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蛋白展示技术系列：海量突变体怎么筛？带你读懂噬菌体展示
发布时间：2026-04-27
在蛋白质工程、抗体发现和药物开发中，研究者常常面临挑战：
如何从海量候选突变体中，高效筛选出具有目标功能的分子？
以多位点饱和突变为例，当一个蛋白包含6个可变位点时，其组合数量可达6.4×10⁷量级，传统逐一构建、逐一测试的方式已难以满足研究需求。
在这一背景下，蛋白展示技术应运而生，其核心在于建立分子功能与编码序列之间的对应关系，从而在大规模文库中实现高效筛选与定向富集。
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一、蛋白展示技术
蛋白展示技术的本质，是建立基因型与表型之间的物理连接。简单来说，就是让每一个突变体蛋白“携带”着自己的基因序列，当某个变体表现出优异的目标功能时，研究者不仅能够把它筛选出来，还能快速追溯并扩增其对应序列，用于下一轮筛选或测序分析。
目前，主流的蛋白展示技术共有三种：噬菌体展示、mRNA展示和酵母展示。本文将深入解析应用最广泛的噬菌体展示，其余技术将在后续文章中逐一介绍。
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二、噬菌体展示的原理
噬菌体展示通常基于M13丝状噬菌体体系，是指将突变体蛋白与噬菌体衣壳蛋白（通常为pIII或pVIII）融合表达，使其以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，而其对应的DNA序列保留于噬菌体颗粒内部，从而形成“表型—基因型”一一对应的关系。
pIII展示：位于噬菌体一端，通常约5个拷贝，低拷贝展示使其对较大分子的兼容性更好，因此更适合展示抗体片段（如scFv、Fab）等相对较大的蛋白分子。
pVIII展示：位于噬菌体主体部分，拷贝数可达约2700个，可实现多价展示，但通常仅适合展示较短肽段（6–7个氨基酸）。
M13 丝状噬菌体结构示意图
DOI：10.1007/s13238-019-0639-7
❓为什么常用的是 M13 丝状噬菌体？
经典噬菌体展示体系多建立在Ff丝状噬菌体家族之上，其中最常见的是M13。它感染携带F菌毛的大肠杆菌，具有非裂解式释放的特点，不会直接裂解宿主细胞，而是能够持续产生新的噬菌体颗粒，因此非常适合文库扩增和连续筛选。
三、噬菌体展示的流程
噬菌体展示通常可分为文库构建、生物淘洗、阳性克隆筛选、测序分析与功能验证。
（一）文库构建
（二）生物淘洗（Biopanning）
（三）阳性克隆筛选
（四）测序分析与功能验证
四、噬菌体展示的优势与不足
五、噬菌体展示的应用与案例
（一）应用方向：抗体药物发现
案例来源：阿达木单抗于2002年获FDA批准上市。
研究目标：开发针对TNF-α的全人源治疗性抗体，用于治疗类风湿关节炎等自身免疫疾病，同时克服传统鼠源抗体的免疫原性问题。
选择噬菌体展示的原因：传统杂交瘤技术获得的抗体多为鼠源，进入人体后容易引发免疫原性问题，通常还需进行复杂的人源化改造。噬菌体展示则可以直接从人源抗体基因文库中筛选全人源抗体，跳过人源化改造这一步骤，从而提高开发效率。
抗体片段通过与噬菌体外壳蛋白融合表达而展示于噬菌体表面
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/winter-lecture-slides.pdf
关键数据：阿达木单抗于2002年获批上市，是首个噬菌体展示来源的获批抗体药物，同时也是首个获批上市的全人源单克隆抗体药物，成为抗体药物开发史上的标志性案例。
技术亮点：该案例展示了噬菌体展示在全人源抗体药物开发中的关键价值——无需从鼠源抗体出发进行后续人源化，即可直接从人源文库中筛选可成药抗体分子，为现代抗体药物研发开辟了新路径。
（二）应用方向：传染病抗体发现
案例来源：Nature Communications。
DOI：10.1038/s41467-024-47213-8
研究目标：从天然人源抗体文库中筛选针对尼帕病毒（NiV）的中和抗体。
选择噬菌体展示的原因：对于尼帕病毒这类高危病原体，直接通过病原体免疫动物获取抗体来源存在生物安全要求高、操作受限等问题。噬菌体展示可直接利用天然人源抗体文库进行体外筛选，无需动物免疫，即可获得全人源抗体序列，避免后续人源化改造。
关键数据：研究团队通过筛选天然人源噬菌体展示Fab文库，成功鉴定出两株靶向尼帕病毒受体结合蛋白的中和抗体——NiV41和NiV42。其中，NiV41经亲和成熟后得到的41-6不仅对尼帕病毒有效，还表现出对亨德拉病毒的交叉反应性，并在仓鼠模型中对致命剂量尼帕病毒攻击显示出保护效果。
NiV41衍生抗体41-6对尼帕病毒不同毒株及亨德拉病毒均表现出良好的中和活性
技术亮点：该案例表明，噬菌体展示无需通过高危病原体免疫动物，即可从天然文库中快速获得具有治疗潜力的全人源中和抗体，为新发突发传染病的快速响应提供了高效路径。
（三）应用方向：表位解析
案例来源：Molecular&Cellular Proteomics。
DOI：10.1074/mcp.RA120.002314
研究目标：开发基于噬菌体展示的高通量表位解析策略，用于快速识别抗体结合位点。
选择噬菌体展示的原因：表位解析需要从大量候选肽段中找出能被抗体识别的关键序列。噬菌体展示随机肽库可提供高多样性筛选空间，并可与高通量测序结合，实现大规模并行解析。
AbMap 表位解析策略示意图
关键数据：该研究建立了AbMap策略，一次实验中获得了202种抗体的结合肽谱，并为超过50%的抗体识别出线性表位。
技术亮点：该案例表明，噬菌体展示不仅能用于筛选结合分子，还能进一步解析“抗体结合在哪里”，为抗体机制研究、抗体质控及疫苗设计提供支持。
（四）应用方向：脑损伤精准递送
案例来源：Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms11980
研究目标：在急性脑损伤模型中筛选能特异性归巢损伤区域的短肽，用于提高药物或核酸在损伤部位的递送效率。
选择噬菌体展示的原因：脑损伤后的分子变化复杂且依赖真实组织微环境，体外筛选难以捕捉动态特征。体内噬菌体展示直接在损伤动物体内筛选，且急性损伤期血脑屏障受损，噬菌体可进入脑实质探测真实靶标。
关键数据：筛得短肽CAQK，能选择性结合受损小鼠及人脑组织，系统给药后特异性归巢损伤区域。CAQK修饰的纳米颗粒成功实现siRNA在脑损伤实质中的基因沉默。
CAQK介导的siRNA递送在脑损伤中实现基因沉默
技术亮点：噬菌体展示在精准递送中的潜力——不仅能筛选“会结合”的肽，还可发展为具有递送功能的靶向模块，为中枢神经损伤治疗提供新策略。
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