無細胞表達解鎖膜蛋白功能研究新視野

更新時間：2026-04-22 點擊次數(shù)：370

人類基因組編碼的所有蛋白質(zhì)中，其中30%是膜蛋白并且膜蛋白占藥物靶點的60%以上^[1]。膜蛋白廣泛存在于細胞膜和細胞器上，是生命活動的核心調(diào)控者[2]。膜蛋白失調(diào)會引發(fā)多種疾病，所以膜蛋白成為許多藥物開發(fā)的靶點^[2]。

一、膜蛋白主要承擔以下幾類功能

物質(zhì)運輸功能：比如離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白以及營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運等，膜蛋白是維持細胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵機制。
信號轉(zhuǎn)導：受體類蛋白（比如GPCR）負責接收細胞外信號并向細胞內(nèi)傳遞，GPCR是上市藥物目標中占比最高的一類^[1-2]。
細胞識別與粘附：膜蛋白可以介導免疫識別、細胞間連接和組織分布^[1]。
酶活性以及結(jié)構(gòu)支撐功能：膜蛋白自身具有酶功能同時會參與維持細胞骨架連接、膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定^[4]。

圖1：七次跨膜（7TM）受體信號傳導

Seven-transmembrane receptors. Nat Rev Mol Cell Biol. 2002

二、膜蛋白合成遇到的挑戰(zhàn)

膜蛋白因疏水性、多跨膜結(jié)構(gòu)域以及折疊復(fù)雜度，被認為是最難表達的一類蛋白，其結(jié)構(gòu)解析是結(jié)構(gòu)生物學長期面臨的核心難題。

1、在細胞體系中表達成功率低

由于跨膜結(jié)構(gòu)域有很強的疏水性，所以在細胞內(nèi)容易導致蛋白錯誤折疊或者聚集。而且許多膜蛋白對細胞有毒性，會直接導致宿主細胞死亡^[5]。所以會導致大多數(shù)膜蛋白在細胞體系內(nèi)難以高效表達。

2、正確的構(gòu)象依賴磷脂雙分子層

大多數(shù)膜蛋白只有依賴天然的膜結(jié)構(gòu)才能正確折疊，但是傳統(tǒng)細胞表達系統(tǒng)難以精準提供這些環(huán)境^[6]。

3、去垢劑篩選困難，純化成本較高

不同膜蛋白對去垢劑的偏好不同，需要大量實驗篩選，并且純化過程中容易破壞折疊狀態(tài)^[5]。

4、穩(wěn)定性差、純度低

膜蛋白穩(wěn)定性差，聚集性強，是結(jié)構(gòu)研究的最大瓶頸之一。

三、無細胞蛋白表達技術(shù)：膜蛋白研究的破局點

無細胞蛋白表達技術(shù)( CFPS)可以在體外環(huán)境中直接合成蛋白質(zhì)，具備開放性、無毒性限制等特點，被認為是解決膜蛋白表達難題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

無細胞毒性

無細胞表達技術(shù)不涉及細胞內(nèi)環(huán)境，所以不受細胞毒性的影響，可以表達對宿主有毒性的通道蛋白或者跨膜蛋白。

2、可添加去垢劑、納米盤等輔助折疊

可以合成接近天然膜的折疊環(huán)境，顯著提升膜蛋白的表達量、成功率和功能活性。

3、開放性體系、可控性高

4、可實現(xiàn)快速構(gòu)建和篩選

適合突變體篩選和高通量蛋白功能篩選平臺。

圖2：無細胞系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)流程圖

四、珀羅汀無細胞蛋白表達系統(tǒng)為膜蛋白突破性研究助力

珀羅汀生物基于自主開發(fā)的無細胞蛋白表達體系，已構(gòu)建了從試劑盒到一站式膜蛋白表達服務(wù)的產(chǎn)品體系。通過在表達反應(yīng)中引入納米盤、去垢劑等折疊輔助因子，能夠有效提升多跨膜受體、轉(zhuǎn)運體、離子通道等難表達膜蛋白的可溶性與功能性獲得。公司已在多種膜蛋白項目中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)研究級別的表達量與活性，顯著縮短科研客戶從“基因 → 功能蛋白"的研發(fā)周期。

未來，隨著納米盤輔助折疊、非天然氨基酸標記、自動化高通量篩選等技術(shù)持續(xù)迭代，珀羅汀無細胞平臺將進一步擴大在膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學、抗體藥物發(fā)現(xiàn)、新靶點驗證等方向的應(yīng)用范圍，為科研與藥物研發(fā)提供更高成功率、更短周期、更高確定性的膜蛋白解決方案。

[1] Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL. How many drug targets are there?. Nat Rev Drug Discov. 2006;5(12):993-996.

[2] Venkatakrishnan AJ, Deupi X, Lebon G, Tate CG, Schertler GF, Babu MM. Molecular signatures of G-protein-coupled receptors. Nature. 2013;494(7436):185-194.

[3] Pierce KL, Premont RT, Lefkowitz RJ. Seven-transmembrane receptors. Nat Rev Mol Cell Biol. 2002;3(9):639-650.

[4] White SH, Wimley WC. Membrane protein folding and stability: physical principles. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 1999;28:319-365.

[5] Seddon AM, Curnow P, Booth PJ. Membrane proteins, lipids and detergents: not just a soap opera. Biochim Biophys Acta. 2004;1666(1-2):105-117.

[6] Corradi V, Mendez-Villuendas E, Ingólfsson HI, et al. Lipid-Protein Interactions Are Unique Fingerprints for Membrane Proteins. ACS Cent Sci. 2018;4(6):709-717.