摘 要：酵母表達(dá)體系同時具有真核細(xì)胞翻譯后蛋白加工修飾的過程與原核表達(dá)體系的特 點，因此，以酵母為基礎(chǔ)的表面展示體系在諸多展示系統(tǒng)中有獨特的優(yōu)勢。本文主要對酵母 細(xì)胞展示的理論基礎(chǔ)、展示體系類型及應(yīng)用研究的進(jìn)展等進(jìn)行了初步探討。

 

關(guān)鍵字：酵母、表面展示、凝聚素、GPI

 

Scott 和 Smith 在 1985 年通過發(fā)現(xiàn)短肽鏈可以融合到絲狀噬菌體的錨定蛋白上，卻不影響其感染大腸桿菌的能力，最早提出表面展示技術(shù)，促進(jìn)了噬菌體表面展示系統(tǒng)的發(fā)展^[1]。自從絲狀噬菌體表面展示技術(shù)創(chuàng)立以來，表面展示技術(shù)在很短的一段時間內(nèi)得到快速發(fā)展，不同的實驗室又分別發(fā)展T4噬菌體、T7 噬菌體、細(xì)菌、桿狀病毒、酵母等表面展示系統(tǒng)。

微生物細(xì)胞表面展示是通過將靶蛋白基因序列與特定的載體蛋白基因序列融合后導(dǎo)入微生物宿主細(xì)胞，靶蛋白在載體蛋白的引導(dǎo)下表達(dá)并定位于微生物細(xì)胞表面，保持相對獨立的空間構(gòu)象和原有的生物學(xué)活性。微生物細(xì)胞表面展示系統(tǒng)包括細(xì)菌展示系統(tǒng)、 噬菌體展示系統(tǒng)以及酵母展示系統(tǒng)。

最早研究且比較成熟的系統(tǒng)是噬菌體展示系統(tǒng)， 它是將外源的多肽與絲狀噬菌體的次要外殼蛋白融合并展示在外殼表面，噬菌體展示系統(tǒng)目前主要用于從復(fù)雜的文庫中分離特異性的配體、抗原、抗體，由于噬菌體顆粒較小，展示蛋白的大小和數(shù)量均有限。原核蛋白主要用細(xì)菌展示系統(tǒng)展示，革蘭氏陰性菌外表面有外膜，外源蛋白與暴露 在細(xì)胞表面的外膜蛋白、脂蛋白、菌毛蛋白或鞭毛蛋白的末端融合后得到展示^[2]。酵母展示系統(tǒng)是比較理想的、應(yīng)用最廣泛的展示系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于：遺傳操作方便；能對表達(dá)的外 源蛋白進(jìn)行折疊、糖基化等翻譯后修飾，因而適宜表達(dá)真核蛋白；另外，酵母可以在廉價的 培養(yǎng)基中培養(yǎng)達(dá)到很高的細(xì)胞密度。

1 酵母表面展示系統(tǒng)原理 細(xì)胞表面是細(xì)胞內(nèi)外的功能界面。 一些表面蛋白橫穿過質(zhì)膜，另一些以共價或非共價結(jié) 構(gòu)與細(xì)胞表面復(fù)合物結(jié)合一起。細(xì)胞能夠錨定特定的表面蛋白，并且能將其限制在細(xì)胞表面 的特定區(qū)域。在生物技術(shù)中，細(xì)胞表面通常用于研究蛋白跨膜的機理。酵母細(xì)胞表面展示技術(shù)是近年來發(fā)展較快的一種真核蛋白表達(dá)系統(tǒng)，其基本原理是將外源靶蛋白基因(外源蛋白) 與特定的載體基因序列融合后導(dǎo)入酵母細(xì)胞，利用酵母細(xì)胞內(nèi)蛋白轉(zhuǎn)運到膜表面的機制使靶 蛋白固定化表達(dá)在酵母細(xì)胞表面，在醫(yī)藥、食品、生物燃料等多個工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景^[3]。

2 酵母表面展示系統(tǒng)基本組成

2.1 宿主細(xì)胞

釀酒酵母一直被認(rèn)為是安全的模式生物（GRAS）而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)， 也是目前常見的用于酵母表面展示的宿主細(xì)胞。 除釀酒酵母外， 近年來酵母展示平臺已被拓 展至某些能利用甲醇作為單一碳源和能量來源的細(xì)胞株，如巴斯德畢赤酵母、漢遜酵母。與釀酒酵母相比，嗜甲醇酵母細(xì)胞株具有更優(yōu)越的發(fā)酵特性，如能夠在廉價的碳源中生長和更 高的細(xì)胞培養(yǎng)密度， 這些特性使其在需要大規(guī)模發(fā)酵的應(yīng)用中更具優(yōu)勢， 例如展示異源酶作^[4] 為全細(xì)胞催化劑。另外，畢赤酵母對外源蛋白的 O-糖基化程度更高，因而對展示的外源 酶具有更好的穩(wěn)定效果。

2.2 載體蛋白

酵母細(xì)胞表面包被著一層堅硬的細(xì)胞壁，由內(nèi)層的葡聚糖骨架和外層的甘露糖蛋白構(gòu)成。甘露糖蛋白主要包括兩類蛋白質(zhì)：一種以非共價方式松散地結(jié)合于細(xì)胞壁，可以用 SDS 抽提；另一類蛋白必需以β-1，3或β-1，6 葡聚糖酶消化細(xì)胞壁后才能抽提，這類蛋白常含有 GPI 錨定區(qū)域。α-凝集素和絮凝素以及細(xì)胞壁蛋白如 Cwp1p，Cwp2p，Tip1p等都屬于 GPI家族蛋白，外源蛋白與它們?nèi)诤虾罂杀还矁r錨定于細(xì)胞表面，這些蛋白是常用的酵母 表面展示載體蛋白。

2.3 外源蛋白

酵母表面展示系統(tǒng)適合展示各種真核蛋白，包括酶、細(xì)胞識別因子、受體、抗體、抗原 等，被廣泛地應(yīng)用于蛋白質(zhì)工程、全細(xì)胞催化、生物轉(zhuǎn)化、細(xì)胞吸附、分子識別、生物治療、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、生物傳感器和疫苗等領(lǐng)域。外源蛋白與載體蛋白的融合方式有 C 末端融合、末N 端融合、插入融合。對某些外源蛋白，選擇恰當(dāng)?shù)娜诤戏绞娇梢悦黠@改善展示效果或蛋白的 功能特性，如Aga2p 蛋白有良好的柔性，外源蛋白可以以 N 末端或 C 末端兩種方式與其融合。 研究表明抗 CD3ε單鏈抗體融合于Aga2p蛋白C末端時，其親和力較天然蛋白降^[5] 低 30～100 倍 ，而融合于 N 末端時活性得以恢復(fù)。

3 酵母表面展示系統(tǒng)的類型

目前，最常見的酵母表面展示表達(dá)系統(tǒng)包括： 凝集素展示表達(dá)和絮凝素展示表達(dá)^[6]。凝 集素展示表達(dá)系統(tǒng)是將外源基因與酵母編碼凝集素C 端編碼序列(含 GPI 錨定信號序列)連接后插入質(zhì)粒載體的信號肽下游，融合蛋白誘導(dǎo)表達(dá)后，信號肽引導(dǎo)嵌合蛋白向細(xì)胞外分泌，由于融合蛋白 C 末端存在含 GPI 錨定信號的凝集素多肽序列，可將蛋白錨定在酵母細(xì)胞壁中，從而將蛋白分子展示表達(dá)在酵母細(xì)胞表面。絮凝素展示表達(dá)系統(tǒng)利用絮凝素基因與外源蛋白融合，并將融合蛋白展露表達(dá)在細(xì)胞表面，此系統(tǒng)又包括兩個子系統(tǒng)： GPI 錨定系統(tǒng)和 絮凝結(jié)構(gòu)域錨定系統(tǒng)。錨定系統(tǒng)是利用絮凝素 Flo1p的C 末端含有的 GPI 信號錨定外源 GPI 蛋白，此系統(tǒng)與凝集素展示相似; 絮凝結(jié)構(gòu)域錨定系統(tǒng)是利用 Flo1p 的中間絮凝功能結(jié)構(gòu)域與外源蛋白融合，通過絮凝功能結(jié)構(gòu)域識別酵母細(xì)胞壁中的甘露聚糖鏈并非共價作用誘導(dǎo)細(xì)胞粘附、聚集成可逆性絮狀物。

4 酵母表面展示系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 酵母表面展示與酒精發(fā)酵

傳統(tǒng)的酒精發(fā)酵是以淀粉質(zhì)谷物或糖蜜為原料。隨著燃料酒精需求的日益增長， 以天然纖維素類資源生產(chǎn)酒精的研究也日益受到人們重視。 由于纖維素類物質(zhì)是自然界中一種潛在 的可再生資源，對解決未來能源問題有著巨大的潛力，因此，天然纖維素酒精發(fā)酵具有重要意^[7]。Fujita等^[8]成功地將三種纖維素水解酶同時展示在釀酒酵母表面，從而構(gòu)建了能夠增 效和按順序降解纖維素的全細(xì)胞生物催化劑。

4.2 酵母表面展示系統(tǒng)與新藥篩選

將未知功能的目的基因產(chǎn)物或特定病理過程相關(guān)蛋白產(chǎn)物展示在酵母表面，對 cDNA 表達(dá)文庫或突變體庫進(jìn)行篩選， 能發(fā)現(xiàn)與這些未知功能的基因產(chǎn)物或病理過程相關(guān)產(chǎn)物發(fā)生 相互作用的物質(zhì)，有助于對未知基因功能的研究，并能發(fā)現(xiàn)一些藥物作用的新靶點，或篩選 到治療疾病的新藥先導(dǎo)化合物^[9]。 Visintin 等^[10]將酵母表面展示技術(shù)與酵母雙雜交技術(shù)相結(jié)合，將抗體的scFv 片斷連接到轉(zhuǎn)錄因子 VP16 的激活結(jié)構(gòu)域( AD) 上，將抗原連接到LexA的結(jié)合結(jié)構(gòu)域( DB) 上，His3和LacZ 為報告基因，建立抗原抗體相互作用的展示方法。 以當(dāng)抗原- 抗體發(fā)生相互作用時，AD 和 DB 的結(jié)合將啟動報告基因的表達(dá)，可通過營養(yǎng)缺陷 培養(yǎng)基進(jìn)行檢測。這種方法從 scFv 突變體展示庫中將有可能篩選到抗原特異的抗體，為疫 苗及抗體類藥物的研制提供良好的平臺。

4.3 酵母細(xì)胞表面展示與生物吸附

環(huán)境污染物的生物修復(fù)是以酶促降解或生物吸附為基礎(chǔ)的， 例如微生物對重金屬的吸附 就包括兩種途徑： ( 1) 與細(xì)胞表面復(fù)合物結(jié)合，( 2) 逐漸吸收在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行消化。然而通過 胞內(nèi)消化降解有毒物質(zhì)必須使細(xì)胞內(nèi)酶， 蛋白質(zhì)或污染物跨越細(xì)胞膜這一屏障， 比較緩慢及 效率低而且不可重復(fù)利用。 利用表面展示技術(shù)能較好地解決這一問題， 吸附蛋白直接展示在 細(xì)胞表面，不僅使吸附過程快捷高效還可以利用回復(fù)劑如 EDTA 對其進(jìn)行處理使之不斷重 復(fù)利用。

4.4 酵母表面展示與酶技術(shù)

酶的固定化是指借助物理或者化學(xué)方法將酶固定于特殊的相，使得酶與整體流體分開， 但是仍然能夠進(jìn)行底物和效應(yīng)物分子交換并發(fā)揮其催化效能的一種技術(shù)。 與游離酶相比， 固定化酶提高了酶的穩(wěn)定性，并使酶能夠反復(fù)回收利用。但是，傳統(tǒng)的固定化方法也會產(chǎn)生一 些不利因素，例如由于增加固定化操作，導(dǎo)致酶固定化過程中的活性收率損失；另外由于固 定化操作需用載體，因而增加了載體成本費和固定化操作費用[11]利用表面展示技術(shù)將具有 催化活性的酶展示于酵母等微生物細(xì)胞表面就形成了全細(xì)胞催化劑， 與傳統(tǒng)的細(xì)胞內(nèi)酶和外 分泌酶不同， 表面展示的酶以共價或非共價方式固定于細(xì)胞外表面， 這種獨特的空間定位使 其相對自由酶而言有許多優(yōu)良的特性，如溫度、有機溶劑穩(wěn)定性、可多次重復(fù)使用等，這些 特點與傳統(tǒng)的固定化酶技術(shù)相似， 但無需額外的蛋白純化和固定的操作， 有著良好的應(yīng)用前 [12] 景。Katsumi 利用α凝集素系統(tǒng)將來源于產(chǎn)黃菌屬的 OPH 展示于酵母細(xì)胞表面，細(xì)胞熒 光強度測量表明每個細(xì)胞表面可以展示 1.4×10 4 個 OPH 分子，酵母展示系統(tǒng) OPH 酶活 性較大腸桿菌冰晶核蛋白展示的酶活性更高， 為有機磷化合物的脫毒提供了一種有效的生物 催化劑。

5 結(jié)語

近十年來酵母表面工程技術(shù)在生物技術(shù)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展， 酵母表面展示系統(tǒng)不僅能展 示單個亞單位蛋白，而且能展示異源寡聚體多亞單位蛋白。酵母是真核生物，利用酵母為宿 主展示表達(dá)的各種蛋白為人們研究和操作復(fù)雜真核蛋白成為可能。 另外， 細(xì)胞代謝工程技術(shù) 的進(jìn)步使人們有能力通過增加或刪除細(xì)胞內(nèi)一些酶進(jìn)而改變某些代謝途徑某或創(chuàng)造新的代 謝途徑， 該技術(shù)與細(xì)胞表面工程技術(shù)相結(jié)合， 使表面工程酶細(xì)胞不僅僅作為單步反應(yīng)的催化 劑，而且可能被改造成為能催化多步反應(yīng)、適合廣泛用途的“細(xì)胞工廠” 。總之，隨著更多 展示載體蛋白及宿主細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)， 高效展示文庫篩選方法的建立以及人們對表面展示技術(shù)認(rèn) 識的不斷深化，酵母表面展示技術(shù)必將在生物質(zhì)能源、生物化工、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域得到 廣泛應(yīng)用。

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