在生命科學(xué)研究中，蛋白質(zhì)是最直接執(zhí)行生物功能的分子，而重組蛋白表達(dá)技術(shù)的核心目標(biāo)，就是在體外重建這一分子生成過(guò)程。所謂重組蛋白表達(dá)，是指將目標(biāo)蛋白的編碼DNA引入宿主細(xì)胞，通過(guò)宿主自身的基因表達(dá)體系，將遺傳信息轉(zhuǎn)化為具有確定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的蛋白分子。理解DNA如何一步步變成可用蛋白，是正確認(rèn)識(shí)蛋白表達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)。

從分子層面看，蛋白表達(dá)并不是單一事件，而是一個(gè)由遺傳調(diào)控驅(qū)動(dòng)、由多層生物機(jī)制協(xié)同完成的連續(xù)過(guò)程。其本質(zhì)是外源基因在宿主細(xì)胞中被“當(dāng)作自身基因”來(lái)轉(zhuǎn)錄和翻譯，并最終形成穩(wěn)定的蛋白結(jié)構(gòu)。

一、基因表達(dá)的起點(diǎn)：表達(dá)載體與啟動(dòng)子

重組蛋白表達(dá)的前提，是目標(biāo)基因以合適的形式存在于宿主細(xì)胞中。這一角色由表達(dá)載體承擔(dān)。表達(dá)載體是一類經(jīng)過(guò)工程化設(shè)計(jì)的DNA分子，能夠攜帶目標(biāo)基因并在宿主細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定存在。除了目標(biāo)蛋白的編碼序列外，表達(dá)載體還包含一系列調(diào)控元件，用于控制基因何時(shí)、以何種強(qiáng)度被表達(dá)。

其中最關(guān)鍵的調(diào)控元件是啟動(dòng)子。啟動(dòng)子是RNA聚合酶識(shí)別并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列，其類型直接決定了外源基因是否能夠被轉(zhuǎn)錄，以及轉(zhuǎn)錄的效率水平。在重組蛋白表達(dá)體系中，啟動(dòng)子并不參與蛋白結(jié)構(gòu)本身的形成，但卻從源頭上決定了蛋白生成的“供給能力”。

當(dāng)表達(dá)載體進(jìn)入宿主細(xì)胞后，目標(biāo)基因在啟動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下，具備了被宿主轉(zhuǎn)錄體系識(shí)別的條件。此時(shí)，外源DNA在功能上已經(jīng)融入宿主的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。

二、從 DNA 到 RNA：轉(zhuǎn)錄是表達(dá)的第一道關(guān)卡

蛋白表達(dá)的第一步是轉(zhuǎn)錄，即以DNA為模板合成信使RNA的過(guò)程。在宿主細(xì)胞中，RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域，沿著DNA模板合成與目標(biāo)基因互補(bǔ)的mRNA分子。這一步實(shí)現(xiàn)了遺傳信息從DNA形式向RNA形式的轉(zhuǎn)移。

轉(zhuǎn)錄水平直接影響后續(xù)蛋白表達(dá)的上限。只有當(dāng)足量、結(jié)構(gòu)完整的mRNA被成功合成，翻譯過(guò)程才能持續(xù)進(jìn)行。對(duì)于重組蛋白而言，mRNA的穩(wěn)定性、完整性以及轉(zhuǎn)錄終止的準(zhǔn)確性，都會(huì)影響最終蛋白的產(chǎn)量和一致性。

需要強(qiáng)調(diào)的是，轉(zhuǎn)錄階段并不決定蛋白的結(jié)構(gòu)形態(tài)，但它決定了目標(biāo)蛋白是否有機(jī)會(huì)被“制造出來(lái)”。

三、翻譯機(jī)制：遺傳信息如何轉(zhuǎn)化為多肽鏈

當(dāng)mRNA生成后，蛋白表達(dá)進(jìn)入翻譯階段。翻譯是由核糖體主導(dǎo)的過(guò)程，其本質(zhì)是將mRNA上的密碼子序列轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的氨基酸序列。核糖體從起始密碼子開(kāi)始讀取mRNA，并在轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的協(xié)助下，將氨基酸逐一連接，形成線性的多肽鏈。

這一階段決定了蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)。只要mRNA序列正確、翻譯框架未發(fā)生偏移，生成的多肽在氨基酸組成上是確定的。對(duì)于重組蛋白而言，翻譯機(jī)制本身通常較為保守，但不同宿主在翻譯效率、起始識(shí)別和延伸速率方面存在差異。

值得注意的是，翻譯結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的只是“原始蛋白鏈”，它在空間上仍然是未折疊或部分折疊狀態(tài)，尚不具備完整功能。

四、蛋白折疊：決定“是否可用”的關(guān)鍵步驟

蛋白是否可用，核心并不取決于其序列是否正確，而取決于其是否能夠形成正確的三維結(jié)構(gòu)。新生多肽鏈在細(xì)胞環(huán)境中會(huì)經(jīng)歷折疊過(guò)程，逐步形成穩(wěn)定的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程由氨基酸自身的理化性質(zhì)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)往往依賴分子伴侶系統(tǒng)的輔助。

正確折疊的蛋白通常呈現(xiàn)為可溶狀態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具備明確的功能位點(diǎn)。而折疊異常的蛋白則可能發(fā)生聚集，形成不溶結(jié)構(gòu)，從而失去可用性。因此，“可溶性蛋白”在技術(shù)語(yǔ)境中，常被用來(lái)描述結(jié)構(gòu)相對(duì)完整、適合后續(xù)科研使用的表達(dá)產(chǎn)物。

從原理上講，蛋白折疊并不是額外附加的步驟，而是翻譯后不可分割的一部分。只有當(dāng)折疊順利完成，蛋白表達(dá)過(guò)程才算真正結(jié)束。

五、表達(dá)調(diào)控與功能蛋白形成的關(guān)系

在重組蛋白表達(dá)體系中，表達(dá)調(diào)控并不改變蛋白的氨基酸序列，但會(huì)通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄和翻譯節(jié)律，間接影響蛋白折疊與穩(wěn)定性。表達(dá)速度、表達(dá)時(shí)機(jī)以及細(xì)胞內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，都會(huì)對(duì)新生蛋白的結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生影響。

當(dāng)?shù)鞍淄瓿煞g和折疊，并在細(xì)胞內(nèi)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后，便形成了可用于科研研究的功能蛋白。從技術(shù)定義上看，功能蛋白指的是在體外實(shí)驗(yàn)條件下，能夠保持結(jié)構(gòu)完整并表現(xiàn)出特定分子行為的蛋白實(shí)體。這種行為可以是催化、結(jié)合或結(jié)構(gòu)支持，其基礎(chǔ)始終是穩(wěn)定而正確的空間構(gòu)象。

六、從原理角度理解蛋白表達(dá)的整體過(guò)程

綜上所述，重組蛋白表達(dá)的本質(zhì)，是將目標(biāo)DNA序列置于合適的表達(dá)調(diào)控環(huán)境中，使其依次經(jīng)歷轉(zhuǎn)錄、翻譯和折疊等過(guò)程，最終形成具有確定結(jié)構(gòu)特征的蛋白分子。DNA提供信息，表達(dá)載體提供調(diào)控框架，宿主細(xì)胞則提供完整的分子機(jī)器。