大肠杆菌表达系统中终止密码子优化对重组蛋白纯度的影响研究

摘要：本研究探讨了大肠杆菌表达系统中终止密码子优化对重组蛋白纯度的影响。通过改变终止密码子的类型及其位置，分析了不同终止密码子在翻译终止过程中的作用机制，研究其对蛋白质折叠、纯度和稳定性的影响。研究表明，优化终止密码子的选择可以有效减少杂蛋白的产生，提升目标蛋白的纯度，进而改善重组蛋白的整体质量。该研究为优化大肠杆菌表达系统中重组蛋白的生产提供了有价值的理论支持。

关键词：大肠杆菌；终止密码子；重组蛋白；纯度；蛋白表达；优化

大肠杆菌在重组蛋白的生产中广泛应用，因其生长迅速、培养成本低、表达效率高。然而，重组蛋白的纯度问题一直是限制其应用的关键因素之一。终止密码子的选择与翻译过程中的精确性密切相关，优化终止密码子可能有效减少杂蛋白的生成，从而提高目标蛋白的纯度和质量。终止密码子优化的研究不仅能改进重组蛋白生产的效率，还对蛋白质功能的研究提供了新的思路和技术支持。

一、终止密码子对蛋白表达的影响

（一）终止密码子的种类与翻译终止机制

在大肠杆菌的蛋白表达过程中，终止密码子是决定翻译过程结束的关键元素。常见的终止密码子有UAA、UAG和UGA，这些密码子能通过与释放因子（如RF1和RF2）结合，促使肽链的释放。在大肠杆菌表达系统中，选择不同的终止密码子会影响翻译终止的效率，从而对重组蛋白的质量和纯度产生不同影响[1]。UAA和UAG是常见的终止密码子，而UGA由于其特殊性，通常会导致较高的翻译延续现象，因此需要特别优化。研究表明，终止密码子的选择对翻译后的蛋白质质量和数量具有重要影响。UAA和UAG的翻译终止效率较高，而UGA则容易引起非特异性的翻译延续，导致产生不完全的肽链或异常的蛋白质结构，从而影响目标蛋白的纯度。因此，在重组蛋白表达系统中，选择合适的终止密码子类型，并优化其位置和频率，对提高目标蛋白的纯度至关重要。

（二）终止密码子与蛋白质量的关系

终止密码子的优化不仅能影响蛋白质的纯度，还与蛋白的质量密切相关。蛋白的正确折叠是其功能发挥的前提，错误的终止密码子可能导致错误的氨基酸链释放，形成不完整或错误折叠的蛋白质，这不仅会降低目标蛋白的纯度，还可能导致功能丧失或产生不必要的杂蛋白。通过优化终止密码子的选择，可以减少翻译终止时的错误，保证目标蛋白正确释放，并减少杂蛋白的生成。在某些情况下，翻译的精确性对蛋白折叠的影响尤为显著。例如，对于具有复杂三维结构的重组蛋白，错误的翻译终止可能导致非天然构象的形成，从而降低其功能活性。因此，优化终止密码子的选择，尤其是在翻译终止信号的精确控制上，能够显著提高目标蛋白的质量，减少折叠错误，提高其活性和功能。

二、终止密码子优化对重组蛋白纯度的影响

（一）不同终止密码子对重组蛋白纯度的影响

不同的终止密码子会影响翻译的终止效率及其对杂蛋白的抑制效果。例如，使用UAA作为终止密码子时，能够迅速、高效地完成翻译终止，减少不完全蛋白的产生。而UGA作为终止密码子时，由于其翻译延续效应较强，可能导致产生一些内含子的杂蛋白，影响目标蛋白的纯度。在优化过程中，通过选择最合适的终止密码子类型，可以有效减少杂蛋白的生成，提高目标蛋白的纯度。具体而言，UAA终止密码子较UAG和UGA更为常用，其翻译终止效率高，能够确保在翻译过程中不产生多余的氨基酸链，从而减少了内含子和杂蛋白的积累。相反，UGA的翻译终止效率较低，常常导致一些非特异性蛋白质的产生，影响纯度。因此，优化终止密码子，尤其是选择UAA终止密码子，并调整其频率和位置，能够显著提高重组蛋白的纯度，减少杂蛋白的干扰，从而确保目标蛋白的功能性和稳定性。

（二）终止密码子优化的机制

终止密码子优化主要通过提高翻译终止的精确性和效率，减少内含子的产生，从而提高重组蛋白的纯度。优化终止密码子的一个关键策略是通过使用合适的终止密码子减少翻译中间体的存在。在大肠杆菌中，终止密码子的优化常常涉及改变基因的设计，选择更具效率的密码子类型，并合理安排这些密码子的位置[2]。此外，优化终止密码子还涉及对翻译后修饰的影响。例如，一些终止密码子可能会导致翻译后的蛋白质修饰异常或聚集，影响目标蛋白的纯度。通过合理设计终止密码子的排列，可以减少这些负面效应，保证目标蛋白的高纯度和正确的功能表现。

（三）终止密码子优化的策略

在优化终止密码子时，常见的策略包括：首先，选择翻译终止效率高的终止密码子，如UAA，其翻译终止效率较高，能够确保翻译精确终止。UAA作为终止密码子可以确保在翻译过程中翻译终止的精确性，并有效减少内含子和杂蛋白的生成。其次，通过调整基因编码区域内的密码子频率，使翻译过程更加稳定，减少内含子的产生，避免翻译延续效应。调整密码子频率和设计合理的密码子序列，有助于提高翻译的稳定性和效率，从而减少杂蛋白的干扰。此外，还可以通过引入合适的可调控元件或诱导系统，以实现更加灵活的蛋白表达控制，确保终止密码子在最适当的时间点发挥作用。这些调控元件能够增强目标蛋白的表达系统，进一步提高纯度并减少不必要的翻译产物。在大肠杆菌的重组蛋白生产中，优化终止密码子还可以通过构建合成基因来实现。在构建过程中，通过合理设计终止密码子的类型和排列顺序，可以提高翻译精度，从而进一步提高目标蛋白的纯度并增强其稳定性和功能。

三、终止密码子优化的影响与前景

（一）优化终止密码子的影响

通过终止密码子的优化，大肠杆菌表达系统中的重组蛋白纯度得到了显著提高。优化终止密码子不仅能减少内含子的产生，还能提高翻译的精确性，避免了翻译过程中杂蛋白的生成。此外，通过合理选择合适的终止密码子（如UAA），能够在翻译终止阶段确保蛋白质的完整性，减少目标蛋白的聚集和降解现象。这种优化不仅能提高重组蛋白的质量，还能够提升蛋白的稳定性，从而增强其在后续应用中的效果与可靠性。通过不同终止密码子对纯度的提升，可以为大肠杆菌表达系统中的高效蛋白生产提供理论支持。选择合适的终止密码子不仅优化了目标蛋白的表达水平，还提高了重组蛋白的功能性和应用潜力，特别是在生物医药领域的应用。

（二）未来发展方向

未来，终止密码子的优化策略还可以在不同的重组蛋白表达系统中得到进一步的应用。随着分子生物学技术的不断发展，新的翻译终止控制系统和调控机制将会被开发出来，进一步提高重组蛋白的纯度和生产效率。此外，随着对蛋白折叠机制和翻译后修饰的理解深入，终止密码子的优化还可以与其他蛋白质工程技术结合，如分子伴侣的使用，进一步提高目标蛋白的质量和功能[3]。终止密码子的优化不仅在大肠杆菌表达系统中有广泛应用，在其他微生物或哺乳动物表达系统中同样具有潜在的应用价值，尤其是在生产复杂的生物药物和疫苗等领域。因此，进一步研究和优化终止密码子的选择和排列，将为重组蛋白的高效生产提供更加完善的技术方案。

总结：通过终止密码子优化，大肠杆菌表达系统中的重组蛋白纯度得到了显著提高。优化终止密码子的选择不仅能够提高翻译精度，还能显著减少杂蛋白的生成，提升目标蛋白的质量。选择合适的终止密码子（如UAA）并调整其位置，可以有效提高重组蛋白的纯度，减少翻译过程中的错误。该研究为未来大肠杆菌表达系统中的蛋白生产提供了新的思路和技术支持，并为其他蛋白表达系统的优化提供了参考。

参考文献

[1]吴洋.无细胞蛋白表达系统的高效非天然氨基酸插入研究[D].天津大学，2021.000101.

[2]廖丹妮.大肠杆菌tRNA与终止密码子重设计及其应用研究[D].天津大学，2021.000717.

[3]殷文霞，王为栋，刘晓东，等.利用小泛素蛋白修饰分子融合技术在大肠杆菌 BL21（DE3）中表达重组抗菌肽LLv[J].青岛农业大学学报（自然科学版），2023，40（04）：265-269.