選擇合適的蛋白表達系統(tǒng)是重組蛋白成功表達的關鍵。需要考慮以下方面的因素，包括：目標蛋白性質(zhì)、用途、蛋白質(zhì)產(chǎn)量和成本。此外，許多蛋白質(zhì)表達項目也存在著風險，尤其是大蛋白、膜蛋白、核蛋白和具有大量翻譯后修飾的蛋白質(zhì)。
目前卡梅德生物可以提供幾種表達系統(tǒng)可供客戶選擇，不同的系統(tǒng)有不同的特性和應用。在這里，我們將介紹四種常用于研究和工業(yè)級別的表達系統(tǒng)。即：細菌表達系統(tǒng)、酵母表達系統(tǒng)、桿狀病毒表達系統(tǒng)和哺乳動物表達系統(tǒng)。
 
1. 原核表達系統(tǒng)
大腸桿菌表達系統(tǒng)是最主要也是最成熟的表達系統(tǒng)。主要方法是將目標DNA片段導入宿主細胞。然后用IPTG誘導蛋白表達。
大腸桿菌表達系統(tǒng)作為最早開發(fā)和應用最廣泛的經(jīng)典表達系統(tǒng)，具有遺傳背景清晰、選育快、成本低、表達量高、產(chǎn)品純化容易、穩(wěn)定性好、抗污染能力強、應用范圍廣等優(yōu)點。然而，在原核表達系統(tǒng)中也存在許多缺點：例如并非所有的蛋白質(zhì)都是可溶的。細胞質(zhì)中錯誤折疊的蛋白質(zhì)能形成稱為包涵體的不溶性聚集物，這導致了蛋白難以純化。此外，原核表達系統(tǒng)的翻譯后修飾過程不完善，表達產(chǎn)物的生物活性較低。
因此，其他更復雜的系統(tǒng)也正在開發(fā)中；這些系統(tǒng)可能允許以前認為在大腸桿菌中不可能表達的蛋白質(zhì)的表達，例如糖基化蛋白質(zhì)。
2. 酵母表達系統(tǒng)
酵母表達系統(tǒng)作為一種新的外源蛋白表達系統(tǒng)，具有原核和真核表達系統(tǒng)的優(yōu)點。它在基因工程領域得到了廣泛的應用。1996年對釀酒酵母全基因序列進行了測序。釀酒和面包行業(yè)使用釀酒酵母已有數(shù)千年的歷史，被認為是不產(chǎn)生毒素的GRAS（一般公認為安全的）生物，也被FDA認可。因此，酵母系統(tǒng)表達的產(chǎn)物不需要進行大量的宿主安全性實驗。然而，與新的酵母系統(tǒng)相比，釀酒酵母表達系統(tǒng)不適合于高密度培養(yǎng)，缺乏強有力和嚴格的調(diào)控啟動子。分泌效率低。尤其是分子量大于30kD的許多靶蛋白幾乎不分泌。
后來，人們開發(fā)了裂變酵母和甲醇酵母表達系統(tǒng)。其中，甲醇酵母表達系統(tǒng)是應用最廣泛的酵母表達系統(tǒng)。目前，甲醇酵母主要有H多晶型、博迪念珠菌和畢赤酵母。畢赤酵母是最受歡迎的工具。大多數(shù)甲醇酵母含有甲醇酵母氧化酶基因-1（AOX1），外源基因在啟動子（paox1）作用下表達，PAOX1是以葡萄糖或甘油為碳源的強啟動子，AOX1基因在甲醇酵母中的表達通常受到抑制。當甲醇為唯一碳源時，PAOX1可以被活化，因此，在該基因的控制下，AOX1基因的表達可以增加。利用甲醇酵母來表達外源蛋白的產(chǎn)量通?？蛇_到克級別。與釀酒酵母相比，其翻譯更接近哺乳動物細胞，不發(fā)生高糖基化。
 
3. 昆蟲桿狀病毒表達系統(tǒng)
昆蟲表達系統(tǒng)是一種廣泛應用的真核表達系統(tǒng)，具有翻譯和修飾類似于高等真核生物的外來蛋白質(zhì)的能力。重組桿狀病毒在昆蟲細胞系統(tǒng)中表達外源蛋白是一種較為流行的表達方法。蛋白質(zhì)含量可達1~500mg/L，但受到培養(yǎng)基、供氧量、對數(shù)生長等多種因素的限制和影響。
桿狀病毒是已知的昆蟲病毒中最大的一類，是最早、研究最多、最適用的昆蟲病毒。桿狀病毒基因組是一個80-160kb大小的單封閉環(huán)狀雙鏈DNA分子。它的基因組可以在昆蟲的細胞核中復制和轉(zhuǎn)錄。DNA復制被組裝在桿狀病毒的樹皮中，具有很大的靈活性，可以容納大量的外來DNA插入片段。它是表達DNA大片段的理想載體。
桿狀病毒系統(tǒng)的主要優(yōu)點包括：
* 重組蛋白具有蛋白質(zhì)正確折疊和二硫鍵等完整的生物學功能；
* 翻譯后的修飾；
* 高表達水平，高達總蛋白量的50%；
* 適應大片段插入蛋白；
* 可同時表達多種基因。
主要的缺點是外源性蛋白表達受到病毒啟動子的控制較緩慢，使得細胞由于病毒感染而開始死亡。
昆蟲表達系統(tǒng)通常用于膜蛋白的生產(chǎn)，盡管糖基化可能與脊椎動物中發(fā)現(xiàn)的不同。一般來說，使用它比使用哺乳動物病毒更安全，因為它的宿主范圍有限，不經(jīng)修飾就不會感染脊椎動物。
 
4. 哺乳動物表達系統(tǒng)
哺乳動物細胞中表達的重組蛋白通常使用質(zhì)粒轉(zhuǎn)染和病毒載體感染。穩(wěn)定的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細胞株需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間，而病毒載體可以在幾天內(nèi)迅速感染細胞。
根據(jù)蛋白質(zhì)表達的時空差異，表達系統(tǒng)可分為瞬時表達系統(tǒng)、穩(wěn)定表達系統(tǒng)和誘導表達系統(tǒng)。瞬時表達系統(tǒng)是指宿主細胞在沒有選擇壓力和外源載體的情況下，隨著細胞分裂而使得表達逐漸喪失。靶蛋白表達持續(xù)時間短。瞬態(tài)表達系統(tǒng)的優(yōu)點是實驗周期短、簡單。穩(wěn)定的表達系統(tǒng)意味著載體DNA在宿主細胞內(nèi)長時間穩(wěn)定的復制和表達。由于選擇阻力和壓力步驟的需要，穩(wěn)定表達相對耗時費力。誘導表達系統(tǒng)是指靶基因在外來小分子誘導下開始表達。使用異源啟動子、增強子和可擴增的遺傳標記可以增加蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。
哺乳動物表達系統(tǒng)在蛋白質(zhì)起始信號、加工、分泌、糖基化方面具有獨特的優(yōu)勢，適用于表達完整的大分子。
哺乳動物細胞產(chǎn)生的外源蛋白，與天然蛋白相近，其活性遠遠高于原核生物表達系統(tǒng)或酵母、昆蟲等真核表達系統(tǒng)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。該技術的缺點是工藝復雜、要求高、產(chǎn)量低，有時還存在病毒感染。
所有這些表達系統(tǒng)都有優(yōu)缺點。大腸桿菌和酵母表達系統(tǒng)的優(yōu)點是表達水平高、成本低，但它們的修飾系統(tǒng)不同于昆蟲細胞和哺乳動物細胞；哺乳動物細胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與天然蛋白質(zhì)相似，但缺點是表達水平低，操作復雜。不同表達系統(tǒng)產(chǎn)生的重組蛋白的生物學活性和免疫原性有時因翻譯后加工的轉(zhuǎn)移而不同。因此，在考慮選擇哪一種表達系統(tǒng)時，需要考慮多種因素，如靶蛋白是否具有毒性、蛋白是否需要生物活性、蛋白是否需要糖基化以及成本效益、產(chǎn)量、純化、安全性等。
 
表1 四種表達系統(tǒng)的簡單比較
分泌蛋白、二硫鍵合蛋白、糖基化蛋白 膜蛋白、大分子量蛋白、病毒疫苗、信號蛋白、細胞因子、激酶 復雜的真核蛋白、質(zhì)需要精確的PTM蛋白