第七章 酵母基因工程

nullnull生物工程专业核心课程基 因 工 程华东理工大学 张惠展基因工程基因工程的基本概念基因工程5 2 3 4 1 6 7 8 9 基因工程的基本原理基因工程所需的基本条件基因工程的操作过程目的基因的克隆与基因文库的构建大肠杆菌基因工程酵母基因工程哺乳动物基因工程高等植物基因工程nullE 酵母菌的表达系统7 酵母基因工程C 酵母菌的载体系统B 酵母菌的宿主系统A 酵母菌作为表达外源基因受体菌的特征F 利用重组酵母生产乙肝疫苗D 酵母菌的转化系统nullA 酵母菌作为表达外源基因受体菌的特征7 酵母基因工程酵母菌的分类学特征 酵母菌（Yeast）是一群以芽殖或裂殖方式进行无性繁殖的单细胞真核生物，分属于子囊菌纲（子囊酵母菌）、担子菌纲（担子酵母菌）、半知菌类（半知酵母菌），共由56个属和500多个种组成。如果说大肠杆菌是外源基因最成熟的原核生物表达系统，则酵母菌是最成熟的真核生物表达系统。nullA 酵母菌作为表达外源基因受体菌的特征7 酵母基因工程酵母菌表达外源基因的优势全基因组测序，基因表达调控机理比较清楚，遗传操作简便能将外源基因表达产物分泌至培养基中具有原核细菌无法比拟的真核蛋白翻译后加工系统大规模发酵历史悠久、技术成熟、工艺简单、成本低廉不含有特异性的病毒、不产内毒素，美国FDA认定为安全的基因工程受体系统（Generally Recognized As Safe GRAS）酵母菌是最简单的真核模式生物nullB 酵母菌的宿主系统7 酵母基因工程提高重组蛋白表达产率的突变宿主菌抑制超糖基化作用的突变宿主菌减少泛素依赖型蛋白降解作用的突变宿主菌广泛用于外源基因表达的酵母宿主菌null广泛用于外源基因表达的酵母宿主菌目前已广泛用于外源基因表达和研究的酵母菌包括：酵母属 如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）克鲁维酵母属 如乳酸克鲁维酵母（Kluyveromyces lactis）毕赤酵母属 如巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）裂殖酵母属 如非洲酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）汉逊酵母属 如多态汉逊酵母（Hansenula polymorpha）其中酿酒酵母的遗传学和分子生物学研究最为详尽，但巴斯德毕赤酵母表达外源基因最理想。null提高重组蛋白表达产率的突变宿主菌能导致酿酒酵母中重组蛋白产量提高或质量改善的突变类型ssc1 改善重组蛋白分泌 钙离子依赖型的ATP酶ssc2 提高重组蛋白表达 转录后加工rgr1 提高重组蛋白表达 转录水平ose1 提高重组蛋白表达 转录水平ssc11 改善重组蛋白分泌 羧肽酶Yrho- 提高重组蛋白表达 转录水平突变类型生物效应作用位点null抑制超糖基化作用的突变宿主菌能抑制超糖基化的突变类型mnn 甘露糖生物合成缺陷型alg 天门冬酰胺侧链糖基化缺陷型och 外侧糖链添加缺陷型突变类型生物效应 许多真核生物的蛋白质在其天门冬酰胺侧链上接有寡糖基团，它们常常影响蛋白质的生物活性。整个糖单位由糖基核心和外侧糖链两部分组成。 酵母菌普遍拥有蛋白质的糖基化系统，但野生型酿酒酵母对异源蛋白的糖基化反应很难控制，呈超糖基化倾向，因此超糖基化缺陷株非常重要。null减少泛素依赖型蛋白降解作用的突变宿主菌泛素介导的蛋白质降解作用蛋白酶体LysUbiquitin 76 aa ubiquitin ligase E3 Lysubiquitin ligase E3 Lys靶蛋白靶蛋白靶蛋白null减少泛素依赖型蛋白降解作用的突变宿主菌酵母菌泛素依赖型蛋白降解系统的编码基因酵母菌共有四个泛素编码基因：UBI 1 编码泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52） 对数生长期表达 稳定期关闭UBI 2 编码泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52） 对数生长期表达 稳定期关闭UBI 3 编码泛素-羧基延伸蛋白76（CEP76） 对数生长期表达 稳定期关闭UBI 4 编码泛素五聚体 对数生长期关闭 稳定期表达酵母菌共有七个泛素连接酶基因：UBC 1、UBC 2、UBC 3、UBC 4、UBC 5、UBC 6、UBC 7null减少泛素依赖型蛋白降解作用的突变宿主菌泛素降解途径衰减的酿酒酵母在酿酒酵母菌中，泛素主要由UBI 4基因表达，UBI 4-突变株能UBI 4缺陷型：正常生长，但细胞内游离泛素分子的浓度比野生株要低得多，因此UBI 4缺陷突变株是外源基因表达理想的受体UBA 1缺陷型：UBA1编码泛素激活酶E1，UBA1突变株是致死性的，但其等位基因缺陷是非致死性的，而且也能削弱泛素介导的蛋白降解Ubc4 - ubc5 双突变型：七个泛素连接酶基因的突变对衰减蛋白降解作用同样有效nullC 酵母菌的载体系统7 酵母基因工程酵母菌克隆表达质粒的构建酵母菌中的野生型质粒null酵母菌中的野生型质粒酿酒酵母中的2m环状质粒几乎所有的酿酒酵母中都含有2m双链同源重组REP1RAFSTBoriREP2FLPIRIRAB环状质粒，拷贝数达50至100个。IRs 反向重复序列，600 bp，重组FLP 编码产物驱动IRs的同源重组REP 编码产物控制质粒的稳定性STB REP的结合位点接合酵母属中的pSR1和pSB1，以及克鲁维酵母属中的pKD1等均与2m质粒类似。null酵母菌中的野生型质粒乳酸克鲁维酵母中的线状质粒乳酸克鲁维酵母中含有两种不同pGKL1 8.9 kbDNA聚合酶 毒素蛋白ab 免疫蛋白 g 亚基的双链线状质粒pGKL1和pGKL1拷贝数为50-100个，分别携带K1K2两种能使多种酵母菌致死的毒反向重复序列素蛋白编码基因（a b g），同时含有毒素蛋白抗性基因。null酵母菌克隆表达质粒的构建含有ARS的YRp质粒的构建 ARS为酵母菌中的自主复制序列，0.8-1.5kb，染色体上每30-40kb就有一个ARS元件。酵母菌自主复制型质粒的构建组成包括复制子、标记基因、提供克隆位点的大肠杆菌质粒DNA。 以ARS为复制子的质粒称为YRp 上述两类质粒在酿酒酵母中的拷贝数最高可达200个，但培养几代 以2m质粒上的复制元件为复制子的质粒称为YEp后，质粒的丢失率高达50%-70%，主要是由于分配不均匀所致。null酵母菌克隆表达质粒的构建含有CEN的YCp质粒的构建 CEN为酵母菌染色体DNA上与染色体均匀分配有关的序列 将CEN DNA插入含ARS的质粒中，获得的新载体称为YCp YCp质粒具有较高的有丝分裂稳定性，但拷贝数只有1 - 5个含有TEL的YAC质粒的构建null酵母菌克隆表达质粒的构建含有酵母菌染色体DNA同源序列的YIp质粒的构建 在大肠杆菌质粒上组装酵母菌染色体DNA特定序列和标记基因，构建出来的质粒称为Yip。目的基因表达盒通常插在染色体DNA特定序列中，这样目的基因就能高效整合入酵母菌特定的染色体DNA区域nullD 酵母菌的转化系统7 酵母基因工程转化质粒在酵母细胞中的命运酵母菌的转化程序用于转化子筛选的标记基因null酵母菌的转化程序酵母菌原生质体转化法 早期酵母菌的转化都采用在等渗缓冲液中稳定的原生质体转化法，在Ca2+和PEG的存在下，转化细胞可达原生质体总数的1-2%。但该程序操作周期长，而且转化效率受到原生质再生率的严重制约 原生质体转化法的一个显著特点是，一个受体细胞可同时接纳多个质粒分子，而且这种共转化的原生质体占转化子总数的25-33%null酵母菌的转化程序碱金属离子介导的酵母菌完整细胞的转化 酿酒酵母的完整细胞经碱金属离子（如Li+等）、PEG、热休克处理后，也可高效吸收质粒DNA，而且具有下列特性：吸收线型DNA的能力明显大于环状DNA，两者相差80倍共转化现象极为罕见null酵母菌的转化程序酵母菌电击转化法 酵母菌原生质体和完整细胞均可在电击条件下吸收质粒DNA，但在此过程中应避免使用PEG，它对受电击的细胞具有较很大的负作用。电击转化的优点是不依赖于受体细胞的遗传特征及培养条件适用范围广，而且转化率可高达105 / mg DNA。null转化质粒在酵母细胞中的命运单双链DNA均可转化酵母菌，但单链的转化率是双链的10-30倍含有复制子的单链质粒进入细胞后，能准确地转化为双链并复制不含复制子的单链质粒进入细胞后，能高效地同源整合入染色体 这对于体内定点突变酵母基因组极为有利克隆在YIp整合型质粒上的外源基因，如果含有受体细胞的染色体 DNA的同源序列，会发生高频同源整合，整合子占转化子总数的50-80%null用于转化子筛选的标记基因 用于酵母菌转化子筛选的标记基因主要有营养缺陷型互补基因和显性基因两大类 营养缺陷型互补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 但对于多倍体酵母来说，筛选营养缺陷型的受体非常困难营养缺陷型的互补基因null用于转化子筛选的标记基因 显性标记基因的编码产物只要是毒性物质的抗性蛋白显性标记基因 aph 氨基糖苷转移酶 抗G418 cat 氯霉素乙酰转移酶 抗氯霉素 dhfr 二氢叶酸还原酶 抗氨甲喋呤和磺胺 cup1 铜离子螯合物 耐受铜离子 suc2 蔗糖转化酶 耐受高浓度蔗糖 ilv2 乙酰乳糖合成酶 抗硫酰脲除草剂标记基因编码产物遗传表型nullE 酵母菌的表达系统7 酵母基因工程外源基因在酵母菌中表达的限制因素酵母菌启动子的可控性酵母菌表达系统的选择null酵母菌启动子的可控性pho4TS-PHO5启动子：酿酒酵母PHO5启动子在培养基中游离磷酸盐耗尽时才能打开PHO4基因编码产物是PHO5启动子的正调控因子因此，装在pho4TS-PHO5启动子下游的外源基因在35℃时关闭23℃诱导表达温度控制型启动子PHO4温度敏感型突变基因pho4TS的编码产物在35℃时失活null酵母菌启动子的可控性a – a 型启动子：酿酒酵母有a和a两种单倍体，分别由MATa和MATa两个等位基因决定。 a1因子决定a细胞特征表达a2因子阻遏a细胞特征表达a1-a2阻遏a细胞特征表达 编码a2因子的基因突变型hmla2-102能产生a2变体，它能灭活a1，同时阻遏a型温度控制型启动子a 型启动子hmla2-102 MATaa1Sir3-8TSa 型启动子 受体细胞基因组 重组质粒a 型启动子hmla2-102 MATaa1Sir3-8TSa 型启动子a2a125℃35℃null酵母菌启动子的可控性酿酒酵母超诱导型启动子GAL1GAL7GAL10UASGAL4GAL80半乳糖诱导效果不明显，基因基底水平表达GAL1GAL7GAL10UASGAL4GAL80半乳糖诱导时，GAL4高效表达，GAL1、GAL1、GAL10超高效表达GAL10Promoter的半乳糖利用酶系由GAL1 GAL7和 GAL10基因编码null外源基因在酵母菌中表达的限制因素外源基因稳态mRNA的浓度外源基因mRNA的翻译活性酵母菌对密码子的偏爱性在酿酒酵母中，高丰度的蛋白质（如甘油醛-3-磷酸脱氢酶GAPDH、磷酸甘油激酶PKG、乙醇脱氢酶ADH）中96%以上的氨基酸是由25个密码子编码的null酵母菌表达系统的选择 酿酒酵母的基因表达系统最为成熟，包括转录活性较高的甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因GAPDH、磷酸甘油激酶基因PKG、乙醇脱氢酿酒酵母表达系统酶基因ADH所属的启动子，多种重组外源蛋白获得成功表达。 酿酒酵母表达系统的最大问题在于其超糖基化能力，往往使得有些重组蛋白（如人血清白蛋白等）与受体细胞紧密结合，而不能大量分泌。这一缺陷可用非酿酒酵母型的表达系统来弥补。null酵母菌表达系统的选择 乳酸克鲁维酵母的双链环状质粒pKD1已被广泛用作重组异源蛋白生产的高效表达稳定性载体，即便在无选择压力的条件下，也乳酸克鲁维酵母表达系统能稳定遗传40代以上。 乳酸克鲁维酵母表达分泌型和非分泌型的重组蛋白，性能均优于酿酒酵母表达系统。null酵母菌表达系统的选择 巴斯德毕赤酵母是一种甲基营养菌，能在低廉的甲醇培养基中生巴斯德毕赤酵母表达系统长，甲醇可高效诱导甲醇代谢途径中各酶编码基因的表达，因此生长迅速、乙醇氧化酶基因AOX1所属强启动子、表达的可诱导性是巴斯德毕赤酵母表达系统的三大优势。 由于巴斯德毕赤酵母没有合适的自主复制型载体，所以外源基因的表达序列一般整合入受体的染色体DNA上。在此情况下，外源基因具有经济价值的重组蛋白在巴斯德毕赤酵母系统中获得成功表达。的高效表达在很大程度上取决于整合拷贝数的多寡。目前已有20余种null酵母菌表达系统的选择 多型汉逊酵母也是一种甲基营养菌。其自主复制序列HARS已被多型汉逊酵母表达系统克隆，并用于构建克隆表达载体，但与巴斯德毕赤酵母相似，这种载体在受体细胞有丝分裂时显示出不稳定性。所不同的是，HARS质粒能高频自发地整合在受体的染色体DNA上，甚至可以连续整合100多 目前，包括乙型肝炎表面抗原在内的数种外源蛋白在该系统中获个拷贝，因此重组多型汉逊酵母的构建也是采取整合的策略。得成功表达。nullF 利用重组酵母生产乙肝疫苗7 酵母基因工程 由乙型肝炎病毒（HBV）感染引起的急慢性乙型肝炎是一种严重的传染病，每年约有200万病人死亡，并有3亿人成为HBV携带者，其中相当一部分人可能转化为肝硬化或肝癌患者。目前对乙型肝炎病毒还没有一种有效的治疗药物，因此高纯度乙型疫苗的生产对预防病毒感染具有重大的社会效益，而利用重组酵母大规模生产乙型疫苗为其广泛应用提供了可靠的保证。nullF 利用重组酵母生产乙肝疫苗7 酵母基因工程产乙肝表面抗原的重组酿酒酵母乙型肝炎病毒的结构与性质产乙肝表面抗原的重组巴斯德毕赤酵母null乙型肝炎病毒的结构与性质 乙肝病毒是一种蛋白包裹型的双链DNA病毒，具有感染力的病毒乙型肝炎病毒的结构颗粒呈球面状，直径为42 nm，基因组仅为3.2 kb。病毒颗粒的主要结构蛋白是病毒的表面抗原多肽（HBsAg）或S多肽，它具有糖基化和非糖基化两种形式。颗粒内的蛋白成份包括核心抗原（ HBcAg ）、 除此之外，被乙肝病毒感染的人的肝脏还能合成并释放大量的22病毒DNA聚合酶、微量病毒蛋白。nm的空壳亚病毒颗粒，其免疫原性是未装配的各种包装蛋白组份的1000倍。包装蛋白共有三种转膜糖蛋白：S、M、L多肽。null乙型肝炎病毒的结构与性质乙型肝炎病毒的包装蛋白编码基因ATGATGATGTAA108 aa55 aa226 aapreS1preS2SS 多肽226 aaM 多肽281 aaL 多肽399 aanull乙型肝炎病毒的结构与性质 乙肝病毒在体外细胞培养基中并不能繁殖，因此第一代的乙肝疫传统乙肝疫苗的制备苗是从病毒携带者的肝细胞质膜上提取出来的。虽然这种质膜来源的疫苗具有较高的免疫原性，但由于原材料的限制难以大规模产业化。null产乙肝表面抗原的重组酿酒酵母 20世纪80年代开始选择酿酒酵母表达重组HBsAg，主要工作包括将S多肽的编码置于ADH1启动子控制下，转化子能表达出具有免疫活性的重组蛋白，它在细胞提取物中以球形脂蛋白颗粒的形式存在，平均颗粒直径为 22 nm，其结构和形态均与慢性乙肝病毒携带者血清中的病毒颗粒相同。 目前，由酿酒酵母生产的重组HBsAg颗粒已作为乙肝疫苗商品化重组产物的最终产量可达细胞总蛋白量的1%-2%。 进一步的研究表明，M多肽和L多肽对S型疫苗具有显著的增效作用，由三者（或两者）构成的复合型乙肝疫苗还可以诱导那些对 S抗原缺乏响应的人群的免疫反应。null产乙肝表面抗原的重组巴斯德毕赤酵母整合型重组巴斯德毕赤酵母的构建PARS2Bgl II5’ AOX1HBsAgPHIS43’ AOX1Bgl IIpBSAG15111 kbBgl II5’ AOX1HBsAgPHIS43’ AOX1his+的转化子重组分子转化his-的受体细胞染色体DNAnull产乙肝表面抗原的重组巴斯德毕赤酵母重组巴斯德毕赤酵母的性能 由于巴斯德毕赤酵母染色体DNA上还拥有第二个乙醇氧化酶基因AOX2，所以整合型重组菌仍能在含有甲醇的培养基上生长。 重组菌首先在含有甘油的培养基中培养，待甘油耗尽后，加入甲醇诱导HBsAg表达，最终S蛋白的产量可达细胞可溶性蛋白总量的3%在大规模的生产过程中，巴斯德毕赤酵母工程菌在一个240L的发酵罐中培养，最终可获得90克22nm的HBsAg颗粒，足够制成900万份乙肝疫苗。