自然状态下，蛋白的表达翻译需要以宿主为载体，重组蛋白的产生也是需要以表达体系作为载体的。重组蛋白的表达可以在各种不同的体系中完成，包括HEK293，CHO酵母，植物或昆虫细胞系等真核动物细胞或者原核细胞。每种表达系统从不同的角度看都有着各自的优势，比如经济性、易用性以及翻译后的修饰功能等。那么从哪些角度来考虑选择合适的宿主呢？Khan K. H[1]总结了选择合适宿主至少要关注以下几点：
原核和真核动物细胞表达系统之间的主要区别在于基础构造的不同。细菌没有细胞核、内质网或高尔基体，这些都是细胞运输和翻译后修饰的关键要素。相比之下，真核动物细胞就拥有这些细胞器应用于蛋白的合成修饰。可以说，真核细胞拥有更复杂的蛋白表达机制，具有更高的翻译精度（图1和图2）。
大肠杆菌细胞系是最常用的细菌表达系统，具有生长极快、活力旺盛、应用简单等特点，并且细菌很容易使用热休克等方法转染。与真核生物不同，原核细胞的细胞壁以及简单的构造可以承受剧烈的温度变化并在热冲击过程中生存。真核生物就不同了，在高温环境中，真核细胞可能会受到急性永久性损伤，这样就会影响细胞正常的功能，并抑制细胞正常的蛋白表达，甚至会导致细胞的死亡。对于需要翻译后较少修饰的胞质蛋白或者分泌的蛋白是适用于大肠杆菌表达体系的，因为大肠杆菌表达的产品总量相对更多，价格较便宜。但是对于一些跨膜蛋白、糖蛋白以及和细胞膜结合的蛋白就不太适合大肠杆菌的表达体系，这是因为没有内质网等细胞器来促进蛋白结构的正确翻译折叠。因此，如果要表达真核动物的某些类型蛋白时，原核表达体系就失去了它的优势。
图1：大肠杆菌模拟图
真核动物细胞进行蛋白质表达具有明显的优势，即能够产生具有提供天然结构的所有正确翻译后修饰的真核动物蛋白。因此，真核动物细胞进行重组蛋白制造的表达系统能够引入适当的蛋白质折叠、翻译后修饰和蛋白质组装，这对于蛋白质完整的生物活性是非常重要的。
在制药领域，世界上几乎所有的生物制药公司都依赖于使用基于真核动物细胞的稳定细胞系来生产生物制剂。不过真核动物细胞通常比细菌更难处理，因为它们更脆弱。通常真核表达体系总体上产生的产品更少，因此价格可能更昂贵；其次蛋白的修饰发生一般在蛋白翻译期间或蛋白翻译后不久。例如，分泌蛋白会在内质网中生成，因为内质网中有促进蛋白折叠、二硫键生成以及N -连接糖基化酶。另外抗体在分泌之前会通过高尔基体，高尔基体中含有 O-连接的糖基化的酶，保证了分泌蛋白的正常功能。
图2：真核哺乳细胞模拟图
上述可见，选择合适的宿主是非常关键的。原核细胞和真核细胞表达体系应该怎样选择呢？Fernández, F. J.和 Vega, M. C. 建议可以优先使用大肠杆菌作为表达宿主，除非有证据证明要大量生产的蛋白质在另一个系统中表现得更有优势。根据Fernández, F. J.和 Vega, M. C.的统计2013年PUBMED中记录的重组蛋白有超过70%是由大肠杆菌表达，2014年PDB中记录的重组蛋白有超过88%的重组蛋白是由大肠杆菌表达的[2]。
但是，对于治疗性重组蛋白、病毒载体和疫苗生产而言，最主要的平台是真核动物细胞表达系统[3]。它们可以产生复杂的分子蛋白，如单克隆抗体和一些高分子量的治疗性蛋白，与细菌和酵母系统相比，在创建稳定的细胞系时的选择过程比微生物系统要长很多，难度也更大。
真核体系表达--抗体
在表达抗体方面，单功能域的抗体可以在大肠杆菌中成功表达，但不同亚型的全长抗体是不能在大肠杆菌中表达的。这是因为抗体包含多糖分子以及将重链和轻链结合在一起的二硫键等结构。如果没有糖基化或二硫键生成的酶，就无法进行适当的折叠和修饰，即使有正确的DNA也无法正确合成蛋白质。图3举例了蛋白翻译后水解、糖基化、磷酸化的过程。总体而言，相对于原核细胞，真核动物细胞中的抗体表达技术要求更高，该技术的最大优点是抗体将尽可能接近天然结构，从而具有接近天然的结合活性。
图3：蛋白翻译后水解、糖基化、磷酸化示意图
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参考文献：
[1] Khan K. H. (2013). Gene expression in Mammalian cells and its applications. Advanced pharmaceutical bulletin, 3(2), 257–263. https://doi.org/10.5681/apb.2013.042
[2] Fernández, F. J., & Vega, M. C. (2016). Choose a Suitable Expression Host: A Survey of Available Protein Production Platforms. Advances in experimental medicine and biology, 896, 15–24. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27216-0_2
[3] Ergen, N. & Tüfek?i, H. (2022). Mammalian cell lines used in Bioprocessing . Journal of Experimental and Clinical Medicine , 39 (3) , 884-892 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/en/pub/omujecm/issue/72455/1106818
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