膜蛋白是生命活動中至關(guān)重要的分子，承擔信號轉(zhuǎn)導、物質(zhì)運輸和細胞識別等關(guān)鍵功能。隨著藥物研發(fā)和結(jié)構(gòu)生物學研究的深入，膜蛋白已成為新藥靶點挖掘與機制研究的核心對象。然而，由于其結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差，膜蛋白的表達與純化仍是科研界的難點。這一需求也推動了專業(yè)膜蛋白生產(chǎn)廠家與高品質(zhì)膜蛋白制備服務(wù)的快速發(fā)展。
1. 膜蛋白：生命活動的信號之門
膜蛋白是細胞膜的核心組成部分，負責信號傳遞、分子運輸與細胞通訊，被譽為生命活動的“信號之門”。在生物醫(yī)藥研究中，膜蛋白因直接參與細胞信號調(diào)控與藥物結(jié)合，是藥物發(fā)現(xiàn)與疾病研究中最具價值的靶點之一。據(jù)統(tǒng)計，超過60%的上市藥物靶點為膜蛋白[1]，涵蓋了GPCR、離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白等多個重要家族。膜蛋白的特殊性在于其功能依賴于三維結(jié)構(gòu)和脂膜環(huán)境，這使得其在體外研究、蛋白表達及穩(wěn)定化過程中面臨極大挑戰(zhàn)?？蒲腥藛T往往需要在保持天然構(gòu)象的同時，實現(xiàn)高純度、高活性的表達產(chǎn)物，這對實驗體系的穩(wěn)定性和技術(shù)積累提出了更高要求。
2. 膜蛋白的類型與功能
膜蛋白是細胞膜的重要組成部分，根據(jù)其與膜的結(jié)合方式和結(jié)構(gòu)特征，可分為兩大類：整合型膜蛋白（Integral Membrane Proteins）和外周型膜蛋白（Peripheral Membrane Proteins）。整合型膜蛋白通常穿越脂雙層，含有一個或多個跨膜結(jié)構(gòu)域，是信號傳導、物質(zhì)運輸和受體識別的核心執(zhí)行者；外周型膜蛋白則附著于膜表面，通過與脂質(zhì)或整合蛋白相互作用參與信號復合體的形成、細胞骨架連接以及膜蛋白調(diào)控 [2]。
Figure 1. The Types of Membrane Proteins.
在整合型膜蛋白中，有三個功能家族在科研和藥物開發(fā)中尤為關(guān)鍵。首先是G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），這類蛋白可感知多種外部信號，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)和光信號，并將信息傳遞到細胞內(nèi)部，調(diào)控免疫、神經(jīng)、代謝及心血管等多種生理功能。GPCR也是藥物開發(fā)的核心靶點，約占已批準藥物靶點的三分之一。其次是離子通道（Ion Channels），通過調(diào)控鈉、鉀、鈣等離子跨膜流動，參與神經(jīng)信號傳遞、肌肉收縮和心律調(diào)控，廣泛用于心血管疾病和神經(jīng)疾病的研究與藥物篩選。最后是轉(zhuǎn)運蛋白（Transporters），其主要負責物質(zhì)和離子的跨膜轉(zhuǎn)運，維持細胞穩(wěn)態(tài)，對藥物吸收、分布和外排機制有直接影響，是研究耐藥性和代謝性疾病的重要靶點。
外周型膜蛋白雖然不穿膜，但在細胞信號調(diào)控中同樣不可或缺。例如，它們可作為信號復合物的調(diào)節(jié)因子或骨架蛋白連接點，在受體激活、信號傳遞及膜蛋白定位中起到關(guān)鍵作用。
3. 膜蛋白在科研與藥物開發(fā)中的應(yīng)用
膜蛋白不僅是基礎(chǔ)研究的核心對象，也是現(xiàn)代藥物開發(fā)不可或缺的靶點：
- 抗體藥物研發(fā)
多數(shù)抗體藥物靶點位于細胞膜表面，如免疫檢查點蛋白PD-1、PD-L1、CTLA-4，以及在腫瘤治療中極具價值的HER2、EGFR、Claudin18.2、TROP2等。其中許多為多跨膜結(jié)構(gòu)蛋白，天然構(gòu)象對抗體結(jié)合至關(guān)重要，因此需要高活性、高純度的膜蛋白作為免疫原、篩選材料或功能驗證工具。此外，血液腫瘤領(lǐng)域常見靶點如CD20、CD19、CD22，免疫調(diào)控靶點如OX40、4-1BB、CD47、SIRPα，以及炎癥和病毒相關(guān)靶點如CCR5、CXCR4 等，均依賴穩(wěn)定的膜蛋白樣品進行抗體篩選和親和力驗證。
- 小分子藥物篩選
GPCR、離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白等膜蛋白是最重要的小分子藥物靶點，但其疏水性強、對膜環(huán)境高度依賴，傳統(tǒng)去垢劑體系常導致構(gòu)象改變，從而影響結(jié)合實驗結(jié)果。Nanodisc 技術(shù)通過將膜蛋白重新嵌入類天然脂質(zhì)雙層中，使其以最接近生理狀態(tài)的形式存在，因而廣泛應(yīng)用于小分子高通量篩選（HTS）、配體結(jié)合動力學研究、藥物結(jié)合口袋解析及GPCR-配體耦合機制研究。更多關(guān)于Nanodisc在膜蛋白中的應(yīng)用>>
Nanodisc 尤其適用于β2AR、CCR5、CXCR4、A2A 受體等典型 GPCR，以及 TRP 通道、鈉/鉀/鈣離子通道等靶點，使小分子藥物篩選更加準確和可重復，是近年來膜蛋白藥物發(fā)現(xiàn)的重要技術(shù)趨勢。更多關(guān)于Nanodisc膜蛋白解決方案>>
- 結(jié)構(gòu)生物學與機制研究
膜蛋白是結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)域的重點研究對象。隨著冷凍電鏡（Cryo-EM）的迅速發(fā)展，GPCR、轉(zhuǎn)運蛋白、離子通道等多跨膜靶點的高分辨率結(jié)構(gòu)逐漸被解析。然而，這些研究極度依賴高純度、穩(wěn)定構(gòu)象的膜蛋白樣品。除了Cryo-EM，膜蛋白還廣泛用于SPR/BLI、微量熱泳動（MST）、脂質(zhì)重構(gòu)平臺和復合物組裝分析（如GPCR-G 蛋白復合物、離子通道調(diào)控復合物等）。其中，分析蛋白-蛋白或蛋白主要用于小分子相互作用；微量熱泳動是用于測定膜蛋白-配體結(jié)合常數(shù)；脂質(zhì)重構(gòu)平臺主要是研究膜環(huán)境對蛋白活性的調(diào)控。
與Cryo-EM一樣，這些應(yīng)用對膜蛋白樣品質(zhì)量要求極高。只有高質(zhì)量膜蛋白樣品，才能使研究者能夠深入理解信號通路機制、藥物結(jié)合模式及激活構(gòu)象變化，從而推動結(jié)構(gòu)驅(qū)動藥物設(shè)計（SBDD）的加速發(fā)展。這些應(yīng)用場景凸顯了科研機構(gòu)和藥企對高質(zhì)量膜蛋白表達與制備服務(wù)的迫切需求，為后續(xù)解決方案提供了明確的背景。
4. 膜蛋白研究中的核心挑戰(zhàn)與解決思路
膜蛋白在藥物開發(fā)和生命科學研究中具有不可替代的重要性，但其研究和制備過程中仍存在多重挑戰(zhàn)。首先，膜蛋白結(jié)構(gòu)復雜，多跨膜螺旋和疏水區(qū)域使其在體外表達時易產(chǎn)生折疊錯誤或聚集，導致活性喪失。其次，天然膜環(huán)境對膜蛋白功能至關(guān)重要，傳統(tǒng)可溶性蛋白表達體系往往無法模擬脂雙層環(huán)境，使蛋白穩(wěn)定性和生物活性難以保證。此外，膜蛋白的表達水平普遍較低，純化過程復雜，易受到去垢劑和溶液條件影響，從而降低產(chǎn)率和實驗可重復性。這些問題不僅增加了實驗成本，也延緩了科研進程和藥物開發(fā)進度。所以，如何在保持天然構(gòu)象的前提下獲得高質(zhì)量樣品，成為膜蛋白研究的核心挑戰(zhàn)。
針對這些挑戰(zhàn)，科研團隊和藥企通常采取多種策略。包括選擇適合的宿主表達系統(tǒng)（如哺乳動物細胞或昆蟲細胞）以獲得正確翻譯后修飾；通過優(yōu)化基因序列和表達條件提高產(chǎn)量；結(jié)合去垢劑篩選、納米盤（Nanodisc）或脂質(zhì)體重構(gòu)等技術(shù)保持膜蛋白天然構(gòu)象；并建立嚴格的質(zhì)量控制體系進行活性驗證和結(jié)構(gòu)檢測。但這也需要長時間的摸索，而借助專業(yè)的膜蛋白制備服務(wù)，研究人員可以顯著提升膜蛋白表達與純化的成功率，獲得穩(wěn)定、高活性且可重復的實驗材料，為抗體藥物篩選、小分子藥物開發(fā)和結(jié)構(gòu)生物學研究提供可靠保障。
在這些行業(yè)通用策略不斷發(fā)展的過程中，越來越多的研究機構(gòu)開始探索將多種技術(shù)整合為體系化、可復用的膜蛋白制備流程，以減少試錯成本并提升跨項目的一致性。其中，采用哺乳動物細胞表達 + 納米盤（Nanodisc）重構(gòu)的組合方案逐漸成為趨勢，它既能保持天然構(gòu)象，又能兼容更復雜的GPCR、離子通道等多跨膜靶點。
5. 締碼生物：專業(yè)膜蛋白制備解決方案
締碼生物科技有限公司是一家專注于可成藥靶點臨床前研發(fā)產(chǎn)品和服務(wù)的生物技術(shù)公司。既然聚焦可成藥靶點，那膜蛋白，尤其是多穿膜蛋白的制備難點與挑戰(zhàn)是締碼人不得不翻越的山。也正是基于這些挑戰(zhàn)和應(yīng)用需求，締碼生物經(jīng)過長時間的摸索，成功搭建了基于哺乳動物細胞表達的DiMPro?功能性膜蛋白開發(fā)平臺。該平臺專注于膜蛋白，尤其是多跨膜蛋白的制備，旨在為抗體藥物與小分子藥物研發(fā)提供高質(zhì)量的膜蛋白表達與制備解決方案。對于單穿膜蛋白，主要采取胞外結(jié)構(gòu)域(ECD)融合蛋白表達系統(tǒng)。而針對全長多穿膜蛋白，如GPCR和Claudin系列蛋白，則采用締碼七大全長多跨膜蛋白表達平臺，包括純化膜蛋白平臺和非純化膜蛋白平臺。純化膜蛋白平臺包括：Synthetic Nanodisc、MSP Nanodisc、PeptiNanodisc和去垢劑平臺。非純化膜蛋白平臺包括：MNP(納米膜顆粒)、VLP和外泌體平臺。
締碼生物憑借成熟的膜蛋白表達平臺與豐富的項目經(jīng)驗，現(xiàn)已制備出900+全長膜蛋白，覆蓋GPCR、離子通道等熱門藥靶家族700+靶點，最高穿膜次數(shù)可達24次。同時，締碼生物針對膜蛋白制定了嚴格的質(zhì)量控制體系，會通過SDS-PAGE、SEC-MALS、活性檢測等多維度檢測，確保膜蛋白結(jié)構(gòu)完整與生物學活性。
參考文獻：
[1] Overington JP, et al. How many drug targets are there? Nat Rev Drug Discov. 2006.[2] Lodish H, et al. Molecular Cell Biology. 9th edition, W.H. Freeman, 2021.
[3] Carpenter EP, et al. Overcoming the challenges of membrane protein crystallography. Curr Opin Struct Biol. 2008.
