真核生物之酵母表达系统共44页文档
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酵母表达系统基因表达是分子生物学领域的重要内容之一,人们利用基因表达技术制备各种目的基因的重组蛋白质,在分析基因的表达与调控、基因的结构与功能、基因治疗以及生物制药等领域均取得了令人振奋的成果。
其中,酵母表达系统拥有转录后加工修饰功能,操作简便,成本低廉,适合于稳定表达有功能的外源蛋白质,而且可大规模发酵,是最理想的重组真核蛋白质生产制备用工具。
1、酵母表达系统的特点酵母是一种单细胞低等真核生物,培养条件普通,生长繁殖速度迅速,能够耐受较高的流体静压,用于表达基因工程产品时,可以大规模生产,有效降低了生产成本。
酵母表达外源基因具有一定的翻译后加工能力,收获的外源蛋白质具有一定程度上的折叠加工和糖基化修饰,性质较原核表达的蛋白质更加稳定,特别适合于表达真核生物基因和制备有功能的表达蛋白质。
某些酵母表达系统具有外分泌信号序列,能够将所表达的外源蛋白质分泌到细胞外,因此很容易纯化。
应用酵母表达系统生产外源基因的蛋白质产物时也有不足之处,如产物蛋白质的不均一、信号肽加工不完全、内部降解、多聚体形成等,造成表达蛋白质在结构上的不一致。
解决内部降解的方法有三:一是在培养基中加入富含氨基酸和多肽的蛋白胨或酪蛋白水解物,通过增加酶作用底物来缓解蛋白水解作用;二是将培养基的pH值调成酸性(酵母可在pH3.0~8.0的范围内生长),以抑制中性蛋白酶的活性;三是利用蛋白酶缺失酵母突变体进行外源基因的表达。
另外,还时常遇到表达产物的过度糖基化情况。
因此,表达系统应根据具体情况作适当的改进。
2、常用酵母表达系统(宿主-载体系统)(1)酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)表达系统酿酒酵母难于高密度培养,分泌效率低,几乎不分泌分子量大于30 kD的外源蛋白质,也不能使所表达的外源蛋白质正确糖基化,而且表达蛋白质的C端往往被截短。
因此,一般不用酿酒酵母做重组蛋白质表达的宿主菌。
酿酒酵母本身含有质粒,其表达载体可以有自主复制型和整合型两种。
真核细胞表达系统常用的真核表达系统有酵母、杆状病毒/昆虫细胞和哺乳动物细胞表达系统。
简而言之,酵母和昆虫细胞表达系统蛋白表达水平高,生产成本低,但加工修饰体系与哺乳动物细胞不完全相同;哺乳动物细胞产生的蛋白质更接近于天然蛋白质,但其表达量低、操作烦琐。
1.酵母表达系统最早应用于蛋白表达的酵母是酿酒酵母,后来相继出现其他种类酵母,其中甲醇酵母表达系统应用最广泛。
甲醇酵母的表达载体含有大肠杆菌复制起点和筛选标志,可在大肠杆菌大量扩增。
甲醇酵母表达载体中含有与酵母染色体中同源的序列,容易整合入酵母染色体中。
大部分甲醇酵母的表达载体中都含有醇氧化酶基因-1(AOX1),在强启动子作用下,以甲醇为唯一碳源的条件下诱导外源基因表达。
甲醇酵母表达蛋白一般需很长时问才能达到峰值水平,实验操作过程中有甲醇毒性和一定安全风险。
2.昆虫细胞表达系统杆状病毒载体广泛应用于培养的昆虫细胞中指导外源基因的表达,其中大多含有苜蓿银纹夜蛾核多角体病毒(AcNPV)中的多角体启动子。
杆状病毒系统蛋白表达量很高,而且大部分蛋白质能保持可溶性。
杆状病毒基因组较大(130kb),可容纳大的外源DNA片段;杆状病毒启动子在哺乳动物细胞中没有活性,安全性较高。
目前常用的是以位点特异性转位至大肠杆菌中增殖的杆状病毒穿梭载体,能快速有效地产生重组杆状病毒。
与通过外源基因重组在昆虫细胞中产生杆状病毒重组体相比,大大简化了操作步骤,缩短了鉴定重组病毒的时间,适于表达蛋白突变体以进行结构或功能的研究。
3.哺乳动物细胞表达系统哺乳动物细胞能够指导蛋白质的正确折叠,它所表达的真核蛋白通常能被正确修饰,在分子结构、理化特性和生物学功能方面最接近于天然的高等生物蛋白质,几乎都能在细胞内准确定位,在医学研究中得到广泛应用。
虽然哺乳动物细胞表达比大肠杆菌表达难度大,更耗时,成本更高,但是对于熟悉细胞培养的研究人员表达小到中等量的蛋白非常实用。
哺乳动物细胞表达载体包含原核序列、启动子、增强子、选择标记基因、终止子和多聚核苷酸信号等。
酵母表达系统研究概述田晓娟【摘要】目前常用的外源基因表达系统主要分为两类:原核表达系统和真核表达系统.前者主要包括大肠杆菌表达系统和枯草杆菌表达系统,后者一般包括酵母表达系统、昆虫/杆状病毒表达系统、哺乳动物细胞表达系统以及新兴的转基因植物表达系统等.在这众多的表达系统中酵母表达系统因其培养比较方便、简单、价格低廉、外源蛋白表达量高、表达的蛋白活性好、能进行翻译后修饰等诸多优点脱颖而出,成为目前最主要的外源基因表达系统.概述了常见的几种酵母表达系统的特点,并对发酵过程中影响外源蛋白表达量的因素做了探讨,以期为人们表达重组蛋白时选择合适的表达系统和获得高效的表达产物提供帮助.【期刊名称】《陇东学院学报》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】5页(P72-76)【关键词】酵母表达系统;外源基因;蛋白表达【作者】田晓娟【作者单位】陇东学院岐伯医学院,甘肃庆阳 745000【正文语种】中文【中图分类】R379.9;Q93-33酵母常被广泛地用于生产医用或有工业前景的重组蛋白。
为了高效获得某种单一的蛋白产物,首先必须考虑目的蛋白本身的特点、宿主菌的特性等问题,以确定和优化它的最适表达系统。
酵母表达系统有众多品质优良的宿主菌株,包括酿酒酵母、毕赤酵母、多形汉逊酵母、乳酸克鲁维酵母、粟酒裂殖酵母、解脂耶氏酵母和Arxula adeninivorans等。
与多数复杂的真核生物不同,酵母表达系统比较经济节约,能快速地达到较高的细胞密度,产生高浓度的蛋白,并且不含有致热源、病原体和病毒夹杂物;具有良好的耐热性;能利用一些罕见的不易被其他生物利用的碳源;有些菌株还进行了一些更具优势的加工,例如人源化的糖基化、缺失一些蛋白酶等。
此外,它们使用各种各样的载体、启动子和选择性标记以供选择。
酵母因其单细胞生物的这种优势和独特的翻译后修饰的能力,使得它们已经广泛地用于生产工业化的重组蛋白(如核糖体蛋白)。
随着工业化发酵工艺知识的积累和目前基因工程技术的发展,有望设计出更符合成本效益的表达系统,以满足日益增长的对重组蛋白和糖蛋白的需求。
酵母表达是指以酵母细胞为宿主来表达和生产大量的蛋白质。
其表达过程可分为以下步骤:
1. 选择合适的载体:选择适合酵母宿主的载体,通常是pYES2或pPICZα等。
2. 克隆基因:将要表达的基因插入到载体的限制性酶切位点上,构建重组质粒。
3. 转化酵母:重组质粒经过酵母细胞质膜的转录进入细胞质,通过蛋白质互作关系进入细胞核。
4. 选优获得高表达克隆:经过筛选和挑选,可以得到高表达克隆。
5. 诱导表达:经过培养,达到适合期待蛋白质大量表达的条件,即在合适的诱导剂的作用下表达重组蛋白,不断产生目标蛋白。
6. 分离和纯化:通过不同的方法和技术,将复杂的酵母系统中的重组蛋白分离和纯化出来。
酵母表达具有操作简便、表达量大、易于分离和纯化等特点,适用于大规模蛋白质生产。
1.酵母表达系统的特点大肠杆菌表达系统是常用的外源基因表达系统,人们已利用该系统表达了多种蛋白。
大肠杆菌基因结构简单,易于进行基因操作,而且它生长迅速,周期短,营养需求简单,适于工业化生产。
但同时该系统还存在很多缺陷。
它是原核表达系统,缺少真核生物的翻译后加工过程,产生的外源基因产物往往无活性,它表达的蛋白多以包含体形式存在,需要经过复性,过程复杂,它产生的杂蛋白较多,不易纯化,所以产物中有可能会含有原核细胞中的有毒蛋白或有抗原性的蛋白。
昆虫细胞表达系统和哺乳动物细胞表达系统都是真核细胞表达系统,它们可以进行多种蛋白的转录后加工,很适合于真核基因的表达。
但是,它们遗传背景复杂,操作困难,易污染,生产成本高,所以并不利于实际应用[2,3]2.核生物基因和制备有功能的表达蛋白质。
某些酵母表达系统具有外分泌信号序列,能够将所表达的外源蛋白质分泌到细胞外,因此很容易纯化[4]。
所以近年来,酵母表达系统已广泛应用于工业生产,为社会创造了极大的经济效益3.酵母一般可分成三大类:(1) 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),又称面包酵母;(2) 粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe);(3) 非常规酵母(Nonconventional yeast),是指除酿酒酵母和粟酒裂殖酵母外的酵母统称4.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)又名面包酵母,它是单细胞真核微生物,一直以来酿酒酵母被称为真核生物中的―大肠杆菌‖。
它是最早应用于酵母基因克隆和表达的宿主菌。
自1981年Hitzemom等用酿酒酵母表达人干扰素获得成功后,人们还用酿酒酵母表达了多种原核和真核蛋白,目前科学家对酿酒酵母表达系统的研究已非常深入。
5.2.1.2 用于基因表达的宿主菌——酿酒酵母在遗传学方面,人们对酿酒酵母进行了广泛的研究,酿酒酵母基因组序列(约1.2×107bp)早在1996年就完成,它有16条染色体,约6000个ORF,仅4%的酵母基因有内含子。
毕赤酵母是甲醇营养型,甲醇代谢的第一步是:醇氧化酶利用氧分子将甲醇氧化为甲醛和过氧化氢。
为避免过氧化氢的毒性,甲醛代谢主要在过氧化物酶体里进行,使得有毒的副产物远离细胞其余组分。
由于醇氧化酶与O2 的结合率较低,因而毕赤酵母代偿性地产生大量的酶.而调控产生醇氧化物酶的启动子也正是驱动外源基因在毕赤酵母中表达的启动子.毕赤酵母含有两种醇氧化物酶,AOX1 AOX2。
细胞中大多数的醇氧化酶是AOX1 基因产物。
甲醇可紧密调节、诱导 AOX1 基因的高水平表达,为Mut+菌株,可占可溶性蛋白的 30%以上。
AOX2 基因与 AOX1 基因有 97%的同源性,但在甲醇中带 AOX2 基因的菌株比带 AOX1 基因菌株慢得多,通过这种甲醇利用缓慢表型可分离 Muts 菌株。
毕赤酵母表达外源蛋白:分泌型和胞内表达.利用含有α因子序列的分泌型载体即可.翻译后修饰:酿酒酵母与毕赤酵母大多数为 N—连接糖基化高甘露糖型,毕赤酵母中蛋白转录后所增加的寡糖链长度(平均每个支链 8-14 个甘露糖残基)比酿酒酵母中的(50-150 个甘露糖残基)短得多。
菌株:GS115 ( Mut+, Muts)和 KM71(Muts)分泌型载体:pPICZα A,B,and C(5’AOX1启动子,紧密型调节,甲醇诱导表达,α分泌信号介导的分泌表达,Zeocin抗性基因,C端含有6XHis标签)胞内表达型载体:pPICZ A,B,and C,一:分子克隆1。
设计引物分泌型载体图谱:见酵母表达说明书(p13-pPICZ A,p14-pPICZ B,p15—pPICZ C)2.PCR扩增基因PCR反应体系(50μl)模板DNA 1μlForward Primer(10μM)1μlReverse Primer(10μM)1μldNTP Mixture(各2mM): 4μl5×PrimerSTAR buffer(Mg2+ plus)10μlPrimerSTAR DNA Polymerase 0.5μlO up to 50μlddH2PCR 反应流程预变性98℃ 2min变性98℃ 10sec退火56℃ 10sec 30个循环延伸72℃ 30sec完全延伸72℃ 10min保存4℃3。