信號(hào)肽的作用機(jī)制、常見序列和特點(diǎn)及在生物技術(shù)中的應(yīng)用

文章來源公眾號(hào)：純化大師                作者：玉珠隆磁珠

信號(hào)肽是位于蛋白質(zhì)N端的一段短肽，充當(dāng)至關(guān)重要的作用,它能被細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)識(shí)別顆粒（SRP）特異性識(shí)別，從而引導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)靶向至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等膜性結(jié)構(gòu)，并完成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。這一過程是蛋白質(zhì)分泌途徑的起始關(guān)鍵，廣泛應(yīng)用于生物工程中以優(yōu)化蛋白表達(dá)、提高產(chǎn)量并簡(jiǎn)化下游純化。接下來，玉珠隆生物小編將詳細(xì)介紹其作用機(jī)制及常見序列。

一、信號(hào)肽介紹
信號(hào)肽，也稱為信號(hào)序列（Signal Sequence），是一段存在于蛋白質(zhì)肽鏈N端的短肽（通常由1530個(gè)氨基酸殘基組成）。它的主要功能是引導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)到特定的細(xì)胞器或細(xì)胞膜，并最終使蛋白質(zhì)分泌到細(xì)胞外。

核心作用機(jī)制（“郵遞區(qū)號(hào)”理論）：
可以將信號(hào)肽理解為蛋白質(zhì)上的一個(gè)“郵遞區(qū)號(hào)”。其工作流程通常如下：

1.識(shí)別與結(jié)合：在細(xì)胞質(zhì)中，核糖體開始合成蛋白質(zhì)。當(dāng)N端的信號(hào)肽一被合成出來，就會(huì)被一種稱為信號(hào)識(shí)別顆粒（SRP, Signal Recognition Particle） 的核糖核蛋白復(fù)合物識(shí)別并結(jié)合。

2.靶向運(yùn)輸：SRP核糖體新生肽復(fù)合物被引導(dǎo)到細(xì)胞膜（原核）或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（真核）上的SRP受體（又稱停泊蛋白）。

3.易位與穿膜：該復(fù)合物與膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)通道（如SecYEG復(fù)合物 in 原核；Sec61復(fù)合物 in 真核） 結(jié)合。核糖體將新生肽鏈通過這個(gè)通道“推”出膜外。

4.切除與成熟：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)穿過膜后，位于膜另一側(cè)的信號(hào)肽酶（Signal Peptidase） 會(huì)在一個(gè)特定位點(diǎn)（ cleavage site ）將信號(hào)肽從成熟蛋白上精確地切割掉。

5.折疊與釋放：被切除信號(hào)肽的成熟蛋白質(zhì)在腔體內(nèi)或細(xì)胞外正確折疊，最終發(fā)揮功能。而被切除的信號(hào)肽則被其他蛋白酶降解。

主要優(yōu)點(diǎn)（在生物技術(shù)中的應(yīng)用）：
提高蛋白產(chǎn)量：將目的蛋白分泌到胞外，可以避免胞內(nèi)積累對(duì)宿主細(xì)胞造成毒性，從而提高表達(dá)量。

簡(jiǎn)化下游純化：培養(yǎng)基中的成分遠(yuǎn)少于胞內(nèi)裂解液，雜蛋白少，極大簡(jiǎn)化了純化步驟，降低了成本。

促進(jìn)正確折疊：真核細(xì)胞中，分泌到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的蛋白可以在分子伴侶幫助下進(jìn)行正確折疊和二硫鍵形成，提高可溶性蛋白的比例。

獲得天然N端：信號(hào)肽被切除后，成熟的蛋白質(zhì)擁有與其天然狀態(tài)一致的N端氨基酸序列。

二、常用的信號(hào)肽序列
選擇哪個(gè)信號(hào)肽取決于宿主系統(tǒng)（原核/真核） 和目標(biāo)蛋白本身的性質(zhì)，通常需要通過實(shí)驗(yàn)篩選最高效的那個(gè)。

（一）原核表達(dá)系統(tǒng)（主要用于大腸桿菌 E. coli）
原核信號(hào)肽主要引導(dǎo)蛋白質(zhì)穿過細(xì)胞內(nèi)膜到達(dá)周質(zhì)空間或培養(yǎng)基中。
1. PelB（來自歐文氏菌 Erwinia carotovora 的果膠酸裂解酶）
序列：MKYLLPTAAAGLLLLAAQPAMA
特點(diǎn)：在大腸桿菌中非常常用，高效，尤其常用于抗體scFv片段的表達(dá)。

2. OmpA（來自大腸桿菌的外膜蛋白A）
序列：MKKTAIAIAVALAGFATVAQA
特點(diǎn)：是大腸桿菌自身的高效信號(hào)肽，能將蛋白高效分泌到周質(zhì)空間。

3. PhoA（來自大腸桿菌的堿性磷酸酶）
序列：MKQSTIALALLPLLFTPVTKA
特點(diǎn)：也是自身信號(hào)肽，效率很高。

4. MalE（來自大腸桿菌的麥芽糖結(jié)合蛋白）
序列：MKIKTGARILALSALTTMMFSASALA
特點(diǎn)：不僅引導(dǎo)分泌，本身也是一個(gè)常用的親和純化標(biāo)簽。

5. DsbA（來自大腸桿菌的硫氧還蛋白）
序列：MKKIWLALAGLVLAFSASA
特點(diǎn)：引導(dǎo)蛋白到周質(zhì)空間，該環(huán)境有利于二硫鍵的形成，非常適合表達(dá)需要形成正確二硫鍵的蛋白。

6. HlyA（來自大腸桿菌的溶血素A）
序列：MKKVILLAVTMFVAFSVSQA
特點(diǎn)：這是一種特殊的I型分泌系統(tǒng)（T1SS） 信號(hào)，能直接將蛋白從胞質(zhì)分泌到細(xì)胞外培養(yǎng)基中，無需停留在周質(zhì)空間。這對(duì)于需要直接獲得大量分泌蛋白的情況非常有用。

（二）真核表達(dá)系統(tǒng)（酵母、昆蟲細(xì)胞、哺乳動(dòng)物細(xì)胞）
真核信號(hào)肽引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）腔，隨后通過高爾基體進(jìn)一步加工并分泌到胞外。
1. 酵母表達(dá)系統(tǒng)（如畢赤酵母 P. pastoris）
①αfactor（來自釀酒酵母的α交配因子）
序列：MRFPSIFTAVLFAASSALA
特點(diǎn)：這是在畢赤酵母中最常用、最強(qiáng)大的信號(hào)肽。它非常高效，能驅(qū)動(dòng)重組蛋白大量分泌到培養(yǎng)基中。其前導(dǎo)序列較長(zhǎng)，需要經(jīng)過兩次酶切（Kex2和Ste13）才能完全去除。

②PHO1 ( acid phosphatase )
來源：釀酒酵母的酸性磷酸酶。
序列: MALSSTTLLAVLTVASAHA
特點(diǎn)：一種組成型表達(dá)的強(qiáng)分泌信號(hào)，在某些情況下可作為α-factor的替代方案。

③SUC2 ( invertase )
來源：釀酒酵母的蔗糖酶。
序列: MLQSLLFLLFLFSCLSAVSA
特點(diǎn)：另一個(gè)高效的分泌信號(hào)肽。

2. 昆蟲細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)）
桿狀病毒系統(tǒng)使用來自病毒或昆蟲自身的強(qiáng)效信號(hào)肽來驅(qū)動(dòng)高水平蛋白分泌。
①.gp67 Signal Peptide
來源：苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒（AcMNPV）的包膜糖蛋白gp67。
序列: MKLSLVAAMLFTATLAHA
特點(diǎn)：這是桿狀病毒系統(tǒng)中最常用、最高效的信號(hào)肽之一，能實(shí)現(xiàn)高水平分泌表達(dá)。

②Honey Bee Melittin Signal Peptide
來源：蜜蜂蜂毒肽前體。
序列: MKFLVNVALVFMVVYISYIYA
特點(diǎn)：同樣是一個(gè)非常強(qiáng)效的分泌信號(hào)，在許多商業(yè)載體中常見。

3. 哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（如HEK293, CHO細(xì)胞）
哺乳動(dòng)物細(xì)胞的信號(hào)肽通常來源于本身高水平分泌表達(dá)的天然蛋白。
①Immunoglobulinκ(Igκ) Light Chain Signal Peptide
來源：免疫球蛋白κ輕鏈。
序列: METDTLLLWVLLLWVPGSTGD 或 MDMRVPAQLLGLLLLWLPGARC
特點(diǎn)：非常通用和可靠，是哺乳動(dòng)物表達(dá)載體中最常見的信號(hào)肽之一。它能高效引導(dǎo)抗體和多種其他重組蛋白的分泌。

②Human Serum Albumin (HSA) Signal Peptide
來源：人血清白蛋白。
序列: MKWVTFISLLFLFSSAYS
特點(diǎn)：來源于人體含量最豐富的血漿蛋白，其信號(hào)肽經(jīng)過高度優(yōu)化，效率很高。

③Trypsinogen Signal Peptide
來源：胰蛋白酶原。
序列: MDPNRCMLGTLLLLLTVLTVSHS
特點(diǎn)：另一個(gè)高效的分泌信號(hào)。

④Tissue Plasminogen Activator (tPA) Signal Peptide
來源：人組織纖溶酶原激活劑。
序列: MDAMKRGLCCVLLLCGAVFVSPS
特點(diǎn)：以極其高效的分泌能力著稱，常被用于增強(qiáng)難表達(dá)蛋白的分泌水平。但需注意：其切割效率可能受到下游目標(biāo)蛋白N端序列的影響，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致N端不均一。

⑤Interleukin-2 (IL-2) Signal Peptide
來源：人白細(xì)胞介素-2。
序列: MYRMQLLSCIALSLALVTNS
特點(diǎn)：常用于細(xì)胞因子和免疫相關(guān)蛋白的表達(dá)。 

常見的哺乳動(dòng)物細(xì)胞信號(hào)肽匯總至下表：

三、重要注意事項(xiàng)
1. 切割效率：信號(hào)肽的切割不是100%準(zhǔn)確的。錯(cuò)誤的切割會(huì)導(dǎo)致蛋白N端不均一，可能影響活性和穩(wěn)定性。
2. 上下文依賴性：信號(hào)肽的效率不僅取決于自身序列，還與其引導(dǎo)的目標(biāo)蛋白的第一個(gè)氨基酸密切相關(guān)。有時(shí)需要優(yōu)化信號(hào)肽后的幾個(gè)氨基酸以確保高效切割。
3. 宿主選擇：雖然有些信號(hào)肽具有交叉活性（如某些真核信號(hào)肽在大腸桿菌中也能工作），但最好使用與宿主系統(tǒng)匹配的信號(hào)肽以獲得最佳效果。
4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：沒有一個(gè)信號(hào)肽是萬能的。對(duì)于重要的表達(dá)項(xiàng)目，最好能同時(shí)測(cè)試23種不同的信號(hào)肽，通過實(shí)驗(yàn)確定哪一個(gè)對(duì)您的特定蛋白最有效。