膜蛋白是生命活動中至關重要的分子，承擔信號轉導、物質運輸和細胞識別等關鍵功能。隨著藥物研發(fā)和結構生物學研究的深入，膜蛋白已成為新藥靶點挖掘與機制研究的核心對象。然而，由于其結構復雜、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)膜蛋白生產廠家與高品質膜蛋白制備服務的快速發(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控與藥物結合，是藥物發(fā)現與疾病研究中最具價值的靶點之一。據統(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構和脂膜環(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象的同時，實現高純度、高活性的表達產物，這對實驗體系的穩(wěn)定性和技術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，根據其與膜的結合方式和結構特征，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構域，是信號傳導、物質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)中尤為關鍵。首先是G蛋白偶聯受體（GPCRs），這類蛋白可感知多種外部信號，如激素、神經遞質和光信號，并將信息傳遞到細胞內部，調控免疫、神經、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），通過調控鈉、鉀、鈣等離子跨膜流動，參與神經信號傳遞、肌肉收縮和心律調控，廣泛用于心血管疾病和神經疾病的研究與藥物篩選。最后是轉運蛋白（Transporters），其主要負責物質和離子的跨膜轉運，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，但在細胞信號調控中同樣不可或缺。例如，它們可作為信號復合物的調節(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鍵作用。
3. 膜蛋白在科研與藥物開發(fā)中的應用
膜蛋白不僅是基礎研究的核心對象，也是現代藥物開發(fā)不可或缺的靶點：
- 抗體藥物研發(fā)
多數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構蛋白，天然構象對抗體結合至關重要，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，血液腫瘤領域常見靶點如CD20、CD19、CD22，免疫調控靶點如OX40、4-1BB、CD47、SIRPα，以及炎癥和病毒相關靶點如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象改變，從而影響結合實驗結果。Nanodisc 技術通過將膜蛋白重新嵌入類天然脂質雙層中，使其以最接近生理狀態(tài)的形式存在，因而廣泛應用于小分子高通量篩選（HTS）、配體結合動力學研究、藥物結合口袋解析及GPCR-配體耦合機制研究。更多關于Nanodisc在膜蛋白中的應用>>
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)現的重要技術趨勢。更多關于Nanodisc膜蛋白解決方案>>
- 結構生物學與機制研究
膜蛋白是結構生物學領域的重點研究對象。隨著冷凍電鏡（Cryo-EM）的迅速發(fā)展，GPCR、轉運蛋白、離子通道等多跨膜靶點的高分辨率結構逐漸被解析。然而，這些研究極度依賴高純度、穩(wěn)定構象的膜蛋白樣品。除了Cryo-EM，膜蛋白還廣泛用于SPR/BLI、微量熱泳動（MST）、脂質重構平臺和復合物組裝分析（如GPCR-G 蛋白復合物、離子通道調控復合物等）。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-配體結合常數；脂質重構平臺主要是研究膜環(huán)境對蛋白活性的調控。
與Cryo-EM一樣，這些應用對膜蛋白樣品質量要求極高。只有高質量膜蛋白樣品，才能使研究者能夠深入理解信號通路機制、藥物結合模式及激活構象變化，從而推動結構驅動藥物設計（SBDD）的加速發(fā)展。這些應用場景凸顯了科研機構和藥企對高質量膜蛋白表達與制備服務的迫切需求，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，膜蛋白結構復雜，多跨膜螺旋和疏水區(qū)域使其在體外表達時易產生折疊錯誤或聚集，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，如何在保持天然構象的前提下獲得高質量樣品，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量；結合去垢劑篩選、納米盤（Nanodisc）或脂質體重構等技術保持膜蛋白天然構象；并建立嚴格的質量控制體系進行活性驗證和結構檢測。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，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)和結構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開始探索將多種技術整合為體系化、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）重構的組合方案逐漸成為趨勢，它既能保持天然構象，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)產品和服務的生物技術公司。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)和應用需求，締碼生物經過長時間的摸索，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，主要采取胞外結構域(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驗，現已制備出900+全長膜蛋白，覆蓋GPCR、離子通道等熱門藥靶家族700+靶點，最高穿膜次數可達24次。同時，締碼生物針對膜蛋白制定了嚴格的質量控制體系，會通過SDS-PAGE、SEC-MALS、活性檢測等多維度檢測，確保膜蛋白結構完整與生物學活性。
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.
