1 甲醇酵母表達系統的特點
1.1 宿主
七十年代巴斯德畢赤酵母曾被用于生產單細胞蛋白（SCP），有很好的發酵基礎，菌體密度可達100g/L干重。其生長培養液的組分包括無機鹽、微量元素、生物素、氮源和碳源，廉價而無毒。它能在以甲醇為唯一碳源的培養基中快速生長，其中醇氧化酶AOX——甲醇代謝途徑的關鍵酶可達細胞可溶性蛋白的30％[1]。而在葡萄糖、甘油或乙醇作為碳源的培養細胞中則檢測不到AOX。AOX的合成是在轉錄水平調控的。其基因啟動子具有明顯的調控功能，可用于調控外源基因的表達。此調控作用是由一般碳源抑制/解抑制及碳源特殊誘導又重機制控制的。外源基因在甲醇以外的碳源中處于非表達狀態，而在培養液中加入甲醇后，外源基因即被誘導表達。
巴斯德畢赤酵母中存在著一種稱為微體的細胞器，其中大量合成過氧化物酶，因此也稱為過氧化物酶體。合成的蛋白質貯存于微體中，可免受蛋白酶的降解，且不對細胞產生毒害。
1.2 載體
巴斯德畢赤酵母的載體是整合型載體。常見的表達載體有pPIC3、pPIC9、pHIL-D1、pA0804、pA0815、pPSC3K等。圖1為一個典型的巴斯德畢赤酵母表達載體。該載體包含醇氧化酶—1（AOX1）基因的啟動子和轉錄終止子（5'AOX1和3'AOX1），它們被多克隆位點（MCS）分開，外源基因可以在此插入。此載體還包含組氨醇脫氫酶基因（HIS4）選擇標記及3'AOX1區。當整合型載體轉化受體時，它的5'AOX1和3'AOX1能與染色體上的同源基因重組，從而使整個載體連同外源基因插入到受體染色體上，外源基因在5'AOX1啟動子控制下表達。
1.3 表達菌株的構建
與建立釀酒酵母基因工程表達系統類似，構建巴斯德畢赤酵母表達菌株的基本方法如下：(1)經典遺傳學操作方法（如突變體分離、互補分析、回交和單孢分析）；(2)分子遺傳學方法（如DNA轉化、基因置換等。[3]）為了獲得高穩定的外源蛋白表達菌株，巴斯德畢赤酵母表達載體連同外源基因通過同源重組整合至宿主染色體基因組座位上。對于圖1所示的表達載體pPIC3，能以兩種方式整合至染色體上。一種是在His4或5'AOX1 dNA片段的單酶切位點將質粒載體切成線性，通過單交換整合進染色體（圖2A、B）。另一種用Bgl Ⅱ酶切此質粒載體，釋放出包含AOX1末端序列的表達盒，與宿主染色體上的AOX1基因發生一步基因置換（圖2C），這樣得到的表達菌株為AOX1缺陷型，它們代謝甲醇的速度明顯減慢，但有時表達外源蛋白的水平卻比野生型菌株高得多，尤其表現在搖瓶培養β-半乳糖苷酶[3]、轉化酶(invertase)[4]和乙肝病毒表面抗原上[5]。
與自主復制的質粒型表達載體不同，整合型表達載體的拷貝數可以有很大的變化。含多拷貝外源基因的表達菌株合成蛋白的量也較多。多拷貝表達菌株的獲得方式有兩種。一種是利用SDS-PAGE電泳[6]、免疫雜交[7]或菌落點雜交方法在大量的轉化子中進行自然篩選。得到產量高的表達菌株。另一種在轉化前將多個表達盒拷貝插入到單個載體中[8]，而后再通過交換整合到受體染色體上。在發酵罐培養的產物選擇壓力下此兩種方式獲得的多拷貝表達菌株被證明是穩定的。
1.4 巴斯德畢赤酵母表達菌株的生長
經同一表達載體轉化后分離得到的不同轉化子，其產物的表達水平不同。即使受體染色體上重組了相同數目的表達盒。轉化子的表達情況也不近相同。因此，為了獲得高產量的表達菌株，需要對大量的轉化子進行篩選。小量搖瓶培養無疑是篩選轉化子簡便而有效的方法。但是由于在搖瓶培養中巴斯德畢赤酵母表達外源蛋白的水平往往不能準確地反映罐發酵中的表達情況，使之成為令人頭痛的問題。主要原因是在搖瓶培養中，培養液的pH值無法控制，培養物通氣不充分及無法控制添加碳源的最適速率。但是為了避免對每一個表達菌株進行繁瑣的發酵罐培養條件的實驗，仍需摸索表達菌株的搖瓶培養條件，使其產物的表達量與預期的發酵罐培養結果相近。
巴斯德畢赤酵母表達菌株的培養條件包括：適宜的培養液緩沖系統及適當的發酵液pH值，以降低蛋白酶的活性；最大的通氣量；添加適量的蛋白胨或酪蛋白水解物以避免產物被蛋白酶降解并為外源蛋白的合成及分泌提供氨基酸和能量。在甘油作碳源的培養液中，細胞迅速生長，菌體密度逐漸增大，但此時外源基因的表達被完全抑制。而當甘油缺失或被完全消耗時，甲醇被添加到培養液中，誘導產生外源蛋白。此階段菌群生長遲緩，但產物表達旺盛。經研究人員的努力，多種生產外源蛋白的巴斯德畢赤酵母的分批和連續培養都有成功報道。
1.5 外源蛋白的分泌
巴斯德畢赤酵母表達外源蛋白分胞內的表達和分泌到胞外兩種方式。畢赤酵母本身不分泌內源蛋白，而外源蛋白的分泌需要具有引導分泌的信號序列。當然，利用外源蛋白本身的信號序列很方便，因為基因的全部編碼序列可以插入到表達載體的單個或多個克隆位點。但在許多例實驗中，巴斯德畢赤酵母不能利用外源基因本身的信號序列引導分泌。而由89個氨基酸組成的釀酒酵母的分泌信號——α交配因子引導序列已經成功地引導了幾種外源蛋白的分泌，如鼠表皮生長因子，產量達0.45g/L[11]。
2 巴斯德畢赤酵母中外源蛋白的表達
隨著巴斯德畢赤酵母表達系統的不斷發展和日趨完善，許多具有商業價值的外源蛋白在此系統中得到了成功表達。由于其表達載體上醇氧化酶基因強啟動子的作用，外源蛋白的表達量很高，如破傷風毒素蛋白的產量達12g/L。外源蛋白在巴斯德畢赤酵母中的表達分胞內表達和分泌到胞外兩種方式。我們將在巴斯德畢赤酵母中表達外源蛋白的情況總結如表1。
國內在巴斯德畢赤酵母表達外源蛋白方面的研究近年剛剛起步。國家海洋局第三海洋所的陳丹等人[12]在此酵母中表達了鱸魚生長激素，表達量為100mg/L。如今，美國Invitrogen公司已有該表達系統試劑盒出售，因此要利用此系統表達一個外源基因已十分方便。在國內外實驗室的共同努力下，利用巴斯德畢赤酵母基因表達系統必將生產出更多具有商業價值的外源蛋白。
參考文獻
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[6] Sreekrishna,K,et al.Biochemistry,1989,28:4117-4125.
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[11] Clare,J.J.et al.Gene,1991,105:205-212.
[12]陳丹等，生物化學與生物物理進展，1998，25（2）：140-143.