1.最早應用於的表達系統的是Lac乳糖操縱子，由啟動子lacP + 操縱基因lacO + 結構基因組成。其轉錄受CAP正調控和lacI負調控。 2.lacUV5突變能夠在沒有CAP的存在下更有效地起始轉錄，該啟動子在轉錄水平上只受lacI的調控，因而隨後得到了更廣泛採用。lacI產物是一種阻遏蛋白，能結合在操縱基因lacO 上從而阻遏轉錄起始。乳糖的類似物IPTG可以和lacI產物結合，使其構象改變離開lacO，從而激活轉錄。這種可誘導的轉錄調控成為了大腸桿菌表達系統載體構建的常用元件。 3.tac啟動子是trp啟動子和lacUV5的拼接雜合啟動子，且轉錄水平更高，比lacUV5更優越。
4.trc啟動子是trp啟動子和lac啟動子的拼合啟動子，同樣具有比trp更高的轉錄效率和受lacI阻遏蛋白調控的強啟動子特性。 5.在常規的大腸桿菌中，lacI阻遏蛋白表達量不高，僅能滿足細胞自身的lac操縱子，無法應付多拷貝的質粒的需求，導致非誘導條件下較高地表達，為了讓表達系統嚴謹調控產物表達，能過量表達lacI阻遏蛋白的lacIq 突變菌株常被選為Lac/Tac/trc表達系統的表達菌株。現在的Lac/Tac/trc載體上通常還帶有lacIq 基因，以表達更多lacI阻遏蛋白實現嚴謹的誘導調控。 6.IPTG廣泛用於誘導表達系統，但是IPTG有一定毒性，有人認為在製備醫療目的的重組蛋白並不合適，因而也有用乳糖代替IPTG作為誘導物的研究。另外一種研究方向是用lacI的溫度敏感突變體，30℃下抑制轉錄，42℃開始發揮作用。熱誘導不用添加外來的誘導物，成本低，但是由於發酵過程中加熱升溫比較慢而影響誘導效果，而且熱誘導本身會導致大腸桿菌的熱休克蛋白激活，一些蛋白酶會影響產物的穩定。 7.以λ噬菌體轉錄啟動子PL、PR 構建的載體也為大家所熟悉。這兩個強啟動子受控於λ噬菌體cI基因產物。cI基因的溫度敏感突變體cI857(ts)常常被用於調控PL、PR啟動子的轉錄。同樣也是30℃下阻遏啟動子轉錄，42℃下解除抑制開始轉錄。同樣的，PL、PR表達載體需要以cI857(ts)作為表達菌株，現在更常見的做法是在載體上攜帶cI857(ts)基因，所以可以有更大的宿主選擇範圍。另外一種思路是通過嚴謹調控cI產物來間接調控PL、PR啟動子的轉錄。比如Invitrogen的PL表達系統，就是將受trp啟動子嚴謹調控的cI基因溶源化到宿主菌染色體上，通過加入酪氨酸誘導抑制trp啟動子，抑制cI基因的表達，從而解除強大的PL啟動子的抑制。
8.T7啟動子是當今大腸桿菌表達系統的主流，這個功能強大兼專一性高的啟動子經過巧妙的設計而成為原核表達的首選，尤其以Novagen公司的pET系統為傑出代表。強大的T7啟動子完全專一受控於T7 RNA聚合酶，而高活性的T7 RNA 聚合酶合成mRNA的速度比大腸桿菌RNA聚合酶快5倍——當二者同時存在時，宿主本身基因的轉錄競爭不過T7表達系統，幾乎所有的細胞資源都用於表達目的蛋白；誘導表達後僅幾個小時目的蛋白通常可以佔到細胞總蛋白的50%以上。由於大腸桿菌本身不含T7 RNA 聚合酶，需要將外源的T7 RNA 聚合酶引入宿主菌，因而T7 RNA 聚合酶的調控模式就決定了T7系統的調控模式——非誘導條件下，可以使目的基因完全處於沉默狀態而不轉錄，從而避免目的基因毒性對宿主細胞以及質粒穩定性的影響；通過控制誘導條件控制T7 RNA 聚合酶的量，就可以控制產物表達量，某些情況下可以提高產物的可溶性部分。有幾種方案可用於調控T7 RNA 聚合酶的合成，從而調控T7表達系統。1.噬菌體DE3是lambda噬菌體的衍生株，含有lacI抑制基因和位於lacUV5啟動子下的T7 RNA 聚合酶基因。DE3溶源化的菌株如BL21(DE3)就是最常用的表達菌株，構建好的表達載體可以直接轉入表達菌株中，誘導調控方式和lac一樣都是IPTG誘導。2.另一種策略是用不含T7 RNA聚合酶的宿主菌克隆目的基因，即可完全避免因目的蛋白對宿主細胞的潛在毒性而造成的質粒不穩定。然後用λCE6噬菌體侵染宿主細胞——CE6是lambda噬菌體含溫度敏感突變(cI857ts)和pL/pR啟動子控制T7 RNA 聚合酶表達的衍生株，在熱誘導條件下可以激活T7 RNA 聚合酶的合成。此了噬菌體之外，還可以通過共轉化質粒提供T7 RNA 聚合酶。比如有人用受溶氧濃度控制的啟動子調控T7 RNA 聚合酶合成，據說這比較適合工業化發酵的條件控制。由於T7 RNA 聚合酶的調控方式仍有可能有痕量的本底表達，控制基礎表達的手段之一是培養基外加葡萄糖，有助於控制本底表達水平；之二是採用帶有T7 lac 啟動子的載體——在緊鄰T7 啟動子的下游有一段lacI操縱子序列編碼表達lac 阻遏蛋白(lacI)，lac 阻遏蛋白可以作用於宿主染色體上T7 RNA 聚合酶前的lacUV5 啟動子並抑制其表達，也作用於載體T7 lac 啟動子，以阻斷任何T7 RNA聚合酶導致的目的基因轉錄。pLacI工轉化也是同樣的原理。如果這還不夠，更為嚴謹調控手段還有——在宿主菌中表達另一個可以結合併抑制T7 RNA 聚合酶的基因——T7溶菌酶基因，降低本底。常用的帶溶菌酶質粒有pLysS和pLysE，相容的ori都不會影響後繼的表達質粒轉化，前者表達的溶菌酶的水平要比後者低得多，對細胞生長影響小，而pLysE會明顯降低宿主菌的生長水平，容易出現過度調節，增加蛋白表達的滯後時間，從而降低表達水平。通過幾種不同方法來巧妙調控T7聚合酶合成，T7啟動子發展出了史上功能最強大，最豐富的表達系統。 |
