稿共五十八页哦有限细胞系和无限细胞系n有限细胞系（finitecellline）：正常细胞经过多次传代后，一般可连续培养3050代，就会逐渐失去增殖能力，也就是说它们只能生长有限的时间，经过若干传代培养后将老化死亡，把这类细胞称为有限细胞系。n无限细胞系（infinitecellline）或连续细胞系（continuouscellline）：当细胞经过自然或人为
20、的因素转化为异倍体后，能变为无限细胞系，没有分裂次数的限制。第四十五页，讲稿共五十八页哦药物生产应用的主要细胞系n非洲绿猴肾细胞（COS）、中国仓鼠卵巢细胞（CHO）、小仓鼠肾细胞（BHK）、人胚胎肾细胞（HEK239）、C127n用于基因瞬时表达：COS、BHK、HEK239n用于基因稳定表达：CHO第四十六页，讲稿共五十八页哦一、CHO细胞（Chinese hamster ovary cells）（一）一般特性：n分离自中国仓鼠卵巢（Chinesehamsterovary，CHO）n上皮样细胞，贴壁生长型n对水泡性口炎和Getah病毒敏感。第四十七页，讲稿共五十八页哦细胞贴壁培养和悬浮培养
21、 n第四十八页，讲稿共五十八页哦（二）优点（二）优点1、外源基因整合到宿主细胞后能稳定保持；2、可分泌表达外源蛋白，而内源蛋白分泌很少。3、蛋白质翻译后的修饰准确，表达产物的结构、性质和生物活性接近天然。4、培养条件要求低。对剪切力和渗透压有较高的忍受能力；能在无血清的条件生长。第四十九页，讲稿共五十八页哦（三）应用n有多个衍生突变株应用于药物的生产，培养时需要添加脯氨酸。n采用二氢叶酸还原酶（DHFR）的缺陷株（*CHO/dhFr）表达的药物有人组织性纤溶酶原激活剂tPA、IFN、IFN、EPO、HBsAg疫苗、G-CSF、凝血因子等已投放市场。n可在在氨甲酰喋呤（methotrexate,
22、MTX）存在下，增加外源基因的拷贝数，提高蛋白的表达水平，使外源基因高效表达。第五十页，讲稿共五十八页哦二、BHK细胞（一）一般特性：分离自幼仓鼠的肾脏（babyhamsterkidney,BHK）成纤维样细胞，非整倍体，2n=44。（二）应用：用于增殖病毒制备疫苗和重组蛋白。两种重组凝血因子，Bayer的KogenateFS、AventisBehring的Helixate分别于1989和1994被FDA获准上市，1999年FDA批准NovoNordisk的重组凝血因子VIIa（NovoSeven）上市，用于治疗血友病。第五十一页，讲稿共五十八页哦三、C127细胞（一）一般特性：分离自小鼠乳腺
23、肿瘤上皮样细胞，贴壁型生长。被牛乳头瘤病毒（bovinepolyomavirus，BPV）DNA载体转染后，细胞形态发生明显变化。（二）常用细胞系：C127：LT细胞系：生长密度高，表达组成型大T抗原。C127I细胞：适合于牛乳头瘤病毒DNA载体的转化。（三）应用：已表达多种外源基因，Serono公司生产rhGH（Saizen,Zorbtive）于1996年被FDA已被批准进入市场。第五十二页，讲稿共五十八页哦四、杂交瘤细胞（一）一般特性：从小鼠脾细胞与骨髓瘤细胞的融合细胞中分离获得杂交瘤细胞系；悬浮生长型容易转染和培养，能在无血清培养基中高密度悬浮生长；（二）常用细胞系：SP2/O、J558
24、L和NS0等。（三）应用：制备抗体、表达其他外源蛋白如tPA等。第五十三页，讲稿共五十八页哦五、Vero细胞（一）一般特性：分离自成年非洲绿猴肾成纤维细胞，贴壁依赖性，为连续细胞系。多倍体核型，66%细胞的2n=60（二）常用细胞：VeroE6（三）应用：1、增殖多种病毒生产疫苗，如脊髓灰质炎、狂犬病毒、乙脑病毒等。2、表达蛋白质药物3、病毒的检测第五十四页，讲稿共五十八页哦六、COS细胞n为复制起始区缺陷的SV40病毒基因组转化的非洲绿猴肾细胞。n特点：1、易转染。2、能瞬时大量表达外源蛋白。3、易培养。第五十五页，讲稿共五十八页哦第六节、常用昆虫表达细胞（家第六节、常用昆虫表达细胞（家蚕）蚕）第五十六页，讲稿共五十八页哦Sf21和Sf-9n来源：秋黏虫（Spodopterafrugiperda，fallarmyworm)卵巢细胞n特点：1、容易繁殖，倍增时间1824小时2、可高效表达外源基因。第五十七页，讲稿共五十八页哦TN-5B1-4n来源：粉纹夜蛾（Trichoplusiani，TN）卵细胞；n特点：1、培养要求条件低，可用无血清培养基培养2、快速倍增，能适应悬浮培养。3、分泌表达重组蛋白的能力比SF9细胞系高20多倍。第五十八页，讲稿共五十八页哦