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Prokaryotic Expression and Application of Recombinant Human Serum Albumin

人血白蛋白的原核表达及应用



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第11期
人 血 清 白 蛋 白(Human Serum Albumin,HSA)
是人血浆中最丰富的蛋白成分,占血浆总蛋白的
60% 。成熟人血清白蛋白为一种含 585 个氨基酸的
单链、无糖基化的可溶性单体蛋白,主要由肝细胞
合成,分泌进入血液循环系统,具有维持血浆胶体
渗透压、营养和运输等重要的生理功能[1]。临床上
收稿日期 :2013-05-12
作者简介 :李向茸,女,硕士研究生,研究方向 :生物制品的研发与质量控制 ;E-mail :491753586@qq.com
通讯作者 :马忠仁,男,博士,教授,研究方向 :病原生物学与动物疫病防治 ;E-mail :mazhongren@xbmu.edu.cn
人血白蛋白的原核表达及应用
李向茸1,3  冯若飞1,2  谢晶莹3  田伟3  杨妍梅3  王丹3  马忠仁2
(1. 西北民族大学生物工程与技术国家民委重点实验室,兰州 730030 ;2. 甘肃省动物细胞工程技术研究中心,兰州 730030 ;
3. 西北民族大学生命科学与工程学院,兰州 730030)
摘 要 : 旨在构建人血白蛋白(HSA)基因的原核表达载体 pGEX-4T-1-rHSA,诱导表达后纯化重组 HSA 蛋白,制备多克
隆抗体并对其进行鉴定。根据 GenBank 发表的 HSA(NM_000477.5)的核苷酸序列设计合成 1 对特异性引物,以人胚肺二倍体细
胞的总 RNA 为模板,利用 RT-PCR 扩增 HSA 基因,将其克隆至 pGEX-4T-1 载体,构建重组原核表达质粒 pGEX-4T-1-rHSA,经
PCR、酶切及测序鉴定正确后转化大肠杆菌 BL21(DE3),进行 IPTG 诱导表达,表达产物经变性、复性、亲和层析纯化后作为免
疫原制备多克隆抗体,应用间接 ELISA 和 Western-blot 方法对所得抗体进行检测。结果表明,重组蛋白主要以包涵体的形式存在,
分子质量为 92 kD ;重组蛋白具有良好的反应原性和免疫原性 ;应用其制备的抗血清效价达到 1∶100 000 ;纯化的多克隆抗体与血
源人血清白蛋白和重组人血白蛋白均能产生特异性结合,具有良好的生物学活性。
关键词 : 人血清白蛋白 原核表达 包涵体 多克隆抗体
Prokaryotic Expression and Application of Recombinant
Human Serum Albumin
Li Xiangrong1,3 Feng Ruofei1,2 Xie Jingying3 Tian Wei3 Yang Yanmei3 Wang Dan3 Ma Zhongren2
(1. The Key Bio-engineering and Technology Laboratory of Nationality Commission,Northwest University for Nationalities,Lanzhou 730030 ;
2. Gansu Engineering Research Center for Animal Cell,Lanzhou 730030 ;3. Life Science and Engineering College of Northwest
University for Nationalities,Lanzhou 730030)
Abstract:  This study was aimed to express and purify the protein of pGEX-4T-1-rHSA in prokaryocytes and prepare anti-HSA polyclonal
antibody. The HSA gene was amplified from human embryo lung diploid total RNA by RT-PCR, with primers based on the published HSA
(NM_00047.5)sequence in GenBank, then it was cloned into prokaryotic expression vector pGEX-4T-1 to construct a recombinant expression
vector pGEX-4T-1-rHSA. The pGEX-4T-1-rHSA was transformed into E. coli BL21(DE3). The purified expressed protein was injected into
a rabbit and the polyclonal antibody was then prepared, which were identified by the indirect ELISA and Western-blot analysis. Results showed
that the recombinant protein mainly exists in the inclusion body, about 92 kD and it has good reactogenicity and immunogenicity. The ELISA titer
of the antiserum was approximately 1∶100 000. Western-blot analysis revealed that the purified polyclonal antibody against pGEX-4T-1-rHSA
had a specific affinity for natural human serum albumin and the expressed protein.
Key words:  Human serum albumin Prokaryotic expression Inclusion body Polyclonal antibody
广泛应用于治疗因失血、创伤、癌症等引起的休克、
水肿、急性血容量减少和低蛋白血症等[2],此外,
它还是制药工业中不可缺少的辅料,如蛋白的保护
剂和赋形剂[3]、高等真核细胞的培养基等。人血清
白蛋白在临床和生物产品的广泛使用,使其在国内
外有很大市场,生产白蛋白蕴藏巨大商机。
2013年第11期 131李向茸等 :人血白蛋白的原核表达及应用
目前临床应用的 HSA 主要分离自人血液,但由
于血资源缺乏和污染的问题,寻找来源丰富和安全
的人血清白蛋白成了人们的目标[4]。1981 年,Lawn
等[1]首次报道了重组人血白蛋白 cDNA 序列和首次
采用色氨酸(Trp)启动子,色氨酸引导肽及来自质
粒 pBR322 的 Tcr 和 Amp 基因构建了第一个重组人血
白蛋白的表达载体 pHSAI 并在大肠杆菌(E.coli)中
获得了成功表达。此后人们对人血白蛋白的结构和
表达进行了深入的研究,30 多年来,国际上许多实
验室和公司都尝试通过遗传工程开发重组人血白蛋
白(Recombinant Human Serum Albumin,rHSA),目
前已有许多实验室尝试通过各种表达体系开发重组
人血白蛋白,如细菌、真菌、植物以及动物[5-14]。
本研究在大肠杆菌中表达重组人血白蛋白,并制备
其多克隆抗体,旨在为其进一步应用于体外诊断奠
定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 细胞、菌株及质粒 人胚肺二倍体细胞(KMB
细胞)、E.coli DH5α、BL21(DE3)菌株及表达载体
pGEX-4T-1 由西北民族大学生物工程与技术国家民
委重点实验室提供。
1.1.2 主要试剂 RNA 提取试剂盒购自北京天根生
化科技有限公司 ;凝胶回收试剂盒购自 AXYGEN 公
司 ;质粒提取试剂盒购自北京全式金生物技术有限
公司 ;1 kb plus DNA ladder、100 bp DNA ladder 购自
中科瑞泰生物科技有限公司 ;DAB 显色试剂购自北
京中杉金桥生物技术有限公司 ;LA Taq 酶、限制性
内切酶 BamH Ⅰ、EcoR Ⅰ、T4 DNA 连接酶等购自
大连宝生物工程有限公司 ;人血白蛋白购自兰州生
物制品研究所有限责任公司 ;琼脂糖 ARAROSEG-10
购自 GENE 公司 ;IPTG、弗氏完全佐剂及不完全佐
剂均购自 Sigma Aldrich 公司 ;PVDF 膜购自 Solarbio
公 司 ;Mouse Anti-human serum albumin/HRP 购 自
Abcam 公司 ;山羊抗兔 IgG/HRP 购自碧云天生物技
术研究所 ;蛋白分子量 marker 和预染 marker 购自
Bio-Rad 公司 ;其他试剂均由西北民族大学生物工程
与技术国家民委重点实验室提供。
1.1.3 试验动物 健康新西兰 12 月龄雌性大白兔购
自中国农业科学院兰州兽医研究所。
1.2 方法
1.2.1 HSA 基 因 的 扩 增 参 照 GenBank 中 HSA
(NM_000477.5)的核苷酸序列和 pGEX-4T-1 载体序
列,用 Lasergene 软件设计 1 对引物 :上游引物 :5-
cgGGATCCGATGCACACAAGAGTGAGGTTG-3,下游
引 物 :5-ccgGAATTCTAAGCCTAAGGCAGCTTGACT
TGCAG-3(下划线分别为 BamH I 及 EcoR I 酶切位
点),该引物由上海生工生物工程技术有限公司合成,
预期扩增的目的片段大小为 1 755 bp。
复苏 KMB 细胞,传代,参照 RNA 提取试剂盒
说 明 书, 进 行 总 RNA 的 提 取。 用 TIANGEN 的 反
转录系统合成第一链 cDNA,以 cDNA 为模板进行
PCR 扩增,PCR 反应条件为 :94 ℃预变性 5 min ;
94℃变性 30 s,63℃退火 30 s,72℃延伸 60 s,共
循环 35 次 ;72℃延伸 10 min。反应结束后,对 PCR
产物进行 10 g/L 琼脂糖凝胶电泳鉴定。
1.2.2 重组表达载体 pGEX-4T-1-rHSA 的构建 将上
述 PCR 产物和 pGEX-4T-1 质粒分别经 BamH I+EcoR
I 双酶切、胶回收后用 T4 DNA 连接酶进行连接,将
连接产物转化至 E.coli DH5α,挑取菌斑 PCR 阳性克
隆提取质粒进行双酶切鉴定正确后,送上海生工生
物工程技术服务有限公司测序,测序鉴定正确的重
组表达质粒命名为 pGEX-4T-1-rHSA。
1.2.3 重组蛋白的诱导表达及 Western-blot 分析 将
重组质粒 pGEX-4T-1-rHSA 转化 E.coli BL21(DE3),
挑取单个菌落接种于含 50 mg/L 的 Amp+ 的 LB 培养
基。 37℃培养过夜后按10 mL/L接种于新鲜的含Amp+
的 LB 培 养 基 中,37 ℃ 继 续 培 养 至 OD600nm=0.6 时,
加入终浓度为 0.2 mmol/L 的 IPTG,37℃诱导表达 4
h,另一组不加 IPTG 作对照。收集菌体,进行 SDS-
PAGE,用考马斯亮蓝染色,观察蛋白的表达情况。
将上述重组诱导菌进行 SDS-PAGE,蛋白条带
在低温、恒压 60 V 2 h 后被转印到 PVDF 膜上。取
出膜用 50 g/L 脱脂奶粉室温摇床封闭 2 h 后,用
1∶350 Mouse Anti-human serum albumin/HRP, 室 温
摇床反应 2 h,经 PBST 充分洗涤后进行 DAB 显色。
1.2.4 重组蛋白的纯化 在上述的条件下大量诱导
目的蛋白表达,收集菌体,用破菌液(50 mmol/L
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期132
Tris-HCl,100 mmol/L NaCl,2 mmol/L EDTA,0.5%
Triton X-100,1 mg/mL 溶菌酶,1 mmol/L PMSF)重
悬菌体,冰浴条件下超声(功率 300 W,超声 30 s,
间隔 30 s)裂解菌体,离心后分别收集上清和沉淀,
进行 SDS-PAGE 分析重组蛋白。
将超声后的沉淀先用包涵体洗液Ⅰ(50 mmol/L
Tris-HCl,1 mol/L 尿素,10 mL/L Triton X-100)洗涤,
然后用包涵体洗液Ⅱ(50 mmol/L Tris-HCl,2 mol/L
尿素,5 mL/L Triton X-100)洗涤,再用包涵体溶解
液(50 mmol/L Tris-HCl,8 mol/L 尿 素,100 mmol/L
NaCl)溶解。之后对其进行梯度复性,最后经 GST
琼脂糖凝胶 FF 亲和层析进行纯化。
1.2.5 多克隆抗体的制备 选取健康新西兰雌性大
白兔,将纯化的重组蛋白(2 g/L)与等量弗氏完全
佐剂充分乳化,背部皮下、大腿肌肉多点注射,500
μg/只。3 周后将纯化的重组蛋白与等量弗氏不完全
佐剂混合后同法进行加强免疫,以后每 3 周免疫 1
次,共免疫 3 次。最后一次免疫 3 d 后耳缘静脉采血,
应用间接 ELISA 方法检测血清效价。效价符合要求
后颈动脉采血,4℃ 3 000 r/min 离心 15 min 收集多
抗血清,-20℃保存备用。
1.2.6 多克隆抗体的纯化 取 10 mL 上述免疫血清,
加入饱和(NH4)2SO4 至浓度为 20%,去除纤维蛋
白,离心取上清,加入饱和(NH4)2SO4 至终浓度为
50%,去除白蛋白,离心取上清,再加入终浓度为
33% 的(NH4)2SO4 去除类球蛋白,沉淀溶于 PBS
中,透析、离心后的上清液即为粗提的 HSA 蛋白多
克隆抗体。取 NaOH 处理后的 Sephacryl S-300 High
Resolution 装 柱, 用 0.01 mol/L PBS 平 衡 至 pH7.4,
加入硫酸铵粗提免疫球蛋白,用 0.01 mol/L PBS 进行
洗脱并收集峰,经 PEG6000 浓缩后进行 SDS-PAGE,
其余样品 -20℃保存备用。
1.2.7 多抗血清效价的测定 采用间接 ELISA 法进
行多抗血清的效价检测,将人血白蛋白用包被液稀
释后以 1 μg/mL ,每孔 100 μL 包被。加入不同稀释
度的多抗血清为一抗,以非免疫兔血清(1∶100)
为阴性对照,鼠抗 HSA(10 μg/mL)为阳性对照,
HRP 标记的山羊抗兔 / 鼠 IgG 为二抗,进行 TMB 显
色,酶标仪测定各孔的 A450/630 值。以 P/N(待检样
品平均 A 值 / 阴性对照平均 A 值)≥ 2.1 判为阳性,
P/N<2.1 判 为 阴 性( 阴 性 对 照 平 均 A 值 ≤ 0.05 按
0.05 计,>0.05 按实际 A 值计)。
1.2.8 多抗血清的 Western-blot 鉴定 重组蛋白经
SDS-PAGE 电泳后转移至 PVDF 膜上,用 50 g/L 脱脂
奶粉室温封闭 2 h 后,将膜置于 1∶500 稀释的纯化
多抗中,37℃温育 2 h,再与 1∶2 000 稀释的 HRP
标记的山羊抗兔 IgG 反应 2 h,DAB 显色。用市售的
HSA 作为阳性对照,牛血清白蛋白(BSA)作为阴
性对照。
2 结果
2.1 HSA目的基因的克隆
以 KMB 细胞总 RNA 为模板,对含有信号肽的
HSA 基因进行 PCR 扩增,1.0% 的琼脂糖凝胶电泳
结果(图 1)显示,目的基因大小约 1 755 bp,符合
预期结果。
5000
bp
M 1 2
3000
1755
bp
2000
1500
1000
800
M :DNA 分子质量标准 ;1,2 :HSA 的 PCR 产物
图 1 HSA 基因的 PCR 扩增
2.2 重组质粒pGEX-4T-1-rHSA的鉴定
将重组菌斑进行 PCR 验证后挑取阳性菌斑提取
质粒。重组质粒经单酶切及双酶切鉴定,分别得到
与理论值相符的片段(图 2);测序结果进行 blast 比
对,显示插入片段与 NM_000477.5 基因序列同源性
为 100% ;表明重组表达载体 pGEX-4T-1-rHSA 构建
成功。
2.3 重组蛋白的表达
表 达 产 物 的 SDS-PAGE 分 析( 图 3) 表 明,
IPTG 诱导后在 92 kD(包含 26 kD 的谷胱甘肽 S2 转
移酶与 66 kD 的人血清白蛋白)处出现一条染色较
深的蛋白条带,分子质量大小与理论值相符,而未
诱导组在此处无明显条带。
2013年第11期 133李向茸等 :人血白蛋白的原核表达及应用
2.4 重组蛋白的Western-blot分析
将表达的重组蛋白经 Western-blot 分析,在 92
kD 左右可见一条染色较深的蛋白条带,而未诱导组
无特异性条带(图 4),表明目的基因在 E. coli BL21
(DE3)中得到正确表达,表达产物能够与人血清白
蛋白抗体发生抗原抗体特异性结合,具有良好的反
应原性。
2.5 重组蛋白的纯化
超声波破碎后菌体的 SDS-PAGE 结果(图 5)
表明,目的蛋白主要以包涵体的形式存在。包涵体
用溶解液溶解,复性后与 GST 琼脂糖凝胶 FF 结合 2
h,依次洗涤后除去与树脂结合的杂蛋白,最后洗脱
重组蛋白,并进行 SDS-PAGE 分析。
M:DNA 分子质量标准;1:pGEX-4T-1-rHSA PCR;2:pGEX-4T-1-rHSA EcoR I;
3 :pGEX-4T-1-rHSA BamH I+EcoR I
图 2 pGEX-4T-1-rHSA PCR 及酶切鉴定
5000
6000
8000
bp
M1 2 3
3000
4900
1755
bp
2000
1500
66
92
kD
M1 2 3 4 5
250
150
100
75
50
37
25
kD
M :非预染蛋白质分子质量 ;1,2 :未诱导 pGEX-4T-1-rHSA ;3,4 :诱导
pGEX-4T-1-rHSA ;5 :HSA 标准品(变性)
图 3 重组蛋白的 SDS-PAGE 分析
M 1 2
130
100
70
55
kD
M :预染蛋白质分子质量标准 ;1 :诱导 pGEX-4T-1-rHSA ;
2 :未诱导 pGEX-4T-1-rHSA
图 4 重组蛋白的 Western-blot 分析
M 1 2 3 4
250
150
100
75
50
37
kD
92
kD
M :非预染蛋白质分子质量标准 ;1 :超声上清 ;2 :超声沉淀 ;
3,4 :纯化后的蛋白
图 5 重组蛋白的纯化
2.6 多克隆抗体的纯化
将得到的抗血清经(NH4)2SO4 沉淀后 Sephacryl
凝胶过滤,出现了峰Ⅰ、峰Ⅱ(图 6-A)。PEG6000
M 1 2 3
250
150
100
75
50
37
25
50
25
20
kD kD
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00 50
0
0
O
D
28
0n
m
mA
U

ᰦ䰤 min 60 120 180 240
I
II
1.25
1.50
1.75
2.00
B
A
100% Buffer B
M :非预染蛋白质分子质量标准 ;1 :未纯化的兔抗 HSA ;2 :纯化的兔抗
HSA 峰Ⅰ ;3 :纯化的兔抗 HSA 峰Ⅱ
图 6 多克隆抗体的纯化 SDS-PAGE(A)及亲和层析(B)
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期134
浓缩后进行 SDS-PAGE 电泳(图 6-B),峰Ⅱ即为纯
化的兔抗 HSA IgG。
2.7 抗血清抗体效价的检测及Western-blot分析
经间接 ELISA 检测, 多抗血清效价为 1∶100 000。
Western-blot 分析结果(图 7)显示,以重组 pGEX-
4T-1-rHSA 为免疫原制备的多克隆抗体不仅能够识
别重组蛋白,还能与血液来源的 HSA 发生特异性结
合,且与 BSA 无交叉反应。
家兔制备抗 HSA 多克隆抗体,效价可达 1∶105,并
且 Western-blot 分析显示多抗与天然及重组 HSA 均
能发生特异性结合,且与牛血清白蛋白无交叉反应,
表明重组蛋白具有良好的反应原性。此外,考虑到
GST 蛋白本身也具有较强的免疫原性,在今后的研
究中可通过凝血酶、X 因子等切割去除融合蛋白中
的 GST 标签,此蛋白及利用其制备的抗体在人血白
蛋白的体外诊断方面具有广阔的应用前景。
HSA 市场缺口很大,我国研究也较少,且 HSA
及其抗体、检测试剂盒均价格昂贵,本试验制备的
重组人血白蛋白及多抗为非医疗及生产方面如检测、
诊断上替代人源人血白蛋白奠定基础。
4 结论
成功利用 pGEX 系统原核表达重组人血白蛋白,
且表达的重组蛋白具有良好的反应原性和免疫原性,
利用其制备的多克隆抗体具有良好的生物学活性、
较好的特异性。
参 考 文 献
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250
kD kDM 1 2 3
150
100
75
50
37
92
66
M :预染蛋白质分子质量标准 ;1 :HSA 标准品 ;2 :牛血清白蛋白 ;
3 :诱导 pGEX-4T-1-rHSA
图 7 家兔多克隆抗体的 Western-blot 特异性鉴定
3 讨论
人血白蛋白在国际市场上居血液制剂销售额首
位,年销售量 600 t 以上,销售额 30 亿美元左右。
目前使用的 HSA 主要是从人血浆或胎盘血中通过低
温乙醇法(Cohn 法)和柱层析法进行提取制备的。
但此生产途径至少存在两点不足 :(1)血浆和胎盘
来源有限,导致 HSA 生产不足,市场供应紧张;(2)
增加血液传播性疾病的扩散,如艾滋病、肝炎等传
染性疾病。因此,一种产能高、安全性好的 HSA 生
产工艺已成为生物制药行业研究和开发的热点。通
过基因工程生产出来的人血清白蛋白(重组人血清
白蛋白)除了生物活性可以与人源白蛋白相同[15-18],
还具有可以大规模生产,产品不会受病原体的污染
等优点。所以,重组人白蛋白的市场前景将十分广阔。
pGEX-4T-1 原核表达载体是谷胱苷肽巯基转移
酶(GST)融合表达系统,是一种极好的基因表达
和纯化系统,pGEX-4T-1 位于 tac 启动子上,能用化
学方法诱导高效表达产生融合蛋白[19],且表达产物
的纯化十分方便[20]。测序结果比对显示,插入片段
与参考序列同源性为 100%,表达蛋白虽为包涵体
形式但并没有影响其免疫原性,将蛋白纯化后免疫
2013年第11期 135李向茸等 :人血白蛋白的原核表达及应用
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(责任编辑 马鑫)