IPTG诱导与蛋白提取
IPTG诱导与蛋白提取
改编自 Arur 和 Nayak(Schedl 实验室,华盛顿大学圣路易斯)提供的《细菌中IPTG诱导与蛋白提取》
引言
利用大肠杆菌(E. coli)的 lac 操作子系统(lac operon) 来表达重组蛋白,已成为生物科研中实现大规模蛋白生产的重要手段。在该系统中,若无诱导剂或乳糖存在,lacI 基因编码的抑制子蛋白会与操作子结合并阻断基因转录。
而当加入化学诱导剂如 IPTG(异丙基-β-D-1-硫代半乳糖苷) 后,它可变构性地结合 lac 抑制子,使其从操作子(lacO)上解离,从而激活操作子下游基因的表达(见图1)。

这些表达的重组蛋白随后可用于下游的纯化与分析。蛋白诱导方式主要有两种:
· 快速诱导(Fast induction)
· 慢速诱导(Slow induction)
快速诱导并不适用于所有蛋白,且可能导致产量低或蛋白不溶;而慢速诱导则有助于提高蛋白的可溶性。建议先试验两种方式后再进行规模化表达。
本文描述了一种通用的诱导与提取方法,具体可根据细菌菌株、重组蛋白和质粒类型优化调整。
实验材料
· LB 培养基 + 抗生素(氨苄青霉素、卡那霉素、羧苄青霉素等)
· IPTG(Aladdin 货号:I274316)
· 溶菌酶(Aladdin 货号:L274271)
· 冰
· DTT(Aladdin 货号:D104859)
· 蛋白酶抑制剂
· N-月桂酰肌氨酸钠(Sarkosyl)Aladdin各规格产品
· Triton X-100(Aladdin各规格产品)
· 镍琼脂糖磁珠
· 冰冷 PBS 缓冲液(Aladdin 货号:P397924)
· 咪唑(Aladdin各规格产品)
· Tris-HCl(Aladdin 各规格产品)
· SDS
· 甘油(Aladdin 货号:G116206)
· EDTA 二钠(Aladdin 各规格产品)
· 溴酚蓝(Aladdin 货号:B109643)
· 无菌去离子水(dH₂O)
· β-巯基乙醇(BME)(Aladdin 货号:M301574)
加样缓冲液的配制(4X)(总量40 ml)
1. 2.0 ml 1M Tris-HCl,pH 6.8(终浓度 50 mM)
2. 0.8 g SDS(终浓度 2%)
3. 4.0 ml 甘油(终浓度 10%)
4. 1.0 ml 0.5M EDTA(终浓度 12.5 mM)
5. 8 mg 溴酚蓝(终浓度 0.02%)
6. 补足至 40 ml,用无菌水
注意:使用前添加新鲜的 1% β-巯基乙醇(BME)
实验方法
快速诱导法(Fast Induction)
1. 从新鲜的菌落中挑取单克隆,接入含抗生素的 1–2 ml LB 液体培养基中。
2. 30°C 或 37°C 恒温振荡培养过夜。
3. 取前夜培养液按 1:50 稀释(如前夜为37°C,则稀释 1:100),继续培养 3–4 小时于 37°C。
注:此培养物 1 ml 将用作未诱导对照,其余用于后续诱导。
4. 预先在 15 ml 离心管中配制 1 ml LB + 抗生素 + 1mM IPTG 溶液,在 37°C 预热 10 分钟。
注:IPTG 终浓度可根据实验需求在 0.1–1mM 范围调整。
5. 取 1 ml 菌液(未诱导样品),离心 30 秒后弃上清,冷冻保存于 –20°C,作为 未诱导对照。
6. 将 1 ml IPTG 诱导液加入剩余菌液(共2 ml),继续 37°C 诱导 3–4 小时。
注:此时 IPTG 最终浓度为 0.5mM。
7. 取 1 ml 诱导样品,离心并弃上清,冻存于 –20°C,作为 诱导样品。
8. 准备上样用于 SDS-PAGE 分析:
a. 向诱导和未诱导样品中加入 100 µl 1X 加样缓冲液(含1% BME)
b. 涡旋混匀10秒至1分钟,直到无菌团
c. 沸水煮样 3–5 分钟
d. 室温下离心 30 秒,根据凝胶或蛋白量加载 5–25 µl(常用 10 µl)
提示:若样品煮沸时间过长,DNA 会释放使其粘稠,应缩短处理或重新提取。
慢速诱导法(Slow Induction)
· 与快速诱导方法基本一致,仅将第6步改为:
o 使用 预热至 20°C 的 IPTG 培养基诱导,在 20°C 下缓慢振荡培养 12–16 小时
可溶性蛋白提取
该方法适用于 FLAG、GST 和 His 标签蛋白,不适用于 MBP 标签(对表面活性剂敏感):
1. 用 2 ml 冰冷 STE 缓冲液(10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 150 mM NaCl, 1 mM EDTA)洗涤菌体一次
2. 用含 100 µg/ml 溶菌酶的 STE 缓冲液重悬菌体(来源于 10 ml 培养)
3. 冰上孵育 15 分钟
4. 加入 DTT(终浓度 5 mM)
5. 添加蛋白酶抑制剂(如 PMSF,终浓度 100 µM)
6. 加入 N-月桂酰肌氨酸钠(10% 储备液)至终浓度 1.5%,裂解细胞
7. 超声细胞破碎,2 个循环,每次 6 分钟
8. 4°C,100 g 离心 5 分钟
9. 转移上清至新管中,加入 Triton X-100(10% 储备液)至终浓度 2%
10. 取 100 µl 镍琼脂糖珠(用于 His 标签纯化),用冰冷 PBS 洗两次
11. 加入含有 Triton X-100 的蛋白上清液中,室温摇动孵育 30–60 分钟
12. 用含 20 mM 咪唑的冰冷 PBS 洗涤磁珠 4 次(每次 1 分钟)
注:可加入 0.1–1% TWEEN 20 降低背景杂蛋白结合
13. 最后加入 1X 加样缓冲液(含 1% BME),煮沸 3 分钟,进行 SDS-PAGE 分析
实用建议
· 选择适合重组蛋白表达的细菌菌株
· 推荐使用标签蛋白(如 N 端 His 标签)以简化纯化流程
· 产生真核蛋白时,选择含有额外 tRNA 的表达菌株
· 羧苄青霉素(Carbenicillin)比青霉素更稳定,更适合蛋白表达
· 低温诱导有助于蛋白正确折叠和提高可溶性
参考文献
· Arur, S. and Nayak, S. IPTG Induction. Retrieved 2018 from: http://genetics.wustl.edu/tslab/protocol/protein-stuff/iptg-induction/
· Graslund et al., Nature Methods, 2008, 5(4), 369.
· Rabinovsky et al., J. Neurosci. Res., 1994, 38(2), 127–133.
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