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2014 Journal of Biotechnology:
世界上第一个用翻译暂停序列理性重设计法优化成功的药用蛋白质CVN

基因工程的基本原理是将外源基因克隆进工业表达系统内（如细菌、酵母、昆虫细胞或哺乳动物细胞等），使其大量表达这一蛋白质。这种方法所生产出来的蛋白质通常称为“重组蛋白”。有一些蛋白质能用这种方法大批量生产，例如胰岛素，造福千家万户。重组蛋白的市场增长迅猛，据权威机构估计，至2015年全球药用重组蛋白市场高达1560亿美元，且以每年20%的速度增长。

但是，蛋白质外源表达常见的问题是很难得到可溶性、有功能的蛋白质，这是因为蛋白质的折叠（三维空间结构）出现错误。许多应用价值极高的蛋白质因而无法有效大量生产。事实上，大部分有药用或工业化价值的蛋白质或酶类在大肠杆菌中难以获得可溶性表达，更遑论高效表达。解决这一难题将对医药界和工业界带来重大的影响，例如未来重组人血清白蛋白、重组凝血因子等制品完全有可能上市，从而摆脱对人血的依赖，产品更可控、更安全；合成生物学将可以转入更多代谢酶类已完成我们所需要的代谢途径，低成本、环保地生产出大宗化学品。

为了解决蛋白质折叠错误问题，人们有很多传统的优化方法，例如包涵体复性、质粒载体改造、宿主菌改造、发酵条件优化等。这些方法对一些蛋白质可以取得一定的效果，但都有副作用，通用性一般，而且对大多数蛋白质都没有什么显著的作用。

2009年，张弓博士等人发表论文，更新了1972年诺贝尔化学奖理论“安芬森原则”，指出氨基酸序列并不足以保证蛋白质的正确折叠，翻译过程中的暂停是指导蛋白质折叠的重要因素。既然翻译暂停错误会导致蛋白质错误折叠，那么我们使用翻译暂停序列理性重设计方法，优化翻译暂停，就可能促使蛋白质正确折叠，从而可溶性表达，具备生物活性。这种策略的独特优势在于，它可以不改变蛋白质氨基酸序列，也可以不改变诱导表达条件，和传统优化方法毫不冲突，可以联合使用。

我们首先优化一个来源于蓝藻的蛋白，蓝藻抗病毒蛋白-N (Cyanovirin-N, CVN)。CVN 是一种来源于蓝藻的蛋白质，具有极佳的抗HIV、流感病毒等广谱抗病毒活性，临床应用价值很高。然而其难以用各种工程表达系统尤其是工程细菌高效异源表达，不是表达量极低就是折叠错误生成包涵体而无功能，导致其自1996年被发现以来，迟迟无法实用化。

我们分析了其结构，对其编码基因的某些密码子进行了有针对性的修改，使得其氨基酸序列不变，而翻译速度在某些区段减慢。在相同的诱导表达条件下，优化过后的CVN可溶性表达量提升了超过2000倍。这是世界上第一个用翻译暂停序列理性重设计法优化成功的药用蛋白质。

这一蛋白的突破，为蛋白质外源表达的可溶性优化开辟了一条全新的道路。许多优秀的药用或工业蛋白质可望用这种方法高效生产，带来可观的社会效益和经济效益。

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