第42章 酵母菌和絲狀真菌基因工程(4)(1 / 3)

在表達時,外源基因與來自釀酒酵母的高效表達基因啟動子融合,這些啟動子既有組成型表達,也有誘導型表達。啟動子PGAL1在存在半乳糖的條件下表達水平提高900倍,誘導表達的GAL1、GAL7及GAL9基因產物占細胞總蛋白的0.5%~1.5%,是常用的啟動子。釀酒酵母可指導外源蛋白分泌,通常是將重組蛋白的成熟蛋白形式與酵母α交配因子前導序列融合,該引導序列可用Kex2酶的蛋白水解作用切去,這個步驟是廣泛存在於真核生物中的。

值得注意的是,釀酒酵母表達的外源蛋白質往往被高度糖基化,糖鏈上可以帶有40個以上的甘露糖殘基,糖蛋白的核心寡聚糖鏈含有末端α13甘露糖,產物的抗原性明顯增強。所以,釀酒酵母常常用來製備亞單位疫苗(如HBV 疫苗、口蹄疫疫苗等)。

應用釀酒酵母表達係統生產外源基因的蛋白質產物時也有不足之處,如產物蛋白質的不均一、信號肽加工不完全、內部降解、多聚體形成等,造成表達蛋白質在結構上的不一致,釀酒酵母大規模發酵過程中會產生乙醇,難以進行高密度培養,分泌效率低,一般不能高效分泌相對分子質量大於30000的外源蛋白質。麵對釀酒酵母上述問題,人們一方麵對其進行遺傳改造,改善其特性,另一方麵又開始從酵母菌這個巨大的生物資源尋找更好的宿主。因此,許多新的酵母表達係統也發展起來了。

2.甲醇營養型酵母表達係統

甲醇營養型酵母是能在以甲醇為唯一碳源和能源的培養基上生長的酵母,甲醇可以誘導它們表達甲醇代謝所需的酶,如醇氧化酶Ⅰ(AOX1)、二羥丙酮合成酶(DHAS)、甲酸脫氫酶(FMD)等,是近些年來發展起來的一類外源基因表達係統,涵蓋假絲酵母、漢遜酵母、畢赤酵母、和球擬酵母4個屬。其中,巴斯德畢赤酵母和多形漢遜酵母是主要用作表達宿主的甲醇型酵母。

(1)巴斯德畢赤酵母表達係統 巴斯德畢赤酵母表達係統是一種外源蛋白的高效表達係統。20世紀60-80年代Koichi Ogata 發現了巴斯德畢赤酵母可以利用甲醇作為碳源和能源;Pilips Petroleum 公司開發了畢赤酵母的高密度培養技術;隨後巴斯德畢赤酵母作為外源基因表達係統被開發出來:研究人員分離出了赤畢酵母中的醇氧化酶AOX1基因(包括AOX1的強啟動子),構建了畢赤酵母載體,從此開始利用此表達係統進行了大量外源基因的表達。

目前已有20餘種具有經濟價值的重組異源蛋白在巴斯德畢赤酵母中獲得成功表達。甲醇能夠迅速誘導巴斯德畢赤酵母合成大量的乙醇氧化酶。在巴斯德畢赤酵母中有2個基因(AOX1和AOX2)編碼乙醇氧化酶,但在細胞中乙醇氧化酶的活力主要由AOX1提供。

AOX1嚴格地受甲醇專一誘導、調控且能高水平表達,當培養基沒有甲醇存在時檢測不到AOX1的表達,但以甲醇作唯一碳源時,AOX1能高水平轉錄,其mRNA可占總mRNA的5%以上,乙醇氧化酶可達到細胞可溶性蛋白的30%以上。因此,AOX1啟動子可以用於調控外源基因的表達。雖然AOX2與AOX1有92%的同源性,其編碼蛋白質97%的同源性,但AOX1基因的編碼產物在氧化過程中起到主要的作用,AOX2提供的乙醇氧化酶的活力很低。

AOX1基因的表達嚴格受葡萄糖和其他碳源的阻遏,甲醇誘導不能迅速解除葡萄糖的阻遏,因此在用於外源基因表達時,先用甘油作碳源進行預培養,再轉換到甲醇作唯一碳源的培養基進行誘導。巴斯德畢赤酵母的表達載體大多是利用AOX1啟動子的強誘導性使它下遊的外源基因易於調控,並具有很高的表達量。主要的巴斯德畢赤酵母表達載體有pPIC9K、pHILD2、pHILS1和pPICZα係列等,適合於胞內表達和分泌表達。

大量研究結果表明,巴斯德畢赤酵母在異源蛋白的分泌表達方麵優於釀酒酵母係統。釀酒酵母細胞中的乙醇積累是導致重組異源蛋白合成不足的主要原因,而由AOX1啟動子介導的外源基因高效表達足以以單一拷貝獲得較為理想的表達率,但建立多拷貝整合型的重組畢赤酵母菌具有更大的潛力。轉化的DNA重組片段在受體細胞內環化後,通過單一交叉重組過程的重複使外源基因多拷貝整合在染色體DNA上,這種多拷貝整合型轉化子在受體細胞有絲分裂生長期間具有顯著的穩定性,而且能夠通過誘導作用進行高密度培養。由於多拷貝整合機製與外源基因的序列特異性無關,因此這一高效表達係統具有廣泛的應用價值。