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跨膜蛋白研究中必看文章！CFPS引领跨膜蛋白研究的新范式
一、跨膜蛋白研究
跨膜蛋白目前仍然是结构生物学中最具挑战性的靶点之一。它们参与多种生物过程，包括光合作用、呼吸、信号转导、分子转运和催化等。有文章报道，跨膜蛋白占大多数生物体蛋白质组的 20% 至 30%，占药物靶标的 40% 以上。此外，全长跨膜蛋白的研究尤为重要，因为只有完整的三维结构才能真实反映其生物学功能与药物结合特性。
G蛋白偶联受体(GPCRs)、离子通道和转运蛋白等跨膜蛋白家族的异常与癌症、神经系统疾病、心血管疾病等重大人类疾病密切相关。这些疾病机制研究和药物开发都依赖于对全长跨膜蛋白结构的精确解析。例如，大量研究表明5-HT1A 受体（GPCRs超家族成员）与正常焦虑样行为的发展有关，该受体是抗抑郁药（如丁螺-环酮）和抗焦虑药的重要作用靶点。
图1:（A）α-螺旋和β-桶跨膜蛋白的结构；（B）跨膜蛋白示意图：G 蛋白偶联受体 （GPCR）、离子通道、转运蛋白、受体。
【公司案例】：珀罗汀生物推出的全长跨膜5-HT1A受体蛋白（G蛋白偶联受体超家族成员），完整保留天然构象与功能域。5-HT1AR（5-Hydroxytryptamine 1A Receptor）即 5 - 羟色胺 1A 受体，由 HTR1A 基因编码，广泛分布于中枢神经系统（如前额叶皮层、海马、中缝核等）及外周组织（如胃肠道、血管内皮）。其结构包含七次跨膜域、胞外 N 端及胞内 C 端，C 端可与 Gi/o 蛋白偶联，激活后抑制腺苷酸环化酶活性，降低 cAMP 水平，同时调控 Ca²⁺通道和 K⁺通道，介导神经信号传递。
图2：表达条带
二、跨膜蛋白研究的瓶颈
尽管跨膜蛋白研究意义重大，但其表达与纯化一直是结构生物学和药物开发领域的重大挑战。传统细胞表达系统面临几个关键瓶颈：
1.低表达水平：膜蛋白的天然丰度通常太低，无法分离出足够量的物质用于功能和结构研究。在传统的细胞表达系统（如大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞）中，大量表达跨膜蛋白通常是非常困难的。
许多跨膜蛋白的高表达会对宿主细胞产生毒性，且其合成和插入膜的过程复杂，导致表达量极低，难以满足结构研究（如结晶）所需的大量纯化蛋白。
2.溶解性与稳定性问题：跨膜蛋白需要在脂质双分子层中正确折叠，其疏水跨膜区在细胞质中易形成聚集体，导致错误折叠和非功能性蛋白。
3.难以稳定形式纯化蛋白质：表达量低和稳定性问题直接导致了纯化的困难。需要引入亲和标签（如His-tag）并进行多步纯化，整个过程不仅得率低，而且蛋白容易在纯化过程中降解。天然膜环境是通过其脂质组成和理化性质赋予膜蛋白相当大的稳定性。当溶解在去垢剂中时，许多膜蛋白会迅速变性并经常聚集从而无法纯化。
这些限制使得全长跨膜蛋白的研究进展缓慢，许多重要的药物靶点至今无法获得高分辨率结构或足够量的蛋白进行功能研究。
三、无细胞蛋白表达技术的突破性优势
无细胞蛋白表达技术为克服上述瓶颈提供了创新性解决方案：
1.模拟跨膜环境：无细胞系统允许直接添加脂质体、纳米圆盘或去污剂等膜模拟环境，使跨膜蛋白在合成的同时就能进入类膜结构，极大提高了正确折叠率。
2.毒性蛋白的高效表达：由于无细胞系统不受细胞生长限制，可以高效表达对细胞有毒性的跨膜蛋白。
3.灵活调控氧化还原环境：跨膜蛋白二硫键的形成对其稳定性至关重要。无细胞系统可精确调控氧化还原电位，促进二硫键的正确形成，而无需复杂的细胞工程改造。
4.快速筛选表达条件：无细胞系统可实现高通量条件优化，快速筛选最适合特定跨膜蛋白表达的脂质/去污剂组合、分子伴侣和缓冲条件，大幅缩短优化周期。
5.同位素标记简化：对于NMR研究，无细胞系统可轻松实现特异性氨基酸标记，解决了全长跨膜蛋白同位素标记的难题。
图3:体内和体外生产重组膜蛋白的一般策略
四、应用前景与展望
无细胞蛋白表达技术已开始在全长跨膜蛋白研究中展现出巨大潜力。在结构生物学领域，该技术已帮助解析多个难表达GPCRs的全长结构；在药物开发中，实现了膜蛋白阵列的高通量制备用于药物筛选；在合成生物学中，推动了人工膜蛋白的设计与构建。
【公司案例】珀罗汀生物推出的全长跨膜 STING1蛋白（G蛋白偶联受体超家族成员），严格保留天然构象与功能域。 STING1（stimulator of interferon genes 1，GPCRs）是先天免疫信号通路的核心调控因子，其功能异常与多种疾病密切相关：在自身免疫疾病中，STING1突变（如N188H）或UXT缺失可导致I型干扰素过度激活，引发系统性红斑狼疮（SLE）、皮肤血管病变（SAVI）等；在肿瘤中，STING1表达水平与预后呈双向关联，此外，STING1突变或表达水平亦可作为SLE等疾病的诊断标志物及肿瘤预后评估指标。
图4:人 STING1 全长蛋白表达条带
未来，随着无细胞系统与微流控技术、人工智能的进一步结合，全长跨膜蛋白研究将迎来更快速的发展。特别是对于目前尚未攻克的超大分子量跨膜蛋白复合体、高度动态的转运蛋白等"难表达"靶点，无细胞蛋白表达技术可能成为关键突破口。总之，无细胞蛋白表达技术正在重塑全长跨膜蛋白研究的格局，为理解生命基本过程和开发新一代跨膜蛋白靶向药物提供了不可替代的技术支撑。
参考文献：
Schwarz, Daniel et al. “Production of membrane proteins using cell-free expression systems.” Proteomics vol. 8,19 (2008): 3933-46. doi:10.1002/pmic.200800171.
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关于我们
珀罗汀生物于2017年在苏州工业园区成立，是一家专业的无细胞蛋白表达生物技术公司。公司拥有国家高层次领军人才、海归博士等人才组成的专业技术团队，以自主研发独具特色的无细胞蛋白表达技术平台为依托，为广大生物医药、合成生物学等企业、研究机构提供无细胞蛋白表达产品、蛋白原料试剂及定制化服务。
电话：0512-67900128
官网：www.cellfreeprotein.cn
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