浅谈精氨酸在蛋白复性中的作用
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摘要：重组蛋白通常在细菌中以不溶性包涵体的形式表达，精氨酸常被用于透析或稀释重折叠蛋白质的溶剂中，精氨酸能增加蛋白质分泌到周质的产量，并增强蛋白质在储存期间的稳定性。精氨酸这些作用都是源于精氨酸能够抑制蛋白质聚集。
关键词：精氨酸;蛋白复性;蛋白聚集
1 概述
异源蛋白质在大肠杆菌表达时经常形成包涵体（IBs），因此需要将重组蛋白回收后重折叠成有活性的结构。精氨酸广泛用于包涵体重新折叠获得的蛋白质溶剂中[1]，并且对多种化学和物理性质不同的蛋白质有效，精氨酸能通过透析或者稀释诱导蛋白质的重折叠，并且在不溶性蛋白质的重折叠时也使用精氨酸。
2 精氨酸对蛋白质的一些影响
精氨酸对蛋白质具有多种作用。这里我们主要总结了精氨酸在蛋白质折叠，对不容颗粒的增容和蛋白质聚集的影响。这些作用表明精氨酸有助于抑制蛋白质聚集。
2.1 体内和体外重组蛋白质重新折叠
当含有二硫键的异源蛋白质在大肠杆菌的细胞质中表达时，不利的细胞环境中不能形成正确的二硫键，无法形成可溶性功能蛋白，只能形成膜包裹的高密度、不溶性蛋白质颗粒，即包涵体[2]。包涵体不具有生物学活性，形成比较复杂，胞质内蛋白质生成速率快，新生多肽浓度高，无充足的时间进行折叠等都有关系，此外，与宿主菌的培养条件，如培养基成分、温度、pH值、离子强度等因素都会造成包涵体的形成。具有生物学活性蛋白质常以可溶性或分子复合物的形式存在，功能性的蛋白质总是折叠成特定的三维结构型。在体外蛋白质的重折叠中经常使用0.1—2.0M精氨酸溶剂（pH8.0—8.5），精氨酸的作用已经在其他免疫球蛋白和几种白细胞介素蛋白折叠中得到印证[3]。光谱分析不溶性蛋白的重折叠证明了控制耦合氧化型谷胱甘肽和精氨酸的作用导致逐步透析完全重折叠。除此之外精氨酸重折叠解决方案似乎打断了形成二硫键并保持具有游离巯基的部分折叠多肽的溶解度。
2.2 精氨酸对不溶性颗粒的增容
在大肠杆菌中表达时，大多数含二硫键的蛋白质形成坚固的包涵体。然而，不需要二硫键折叠的蛋白质（例如自然表达的细胞内蛋白质）可以在大肠杆菌细胞质中表达为可溶性蛋白质。相反，表达的蛋白质通常分布在可溶性部分和不溶性颗粒中，或仅在不溶性颗粒中发现。这种不溶性颗粒通常称为松散IB或“絮状”IB，其结构与经典IB不同。这种聚集可能是由于表达的蛋白质的过表达或毒性。为了最大化可溶性表达，通常使用两种方法。第一种方法是通过改变培养条件，如温度和培养基，共表达伴侣蛋白，或使用融合系统来改善表达。第二种方法是通过改变裂解条件来改善，一些实验表明[4]0.1—1M精氨酸裂解缓冲液中可溶性蛋白质的量增加，或者，可以用含精氨酸的缓冲液提取细胞裂解后获得的沉淀级分，以回收天然蛋白质，2M精氨酸不是的蛋白质变性剂，并且不會使蛋白质不稳定，而GdnHCl是变性剂，即使在非变性浓度下也会使蛋白质不稳定。某些蛋白质在精氨酸存在时不能很好地重折叠，但是将精氨酸加入到这些蛋白质的重折叠缓冲液，通常会导致蛋白质溶解，随后去除精氨酸透析导致蛋白质沉淀。因此，甚至虽然这些蛋白质没有完全（或正确）折叠，似乎精氨酸保持增加其溶解度。
2.3 抑制蛋白质聚集
精氨酸是最广泛用于防止蛋白质聚集。首次使用精氨酸人组织型纤溶酶原激活剂复性研究。随后，它成功地应用于酪蛋白II的复性，Fab抗体片段、白细胞介素6受体、溶菌酶，人类p53抑癌蛋白[5]等，主要原因认为精氨酸与蛋白质表面芳香族氨基酸侧链的相互作用有助于抑制其聚集。精氨酸对未折叠蛋白质聚集的也有抑制作用，研究表明精氨酸减少了热变性蛋白质的沉淀，即它增加了它们的溶解度。Shiraki等[6]人在8M尿素中溶解羧甲基化的溶菌酶（RCM溶菌酶）时，发现精氨酸（50mM0.5M）大大增加了可溶性RCM溶菌酶的比例，而用甘氨酸或NaCl没有观察到这种增溶作用。
3 结语
用于蛋白质的试剂可分为两种：蛋白质变性剂和稳定剂，而那些效果介于两者之间的化合物常用于蛋白质配制和纯化，这些物质包括温和的洗涤剂和精氨酸等化合物，不会使蛋白质变性，主要是通过抑制蛋白质聚集来稳定蛋白质。但是关于精氨酸抑制蛋白质聚集的机制我们还是不清楚，需要进一步探索。
参考文献：
[1]Achim F.Purification method for proteins，in particular antibodies，utilizing a wash solution comprising arginine at high pH for the affinity chromatography step：US，9663552b2，2017530.
[2]YeX L;Yu D;Wu Y Z，etal.efficient largescale refolding technique for recovering biologically active recombinant human FGF21 from inclusion bodies.International Journal of Biological Macromolecules.2019，135：362372.
[3]Das D，Kriangkum J，NagataL L P，et al.Development of a biotin mimic tagged ScFvantibody against western equine encephalitis virus：bacterialexpression and refolding.J.Virol.Methods 2004，117，169177.
[4]Zhao D W，Liu Y D，Zhang G F，et al.Interaction of arginine with protein during refolding process probed byamide H/D exchange mass spectrometry and isothermaltitration calorimetry.Biochimica et Biophysica Acta.2015，1854：3945.
[5]Stefan B，Silke H，Johannes B，Refolding and structural characterization of the humanp53 tumor suppressor protein，Biophys.Chem.2002，96：243257.
[6]Shiraki K，Kudou M，Fujiwara S，et al.Biophysical effect of amino acids on the prevention of protein aggregation.J.Biochem.2002，132：591595.
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