酵母基因工程

酵母基因工程A酵母菌作為表達(dá)外源基因受體菌的特征酵母菌的分類學(xué)特征

酵母菌（Yeast）是一群以芽殖或裂殖方式進(jìn)行無性繁殖的單細(xì)胞真核生物，分屬于子囊菌綱（子囊酵母菌）、擔(dān)子菌綱（擔(dān)子酵母菌）、半知菌類（半知酵母菌），共由56個屬和500多個種組成。如果說大腸桿菌是外源基因最成熟的原核生物表達(dá)系統(tǒng)，則酵母菌是最成熟的真核生物表達(dá)系統(tǒng)。第2頁,共37頁，2024年2月25日，星期天A酵母菌作為表達(dá)外源基因受體菌的特征酵母菌表達(dá)外源基因的優(yōu)勢全基因組測序，基因表達(dá)調(diào)控機理比較清楚，遺傳操作簡便能將外源基因表達(dá)產(chǎn)物分泌至培養(yǎng)基中具有原核細(xì)菌無法比擬的真核蛋白翻譯后加工系統(tǒng)大規(guī)模發(fā)酵歷史悠久、技術(shù)成熟、工藝簡單、成本低廉不含有特異性的病毒、不產(chǎn)內(nèi)毒素，美國FDA認(rèn)定為安全的基因工程受體系統(tǒng)（GenerallyRecognizedAsSafeGRAS）酵母菌是最簡單的真核模式生物第3頁,共37頁，2024年2月25日，星期天B酵母菌的宿主系統(tǒng)提高重組蛋白表達(dá)產(chǎn)率的突變宿主菌抑制超糖基化作用的突變宿主菌減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變宿主菌廣泛用于外源基因表達(dá)的酵母宿主菌第4頁,共37頁，2024年2月25日，星期天廣泛用于外源基因表達(dá)的酵母宿主菌目前已廣泛用于外源基因表達(dá)和研究的酵母菌包括：酵母屬如釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）克魯維酵母屬如乳酸克魯維酵母（Kluyveromyceslactis）畢赤酵母屬如巴斯德畢赤酵母（Pichiapastoris）裂殖酵母屬如非洲酒裂殖酵母（Schizosaccharomycespombe）漢遜酵母屬如多態(tài)漢遜酵母（Hansenulapolymorpha）其中釀酒酵母的遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究最為詳盡，但巴斯德畢赤酵母表達(dá)外源基因最理想。第5頁,共37頁，2024年2月25日，星期天提高重組蛋白表達(dá)產(chǎn)率的突變宿主菌能導(dǎo)致釀酒酵母中重組蛋白產(chǎn)量提高或質(zhì)量改善的突變類型ssc1

改善重組蛋白分泌鈣離子依賴型的ATP酶ssc2

提高重組蛋白表達(dá)轉(zhuǎn)錄后加工rgr1

提高重組蛋白表達(dá)轉(zhuǎn)錄水平ose1

提高重組蛋白表達(dá)轉(zhuǎn)錄水平ssc11

改善重組蛋白分泌羧肽酶Yrho-

提高重組蛋白表達(dá)轉(zhuǎn)錄水平突變類型生物效應(yīng)作用位點第6頁,共37頁，2024年2月25日，星期天抑制超糖基化作用的突變宿主菌能抑制超糖基化的突變類型mnn甘露糖生物合成缺陷型alg天門冬酰胺側(cè)鏈糖基化缺陷型och外側(cè)糖鏈添加缺陷型突變類型生物效應(yīng)許多真核生物的蛋白質(zhì)在其天門冬酰胺側(cè)鏈上接有寡糖基團(tuán)，它們常常影響蛋白質(zhì)的生物活性。整個糖單位由糖基核心和外側(cè)糖鏈兩部分組成。

酵母菌普遍擁有蛋白質(zhì)的糖基化系統(tǒng)，但野生型釀酒酵母對異源蛋白的糖基化反應(yīng)很難控制，呈超糖基化傾向，因此超糖基化缺陷株非常重要。第7頁,共37頁，2024年2月25日，星期天減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變宿主菌泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解作用蛋白酶體LysHOOCUbiquitin76aa

ubiquitinligaseE3

LysubiquitinligaseE3

Lys靶蛋白靶蛋白靶蛋白第8頁,共37頁，2024年2月25日，星期天減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變宿主菌酵母菌泛素依賴型蛋白降解系統(tǒng)的編碼基因酵母菌共有四個泛素編碼基因：UBI1

編碼泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52）對數(shù)生長期表達(dá)穩(wěn)定期關(guān)閉UBI2

編碼泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52）對數(shù)生長期表達(dá)穩(wěn)定期關(guān)閉UBI3

編碼泛素-羧基延伸蛋白76（CEP76）對數(shù)生長期表達(dá)穩(wěn)定期關(guān)閉UBI4

編碼泛素五聚體對數(shù)生長期關(guān)閉穩(wěn)定期表達(dá)酵母菌共有七個泛素連接酶基因：UBC1、UBC2、UBC3、UBC4、UBC5、UBC6、UBC7第9頁,共37頁，2024年2月25日，星期天減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變宿主菌泛素降解途徑衰減的釀酒酵母在釀酒酵母菌中，泛素主要由UBI4基因表達(dá)，UBI4-突變株能UBI4缺陷型：正常生長，但細(xì)胞內(nèi)游離泛素分子的濃度比野生株要低得多，因此UBI4缺陷突變株是外源基因表達(dá)理想的受體UBA1缺陷型：UBA1編碼泛素激活酶E1，UBA1突變株是致死性的，但其等位基因缺陷是非致死性的，而且也能削弱泛素介導(dǎo)的蛋白降解Ubc4-ubc5雙突變型：七個泛素連接酶基因的突變對衰減蛋白降解作用同樣有效第10頁,共37頁，2024年2月25日，星期天C酵母菌的載體系統(tǒng)酵母菌克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建酵母菌中的野生型質(zhì)粒第11頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌中的野生型質(zhì)粒釀酒酵母中的2m環(huán)狀質(zhì)粒幾乎所有的釀酒酵母中都含有2m雙鏈同源重組REP1RAFSTBoriREP2FLPIRIRAB環(huán)狀質(zhì)粒，拷貝數(shù)達(dá)50至100個。IRs反向重復(fù)序列，600bp，重組FLP

編碼產(chǎn)物驅(qū)動IRs的同源重組REP

編碼產(chǎn)物控制質(zhì)粒的穩(wěn)定性STB

REP的結(jié)合位點接合酵母屬中的pSR1和pSB1，以及克魯維酵母屬中的pKD1等均與2m質(zhì)粒類似。第12頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌中的野生型質(zhì)粒乳酸克魯維酵母中的線狀質(zhì)粒乳酸克魯維酵母中含有兩種不同pGKL18.9kbDNA聚合酶毒素蛋白ab免疫蛋白g亞基的雙鏈線狀質(zhì)粒pGKL1和pGKL2拷貝數(shù)為50-100個，分別攜帶K1K2兩種能使多種酵母菌致死的毒反向重復(fù)序列素蛋白編碼基因（abg），同時含有毒素蛋白抗性基因。第13頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建含有ARS的YRp質(zhì)粒的構(gòu)建ARS為酵母菌中的自主復(fù)制序列，0.8-1.5kb，染色體上每30-40kb就有一個ARS元件。酵母菌自主復(fù)制型質(zhì)粒的構(gòu)建組成包括復(fù)制子、標(biāo)記基因、提供克隆位點的大腸桿菌質(zhì)粒DNA。

以ARS為復(fù)制子的質(zhì)粒稱為YRp上述兩類質(zhì)粒在釀酒酵母中的拷貝數(shù)最高可達(dá)200個，但培養(yǎng)幾代

以2m質(zhì)粒上的復(fù)制元件為復(fù)制子的質(zhì)粒稱為YEp后，質(zhì)粒的丟失率高達(dá)50%-70%，主要是由于分配不均勻所致。第14頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建含有CEN的YCp質(zhì)粒的構(gòu)建CEN為酵母菌染色體DNA上與染色體均勻分配有關(guān)的序列將CENDNA插入含ARS的質(zhì)粒中，獲得的新載體稱為YCpYCp質(zhì)粒具有較高的有絲分裂穩(wěn)定性，但拷貝數(shù)只有1-5個第15頁,共37頁，2024年2月25日，星期天利用酵母菌的端粒TEL、CEN和ARS等DNA元件構(gòu)建人工酵母染色體，可以克隆擴增大片段的外源DNA，這是YAC載體構(gòu)建的基本思路。這類載體一個典型的例子是pYAC2，它除了裝有兩個方向相反的TELDNA片段外，還包括SUP4、TRP1和URA3等酵母菌選擇基因以及大腸桿菌的復(fù)制子和選擇基因Ap。SUP4編碼tRNATyr的赭石抑制tRNA，在ade2基因赭石突變株中，SUP4基因的表達(dá)使轉(zhuǎn)化子呈白色，而非轉(zhuǎn)化子或SUP4基因不表達(dá)時呈紅色，因此將外源DNA克隆在YAC載體的SmaI位點上，便可滅活SUP4基因，獲得紅色的重組克隆。pYAC2上的大腸桿菌元件主要是為了載體質(zhì)粒在大腸桿菌中的擴增與制備。YAC載體的裝載量可高達(dá)800Kb，因而非常適用于構(gòu)建人的基因文庫。含有TEL的YAC質(zhì)粒的構(gòu)建r第16頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建含有酵母菌染色體DNA同源序列的YIp質(zhì)粒的構(gòu)建

在大腸桿菌質(zhì)粒上組裝酵母菌染色體DNA特定序列和標(biāo)記基因，構(gòu)建出來的質(zhì)粒稱為Yip。目的基因表達(dá)盒通常插在染色體DNA特定序列中，這樣目的基因就能高效整合入酵母菌特定的染色體DNA區(qū)域第17頁,共37頁，2024年2月25日，星期天D酵母菌的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化質(zhì)粒在酵母細(xì)胞中的命運酵母菌的轉(zhuǎn)化程序用于轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因第18頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌的轉(zhuǎn)化程序酵母菌原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法

早期酵母菌的轉(zhuǎn)化都采用在等滲緩沖液中穩(wěn)定的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法，在Ca2+和PEG的存在下，轉(zhuǎn)化細(xì)胞可達(dá)原生質(zhì)體總數(shù)的1-2%。但該程序操作周期長，而且轉(zhuǎn)化效率受到原生質(zhì)再生率的嚴(yán)重制約原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法的一個顯著特點是，一個受體細(xì)胞可同時接納多個質(zhì)粒分子，而且這種共轉(zhuǎn)化的原生質(zhì)體占轉(zhuǎn)化子總數(shù)的25-33%第19頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌的轉(zhuǎn)化程序堿金屬離子介導(dǎo)的酵母菌完整細(xì)胞的轉(zhuǎn)化

釀酒酵母的完整細(xì)胞經(jīng)堿金屬離子（如Li+等）、PEG、熱休克處理后，也可高效吸收質(zhì)粒DNA，而且具有下列特性：吸收線型DNA的能力明顯大于環(huán)狀DNA，兩者相差80倍共轉(zhuǎn)化現(xiàn)象極為罕見第20頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌的轉(zhuǎn)化程序酵母菌電擊轉(zhuǎn)化法酵母菌原生質(zhì)體和完整細(xì)胞均可在電擊條件下吸收質(zhì)粒DNA，但在此過程中應(yīng)避免使用PEG，它對受電擊的細(xì)胞具有較很大的負(fù)作用。電擊轉(zhuǎn)化的優(yōu)點是不依賴于受體細(xì)胞的遺傳特征及培養(yǎng)條件適用范圍廣，而且轉(zhuǎn)化率可高達(dá)105/mgDNA。第21頁,共37頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)化質(zhì)粒在酵母細(xì)胞中的命運單雙鏈DNA均可轉(zhuǎn)化酵母菌，但單鏈的轉(zhuǎn)化率是雙鏈的10-30倍含有復(fù)制子的單鏈質(zhì)粒進(jìn)入細(xì)胞后，能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為雙鏈并復(fù)制不含復(fù)制子的單鏈質(zhì)粒進(jìn)入細(xì)胞后，能高效地同源整合入染色體這對于體內(nèi)定點突變酵母基因組極為有利克隆在YIp整合型質(zhì)粒上的外源基因，如果含有受體細(xì)胞的染色體DNA的同源序列，會發(fā)生高頻同源整合，整合子占轉(zhuǎn)化子總數(shù)的50-80%第22頁,共37頁，2024年2月25日，星期天用于轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因用于酵母菌轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因主要有營養(yǎng)缺陷型互補基因和顯性基因兩大類

營養(yǎng)缺陷型互補基因主要有氨基酸和核苷酸生物合成基因，如：LEU、TRP、HIS、LYS、URA、ADE

但對于多倍體酵母來說，篩選營養(yǎng)缺陷型的受體非常困難營養(yǎng)缺陷型的互補基因第23頁,共37頁，2024年2月25日，星期天用于轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因顯性標(biāo)記基因的編碼產(chǎn)物只要是毒性物質(zhì)的抗性蛋白顯性標(biāo)記基因aph

氨基糖苷轉(zhuǎn)移酶抗G418cat

氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶抗氯霉素dhfr

二氫葉酸還原酶抗氨甲喋呤和磺胺cup1

銅離子螯合物耐受銅離子suc2

蔗糖轉(zhuǎn)化酶耐受高濃度蔗糖ilv2

乙酰乳糖合成酶抗硫酰脲除草劑標(biāo)記基因編碼產(chǎn)物遺傳表型第24頁,共37頁，2024年2月25日，星期天E酵母菌的表達(dá)系統(tǒng)外源基因在酵母菌中表達(dá)的限制因素酵母菌啟動子的可控性酵母菌表達(dá)系統(tǒng)的選擇第25頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌啟動子的可控性pho4TS-PHO5啟動子：釀酒酵母PHO5啟動子在培養(yǎng)基中游離磷酸鹽耗盡時才能打開。PHO4基因編碼產(chǎn)物是PHO5啟動子的正調(diào)控因子。因此，裝在pho4TS-PHO5啟動子下游的外源基因在35℃時關(guān)閉23℃誘導(dǎo)表達(dá)溫度控制型啟動子PHO4溫度敏感型突變基因pho4TS的編碼產(chǎn)物在35℃時失活第26頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌啟動子的可控性釀酒酵母超誘導(dǎo)型啟動子GAL1GAL7GAL10UASGAL4GAL80半乳糖誘導(dǎo)效果不明顯，基因基底水平表達(dá)GAL1GAL7GAL10UASGAL4GAL80半乳糖誘導(dǎo)時，GAL4高效表達(dá)，GAL1、GAL1、GAL10超高效表達(dá)GAL10Promoter的半乳糖利用酶系由GAL1GAL7和

GAL10基因編碼第27頁,共37頁，2024年2月25日，星期天外源基因在酵母菌中表達(dá)的限制因素外源基因穩(wěn)態(tài)mRNA的濃度外源基因mRNA的翻譯活性酵母菌對密碼子的偏愛性在釀酒酵母中，高豐度的蛋白質(zhì)（如甘油醛-3-磷酸脫氫酶GAPDH、磷酸甘油激酶PKG、乙醇脫氫酶ADH）中96%以上的氨基酸是由25個密碼子編碼的第28頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌表達(dá)系統(tǒng)的選擇釀酒酵母的基因表達(dá)系統(tǒng)最為成熟，包括轉(zhuǎn)錄活性較高的甘油醛-3-磷酸脫氫酶基因GAPDH、磷酸甘油激酶基因PKG、乙醇脫氫釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)酶基因ADH所屬的啟動子，多種重組外源蛋白獲得成功表達(dá)。釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)的最大問題在于其超糖基化能力，往往使得有些重組蛋白（如人血清白蛋白等）與受體細(xì)胞緊密結(jié)合，而不能大量分泌。這一缺陷可用非釀酒酵母型的表達(dá)系統(tǒng)來彌補。第29頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌表達(dá)系統(tǒng)的選擇

乳酸克魯維酵母的雙鏈環(huán)狀質(zhì)粒pKD1已被廣泛用作重組異源蛋白生產(chǎn)的高效表達(dá)穩(wěn)定性載體，即便在無選擇壓力的條件下，也乳酸克魯維酵母表達(dá)系統(tǒng)能穩(wěn)定遺傳40代以上。乳酸克魯維酵母表達(dá)分泌型和非分泌型的重組蛋白，性能均優(yōu)于釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)。第30頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌表達(dá)系統(tǒng)的選擇巴斯德畢赤酵母是一種甲基營養(yǎng)菌，能在低廉的甲醇培養(yǎng)基中生巴斯德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)長，甲醇可高效誘導(dǎo)甲醇代謝途徑中各酶編碼基因的表達(dá)，因此生長迅速、乙醇氧化酶基因AOX1所屬強啟動子、表達(dá)的可誘導(dǎo)性是巴斯德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)的三大優(yōu)勢。由于巴斯德畢赤酵母沒有合適的自主復(fù)制型載體，所以外源基因的表達(dá)序列一般整合入受體的染色體DNA上。在此情況下，外源基因具有經(jīng)濟(jì)價值的重組蛋白在巴斯德畢赤酵母系統(tǒng)中獲得成功表達(dá)。的高效表達(dá)在很大程度上取決于整合拷貝數(shù)的多寡。目前已有20余種第31頁,共37頁，2024年2月25日，星期天酵母菌表達(dá)系統(tǒng)的選擇多型漢遜酵母也是一種甲基營養(yǎng)菌。其自主復(fù)制序列HARS已被多型漢遜酵母表達(dá)系統(tǒng)克隆，并用于構(gòu)建克隆表達(dá)載體，但與巴斯德畢赤酵母相似，這種載體在受體細(xì)胞有絲分裂時顯示出不穩(wěn)定性。所不同的是，HARS質(zhì)粒能高頻自發(fā)地整合在受體的染色體DNA上，甚至可以連續(xù)整合100多目前，包括乙型肝炎表面抗原在內(nèi)的數(shù)種外源蛋白在該系統(tǒng)中獲個拷貝，因此重組多型漢遜酵母的構(gòu)建也是采取整合的策略。得成功表達(dá)。第32頁,共37頁，2024年2月25日，星期天F利用重組酵母生產(chǎn)乙肝疫苗由乙型肝炎病毒（HBV）感染引起的急慢性乙型肝炎是一種嚴(yán)重的傳染病，每年約有200萬病人死亡，并有3億人成為HBV攜帶者，其中相當(dāng)一部分人可能轉(zhuǎn)化為肝硬化或肝癌患者。目前對乙型肝炎病毒還沒有一種有效的治療藥物，因此高純度乙型疫苗的生