翻译后处理限制微生物表达系统在生物制药中的应用

▷生物治疗领域中哺乳动物表达系统所占比例不断扩大

最近几年来哺乳动物细胞在治疗类重组蛋白领域所占比例呈线性增加。从 2014 年到 2018 年年中，超过 87% 的真正新上市的生物制药活性成分是蛋白质。其中使用哺乳动物细胞生产的蛋白占84%，(Chinese Hamster Ovary，CHO)中国仓鼠卵巢细胞表达系统应用最为广泛。生物治疗领域的这种激增主要是由于单克隆抗体 (mAb) 的主导地位日益增加，这需要人源化的翻译后修饰。

▷微生物表达系统在部分领域比较有优势

虽然哺乳动物细胞有诸多优点，但是也有相应的缺点。和哺乳动物细胞相比，微生物表达系统也有很多优点：易于使用、功能强大且具有成本效益，这些都是生物制药生产环境中非常理想的特性。因此微生物表达系统在部分领域也获得了较好的应用，比如疫苗、激素、干扰素和生长因子（上图），另外在非药品领域也有着广泛的应用，比如食品和饲料酶制剂。

微生物表达系统

• 成熟表达系统：Escherichia coli, Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris（大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、毕赤酵母）Lactococcus lactis, Pseudomonas spp.Aspergillus niger（乳球菌、假单胞菌、黑曲霉）

• 具有潜力的表达系统：Myceliophthora thermophila（嗜热毁丝霉表达系）  Leishmania tarentolae  Corynebacterium glutamicum （谷氨酸棒杆菌表达系统）Phaeodactylum tricornutum（三角褐指藻） Chlamydomonas reinhardtii（莱茵衣藻表达系统）

▷翻译后修饰（PTM）限制了微生物平台在医药领域的应用发展

翻译后修饰发生在蛋白质合成期间或之后。它们改变了蛋白质的物理化学性质和潜在的活性,是蛋白实现其功能必不可少的步骤。它们的范围从对氨基酸链的小的化学修饰，到在蛋白质主链上添加复杂的分支结构。这些修改可以在形式和功能方面有很大的不同。许多PTM参与代谢交互作用，如磷酸化、糖基化、改善折叠和稳定性（其中糖基化和二硫键起主要作用）、传递亚硝基化和脱氨作用等异常信号。重组蛋白中最常见的PTM是糖基化和二硫键(DSB)形成。执行这些PTM的内生机制如下图所示。虽然存在甲基化和羧化等其他PTM，但糖基化和DSB的形成往往是正确的蛋白质折叠和生物活性所必需的。而微生物表达系统的翻译后修饰功能较差甚至缺少。

▷表达系统的优缺点分析

哺乳动物表达系统

优点：哺乳动物细胞表达系统的优势在于能够指导蛋白质的正确折叠，提供复杂的N型糖基化和准确的O型糖基化等多种翻译后加工功能，因而表达产物在分子结构、理化特性和生物学功能方面最接近于天然的高等生物蛋白质分子。

缺点：难操作、生产成本高，周期长产量低。

微生物表达系统

优点：微生物培养基工业化生产技术比较成熟、易于培养、产量高、生产成本低。

缺点：相对于哺乳动物其翻译后修饰功能较弱、表达产物比较复杂对下游纯化不利。

▷组学、系统生物学的发展提高了微生物表达系统的应用情况

近年来，基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和通量组学等组学工具越来越多地用于扩大我们对细胞生理学和抗逆性的理解，同时改善现有的工业生物技术过程。目前，基因组学提供了有关DNA序列、基因功能、DNA结构和表观遗传学的基本信息，在菌株选育中得到了广泛应用。蛋白质组学、转录组学和代谢组学鉴定细胞的分子表型，并用于监测培养基和过程的发展。采用多组学、比较组学工具能够发现差异、并进一步指导菌株改造和工艺优化。需要指出的是，通过对生物信息学的分析和菌株改造能够有效改善PTM的水平。基于基因组的代谢网络模型能够有效预测细胞的生长和生产，对提高微生物表达系统的表达水平有显著效果。

总之，我们认为微生物表达系统本质上更适合重组蛋白生产，未来的研究和创新将指导它们在制药市场的应用。我们预计CHO的主导地位已经达到顶峰，在接下来的几年里，我们将看到一种以微生物为基础的药物蛋白生产的转变。

参考文献： SECRETERS - European Union’s Horizon 2020 Programme. Microbial protein cell factories fight back? Trends Biotechnol. 2022 May;40(5):576-590.

https://kdocs.cn/l/cdl5LZCtRFmX