重组蛋白质的分离纯化

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1、重组蛋白质的分离纯化摘要：90 年代以来基因重组技术得到很大的发展，基因工程产品的分离纯化的成本约 占其全部成本的60%80%，因此重组蛋白的分离纯化技术越来越重要。本文主要介绍了沉 淀、液液萃取、层析等常用分离重组蛋白方法的原理及应用，旨在为开展蛋白质的制备及其 应用研究提供理论依据。关键词：重组蛋白质；分离；纯化；沉淀；液液萃取；层析；包涵体随着基因重组技术的发展，出现了很多基因工程产品，而作为基因工程技术的下游工程 中的基因重组蛋白的分离纯化技术越来越显示其重要性。据有人统计,基因工程产品的分离 纯化成本约占到其全部成本的 60%80%1。由此可见产品的分离纯化是获得目的产物的关 键一步

2、，也是比较困难的一步，它标志着生物产业的高低。纯化重组蛋白质和普通蛋白质的不同就在于要选择合适的表达系统，因为表达系统决定 了细胞培养过程中产物的性质以及可能产生的杂蛋白，而纯化重组蛋白质的主要目的是去除 杂蛋白质，通常对一种重组蛋白质的纯化会采用多个系统2。但是重组蛋白有几种不同的 表达形式，如细胞外的分泌表达；细胞内可溶性表达以及包涵体形式的存在，因此对于重组 蛋白的纯化要依据其表达形式的不同，采取不同的纯化工艺。与传统方式相似，重组蛋白的分离纯化也是利用其物理和化学性质的差异，即以分子的 大小、形状、溶解度、等电点、亲疏水性以及与其它分子的亲和性等性质建立起来的。目前 主要的纯化方法有浓

3、缩沉淀法，层析和电泳技术。重组蛋白质在分离纯化的过程中，必须维持一定的浓度和生物活性形式，以及防止被降 解。因此从生物体中有效分离纯化重组蛋白质一直是个难题。 90 年代以来,国内外许多科学 工作者在蛋白质分离纯化技术和工艺上进行了大量的研制和开发,将原有的纯化技术水平提 高到一个新的高度。本文将简单介绍一些传统的分离纯化方法，并介绍近10 年来重组蛋白 分离纯化中的新进展和一些新出现的技术。1 沉淀分离技术1.1 盐析法其原理是蛋白质在高浓度盐溶液中，随着盐浓度的逐渐增加，由于蛋白质水 化膜被破坏、溶解度下降而从溶液中沉淀出来。各种蛋白质的溶解度不同,因而可利用不同 浓度的盐溶液来沉淀分离各

4、种蛋白质。盐析法的特点是成本低,不需要特别设备，操作简单、 安全,对蛋白质的一些生物活性成分破坏较少,缺点是选择性不强。1.2 有机溶剂沉淀法向蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有机溶剂，降低水的活 度，随着有机溶剂浓度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团或亲水基团的水化程度降低， 溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而使蛋白质凝聚和沉淀。其特点是： 选择性高；其次，沉淀后所得产品不需脱盐，残留的沉淀剂通过挥发即可除去。但是有机沉 淀剂对具有生物活性的蛋白质、酶类具有失活作用，因而常常需在低温下进行操作。1.3等电点沉淀法其原理是通过调节溶液的pH值,使两性电解质在溶液pH值处于等

5、电 点时，分子表面净电为零，导致赖以稳定的双电层及水化膜的削弱或破坏，分子间引力增加， 两性电解质的溶解度下降，从而沉淀析出。1.4 变性沉淀法利用生物大分子物质对物理、化学等外部环境因子敏感性的差异而选择 性地使一种组分发生变性形成沉淀，而另一些组分保持不变，从而达到分离、除杂和提纯的 目的。此方法包括：热变性沉淀分离；酸碱变性沉淀分离；利用表面活性剂或有机溶剂引起 变性沉淀分离；利用酶进行变性分离。2 液液萃取技术液液萃取技术是常用分离技术之一，在生物化工中也有广泛的应用。然而，大部分生物 物质是有生物活性的，需要在低温或室温条件下进行分离纯化，而采用传统萃取技术无法完 成。双水相萃取技术

6、是近年来发展很快的一种生物分离方法，与传统的液液分离方法相比， 双水相萃取技术分离纯化蛋白质具有以下优势：蛋白质在其中不易变性；分相时间短，一般 只需515 min ；易于放大和进行连续性操作；萃取环境温和，生物相容性高；聚合物对 蛋白质的结构有稳定和保护作用等3。近年来一些学者将双水相萃取技术与膜分离技术结 合起来，较好地解决了生物大分子在两相界面的吸附和乳化作用并且加快了萃取速率。还有 一些学者利用亲和反应的高度专一性，在萃取剂上接上一定的亲和配基，使得双水相萃取体 系不仅具有处理量大的特点，而且具有专一性，提高了萃取效率。液液反胶团(Reversed Micelles ,RM)体系萃取技

7、术是90年代以来发展较快的另一种 萃取技术, 是依赖表活剂液液萃取技术的一个分支 4。反胶团是离子型表面活性剂分散在 非极性溶液中形成的,由表活剂的极性头向内形成一个围绕“水核”的纳米级微团5。在这 微团中由于表活剂极性头的保护，可使包溶的的蛋白质不易变性。此外反胶团萃取体系还具 有操作条件温和，对目标蛋白选择性好，容量大和易于扩大再生产的优点。当然反胶团体系 萃取技术也有其不足之处，以往采用单一表活剂 AOT 或季氨盐的反胶团萃取体系易受溶液 pH、温度、离子强度和离子种类等因素的影响。目前为了克服这些缺点，往往在反胶团体系 中加其它表活剂作助剂或者采用阴、阳和非离子复合型表活剂的反胶团体系

8、的方法来解决 6。3 层析法3.1 离子交换层析原理是用离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的离子依靠静电引力吸附 在吸附剂上，同时从吸附剂上置换出另一种离子，然后用适当的溶液将吸附物从吸附剂上置 换下来，进行浓缩富集，从而达到分离的目的。其吸附作用来自离子间的静电作用。蛋白质为两性物质，不同的pH,所带的电荷也不同。不同的pH和不同的离子强度下， 蛋白质在不同的离子交换树脂上的吸附程度也不同。如果能够选择适当的条件，对蛋白质的 分离纯化能起到事半功倍的效果。多数蛋白对酸碱不太稳定，因此对蛋白来说多用弱离子交 换树脂。有一类特殊的商品化离子交换树脂，Sigma产品目录上成为聚缓冲液交换剂。先用 某一

9、 pH缓冲液平衡聚缓冲液交换剂，再用另一 pH缓冲液平衡，就能在这种离子交换剂上建 立一个pH梯度。上样后，用一种具有pH梯度的聚缓冲液洗脱树脂时，被吸附样品中的蛋白 质就能按照他们的等电点次序被依次洗脱。在这个过程中，同时产生聚焦作用，致使个蛋白 质分级变得很窄，样品高度浓缩，整个分离过程也呈现出很高的分辨率，称为层析聚焦技术7。3.2 疏水层析蛋白质内部有疏水部分，蛋白质表面常存在非极性氨基酸（如苯丙氨酸、 色氨酸）形成疏水区、蛋白质的疏水程度取决于暴露的或埋藏的氨基酸的疏水性之和。疏水 性氨基酸的数目、疏水性及他们的分布形成了蛋白质的特性。不同的蛋白质分子的疏水性强 弱有较大差异。疏水层

10、析就是利用表面偶联弱疏水性基团（疏水性配基）的疏水性吸附为固 定相，根据蛋白质与疏水性吸附剂之间的弱疏水性相互作用的差别进行蛋白质分离纯化的方 法。在离子强度较高的盐溶液中，蛋白质表面疏水部位的水化层被破坏，暴露出疏水部位， 疏水性相互作用增大。故蛋白质在疏水性吸附剂上的分配系数随流动相盐析盐浓度（离子强 度）的提高而增大。因此，疏水层析中蛋白质的吸附需在高浓度盐溶液中进行，而洗脱则主 要采用降低流动相离子强度的线性梯度洗脱法或逐次洗脱法。由于疏水层析分析纯化蛋白质的原理与离子交换层析完全不同，因此疏水层析与离子交 换层析互补短长，用于离子交换层析难以分离的蛋白。周维国等人以 Octyl Se

11、pharose 4 Fast Flow为层析介质分离硫酸铵分步沉淀法制备的重组蛋白MSH-Ang粗纯化样品，回收率达85%, 重组蛋白 MSH-Ang 纯度达 65%以上8。3.3 反相层析反相层析利用表面非极性的反相介质为固定相，极性有机溶剂的水溶液为 流动相，根据溶质极性（疏水性）的差别进行蛋白质的分离纯化。与疏水层析相似，反相层 析中溶质也是通过疏水性相互作用分配于固定相表面。但是反相层析固定相表面完全被非极 性基团所覆盖，表现出强烈的疏水性，必须采用极性有机溶剂（如甲醇、乙腈等）或水溶液 进行溶质的洗脱分离，多采用降低流动相极性（水含量）的线性梯度洗脱法。反相层析主要用于相对分子量较小

12、的蛋白质的分离纯化。其中运用最广泛的是反相液相 色谱。Boyes等报道了用连续RPLC对细菌原液中的重组人淀粉状蛋白前体多肽片段进行分 离9。3.4 亲和层析许多生物活性物质具有与其他某些物质可逆结合的性质，生物物质的这种 结合能力成为亲和力。生物亲和力具有高度的特异性，即一种生物物质只能与另一种特定的 物质结合。亲和层析是将有亲和力吸附作用的物质分子（配基）偶联在固体介质（载体）上 作为固定相，用以分离纯化目的蛋白的方法。亲和层析具有高度的选择性、分辨率和载量优的特点，只需要一步处理便可从一个混杂 有多种高浓度无关蛋白质的复杂材料中纯化出少量的目的蛋白，纯化系数可达数千倍，回收 率很高，并且

13、对纯化物有浓缩效果，是分离纯化蛋白质的有力工具。根据配体与生物大分子之间相互作用体系的不同，可以把亲和层析分为以下四种类型。3.4.1. 生物亲和层析利用自然界中存在的生物特异性相互作用物质对的亲和层析。典型的物质对有酶-底物、 酶-抑制剂、激素-受体等。陈嫚用交联琼脂糖为载体,三聚氯氰为活化剂,刺桐胰蛋白酶抑制 剂为配基,制备亲和填料， 再用此亲和填料吸附重组人组织型纤溶酶原激活剂突变体( reteplase，r-PA )，得到高纯度的 r-PA10 。林敏等将编码有一个血吸虫谷胱甘肽 S 转 移酶(GST)基因的pGEX表达载体与重组基因进行融合表达，其表达产物易为GSTrapTM亲和层

14、析柱中的 GST 单体特异性吸附, 洗脱, 浓缩后经 5%NaHCO3 特殊处理而获得高纯度的重组融合 蛋白11。GST柱具有纯化条件温和、蛋白回收率高的优点，但它的非特异性吸附过高，如对 纯度要求不高时， 可作为较好的选择。3.4.2. 免疫亲和层析利用抗原抗体中的一方为配体，亲和吸附另一方的分离系统，称免疫亲和层析。许多典 型的亲和层析纯化蛋白质的过程已经使用了单克隆抗体作为亲和配体。目前，利用抗体-抗原 模式，有可能得到每一种目标蛋白的单抗，然后以单抗为配基，通过亲和层析技术分离纯化重 组蛋白。此种方法的纯化倍数、活性回收率非常高。FLAG融合标签是由八个氨基酸(AspTyrLysAsp

15、AspAspAspLys)组成的短肽，专门设计用 于重组蛋白质的免疫吸附纯化。利用FLAG融合标签可以建立一个基于融合多肽的高效检测 和纯化系统。 FLAG 标签结构短小，且与融合蛋白质之间含有一个肠激酶切割位点，可以通过 肠激酶切割被除去。现已发展出了 Ml、M2和M5三种抗-FLAG单克隆抗体,FLAG融合抗原标 签技术已经广泛用于重组蛋白质的纯化12。陈登鸿就用单克隆抗体亲和层析一步纯化重组人生长激素13。3.4.3. 固定化金属离子亲和层析利用金属离子的络合物或形成螯合物的能力吸附蛋白质的分离系统。目的蛋白质表面裸 露的供电子氨基酸残基，如组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的巯基和色氨酸的吲哚基

16、，十分有利于 蛋白质与固定化金属离子结合。洗脱时，通过改变pH,加竞争的螯合试剂等方法，依据各蛋 白组分与介质的亲和程度不同将目标蛋白与杂蛋白分离。这是固定化金属离子亲和层析用于 蛋白质分离纯化的根据。已发现金属离子如锌离子和铜离子能很好地与组氨酸的咪唑基及半 胱氨酸的巯基结合。金属离子亲和层析具有分辨率高选择性好的特点，给分离蛋白质带来了 很大方便。冉波等利用镍离子亲和层析纯化获得带有六聚组氨酸尾的口蹄疫病毒VP1epi重组蛋白 14。张怀等人以 Ni2+-IDA-Sepharose Fast Flow 为层析介质， 在变性条件下以咪唑和 pH 洗脱方式对Hepcidin(铁调素)融合蛋白进行纯化,纯化后的融合蛋白纯度大于95 %,而且不 含咪唑， 有利于下一步铁调素的制备15。金属螯合亲和层析的另一个优点是层析过程既可 以在常规的非变性条件下进行纯化又可以应用于含6mo