甲醇酵母基因表达系统的研究进展

　　摘要 在大肠杆菌这一传统表达系统被频繁用作研究各种基因表达时，一种新型且有效的基因表达系统—甲醇酵母正逐渐引起人们的注意。此系统不仅具有高表达、高稳定、高分泌的特点，而且其宿主甲醇酵母—巴斯德毕赤酵母（Picchia pastoris）具有高密度生长的特性。因此近年来此表达系统的研究得到迅速发展，在其中表达了多种具有商业价值的外源蛋白。本文对甲醇酵母基因表达系统的特点及研究进展作一简要综述。

　　1 甲醇酵母表达系统的特点

　　1.1 宿主

　　七十年代巴斯德毕赤酵母曾被用于生产单细胞蛋白（SCP），有很好的发酵基础，菌体密度可达100g/L干重。其生长培养液的组分包括无机盐、微量元素、生物素、氮源和碳源，廉价而无毒。它能在以甲醇为唯一碳源的培养基中快速生长，其中醇氧化酶AOX——甲醇代谢途径的关键酶可达细胞可溶性蛋白的30％[1]。而在葡萄糖、甘油或乙醇作为碳源的培养细胞中则检测不到AOX。AOX的合成是在转录水平调控的。其基因启动子具有明显的调控功能，可用于调控外源基因的表达。此调控作用是由一般碳源抑制/解抑制及碳源特殊诱导又重机制控制的。外源基因在甲醇以外的碳源中处于非表达状态，而在培养液中加入甲醇后，外源基因即被诱导表达。

　　巴斯德毕赤酵母中存在着一种称为微体的细胞器，其中大量合成过氧化物酶，因此也称为过氧化物酶体。合成的蛋白质贮存于微体中，可免受蛋白酶的降解，且不对细胞产生毒害。

　　1.2 载体

　　巴斯德毕赤酵母的载体是整合型载体。常见的表达载体有pPIC3、pPIC9、pHIL-D1、pA0804、pA0815、pPSC3K等。图1为一个典型的巴斯德毕赤酵母表达载体。该载体包含醇氧化酶—1（AOX1）基因的启动子和转录终止子（5'AOX1和3'AOX1），它们被多克隆位点（MCS）分开，外源基因可以在此插入。此载体还包含组氨醇脱氢酶基因（HIS4）选择标记及3'AOX1区。当整合型载体转化受体时，它的5'AOX1和3'AOX1能与染色体上的同源基因重组，从而使整个载体连同外源基因插入到受体染色体上，外源基因在5'AOX1启动子控制下表达。

　　1.3 表达菌株的构建

　　与建立酿酒酵母基因工程表达系统类似，构建巴斯德毕赤酵母表达菌株的基本方法如下：(1)经典遗传学操作方法（如突变体分离、互补分析、回交和单孢分析）；(2)分子遗传学方法（如DNA转化、基因置换等。[3]）为了获得高稳定的外源蛋白表达菌株，巴斯德毕赤酵母表达载体连同外源基因通过同源重组整合至宿主染色体基因组座位上。对于图1所示的表达载体pPIC3，能以两种方式整合至染色体上。一种是在His4或5'AOX1 dNA片段的单酶切位点将质粒载体切成线性，通过单交换整合进染色体（图2A、B）。另一种用Bgl Ⅱ酶切此质粒载体，释放出包含AOX1末端序列的表达盒，与宿主染色体上的AOX1基因发生一步基因置换（图2C），这样得到的表达菌株为AOX1缺陷型，它们代谢甲醇的速度明显减慢，但有时表达外源蛋白的水平却比野生型菌株高得多，尤其表现在摇瓶培养β-半乳糖苷酶[3]、转化酶(invertase)[4]和乙肝病毒表面抗原上[5]。

　　与自主复制的质粒型表达载体不同，整合型表达载体的拷贝数可以有很大的变化。含多拷贝外源基因的表达菌株合成蛋白的量也较多。多拷贝表达菌株的获得方式有两种。一种是利用SDS-PAGE电泳[6]、免疫杂交[7]或菌落点杂交方法在大量的转化子中进行自然筛选。得到产量高的表达菌株。另一种在转化前将多个表达盒拷贝插入到单个载体中[8]，而后再通过交换整合到受体染色体上。在发酵罐培养的产物选择压力下此两种方式获得的多拷贝表达菌株被证明是稳定的。

　　1.4 巴斯德毕赤酵母表达菌株的生长

　　经同一表达载体转化后分离得到的不同转化子，其产物的表达水平不同。即使受体染色体上重组了相同数目的表达盒。转化子的表达情况也不近相同。因此，为了获得高产量的表达菌株，需要对大量的转化子进行筛选。小量摇瓶培养无疑是筛选转化子简便而有效的方法。但是由于在摇瓶培养中巴斯德毕赤酵母表达外源蛋白的水平往往不能准确地反映罐发酵中的表达情况，使之成为令人头痛的问题。主要原因是在摇瓶培养中，培养液的pH值无法控制，培养物通气不充分及无法控制添加碳源的最适速率。但是为了避免对每一个表达菌株进行繁琐的发酵罐培养条件的实验，仍需摸索表达菌株的摇瓶培养条件，使其产物的表达量与预期的发酵罐培养结果相近。