甲醇营养型酵母表达系统
酵母表达系统
4、甲醇酵母系统高效表达影响因素与对策
载体稳定性 基因剂量 整合位点 甲醇利用表型 mRNA5’端 AT含量分泌信号 表达产物稳定性
1）载体稳定性
同拷贝数时，整合型的比自主复制型的表达水平高 YRp型载体的稳定化：
选择—非选择培养交替数十代可得稳定的整合子 ，但费时，整合位点不确定。 采用YIp型载体: 更易实现整合、整合位点清楚
2）基因剂量
外源基因表达存在基因剂量效应 筛选多拷贝整合子
载体引入G418/Zeocin抗性标记，整合子拷贝数 与抗性成正相关，采用高G418/Zeocin抗性转化子。 体外串联多个表达盒，直接获多拷贝整合子 采用YRp型载体稳定化技术获高拷贝整合子 构建高拷贝整合型表达载体
3）整合位点
外源基因表达盒整合于AOX/MOX或标记基因处，均 可高效表达 毕赤酵母中个别情况整合于His4位点的比AOX1位点 的低
2）分泌表达产物过糖基化
（二） 甲醇酵母表达系统
甲醇酵母与甲醇氧化酶启动子 甲醇酵母表达系统的优缺点 甲醇酵母表达系统操作原理 甲醇酵母系统高效表达影响因素与对策 甲醇酵母表达系统的应用
1、甲醇酵母与甲醇氧化酶启动子
甲醇酵母（methylotrophic yeast) 指可利用甲醇作单一碳源的一类酵母。 毕赤酵母（Pichia pastoris) 汉森酵母（Hansenula ploymorpha) 假丝酵母（Candia boidinii)
组成的、复杂分支结构的现象。增加了免疫原性、对活 性与药代稳定性均有影响。 *糖链组成
O型糖链仅由甘露糖组成、而哺乳细胞的还含唾液酸 基团
4、酿酒酵母表达系统的缺陷
1）表达水平普遍不高 A、表达载体传代不稳定（YEp、YRp） B、所采用的强启动子调控不严谨 C、不能利用简单的无机培养基进行高密度发酵
酵母表达系统
C、野生型GAL4表达水平低，产物活性可被GLAL80产物完全抑制，半乳糖诱导效果差
2）半乳糖激酶启动子（GAL1）
半乳糖诱导、葡萄糖抑制
GAL10 Promoter
GAL80
GAL4
UAS
GAL1
GAL7
GAL10
A、 将GAL4的启动子换成GAL10的诱导型强启动子 B、半乳糖诱导GAL4高表达，不受GAL80产物抑制，激活GAL1等高效转录
性结合因子：MF-α
酸性磷酸酯酶：PHO5
蔗糖酶：SUC2 杀手毒素因子：KIL
酿酒酵母信号肽特点
*保守性低，大多异源宿主系统的信号肽不能互用
*信号肽结构：
Met 信号肽剪切位点
正电荷区 疏水区
极性区
目的蛋白
MF-α信号肽
*分泌效率高
*在酵母统具有通用性
*88个残基组成
Met KEX2 DAP DAP
AOX1与AOX2 *毕赤酵母和假丝酵母基因组存在二个AOX基因 AOX1、AOX2 *AOX1与AOX2基因97%同源 *AOX1 占主导地位，负责AOX 99%以上活性
1、甲醇酵母与甲醇氧化酶启动子
甲醇氧化酶启动子 A、目前已发现的、最强的真核启动子 B、严谨调控型启动子 AOX1：葡萄糖和甘油脱阻遏、甲醇诱导 MOX：葡萄糖阻遏、甘油脱阻遏、甲醇诱导
8）表达产物稳定性
分泌表达时，胞外蛋白酶是要影响因素
降低培养基pH值：蛋白酶在酸性条件下活性较低
培养基中添加蛋白水解产物：竞争性抑制
采用蛋白酶缺陷宿主株：如P.pastoris SMD1168
3、甲醇酵母表达系统操作原理
宿主株与标记基因 甲醇酵母系统的整合事件 胞内表达与分泌表达
酵母表达系统使用心得
Pichia酵母表达系统使用心得甲醇酵母表达系统有不少优点，其中以Invitrogen公司的Pichia酵母表达系统最为人熟知，并广泛应用于外源蛋白的表达。
虽然说酵母表达操作简单表达量高，但是在实际操作中，并不是每个外源基因都能顺利得到高表达的。
不少人在操作中会遇到这样那样的问题，收集了部分用户在使用EasySelect Pichia Expression System这个被誉为最简单的毕赤酵母表达的经典试剂盒过程中的心得体会。
其中Xiang Yang是来自美国乔治城大学（Georgetown University）Lombardi癌症中心（Lombardi Cancer Center），部分用户来自国内。
甲醇酵母部分优点：1.属于真核表达系统，具有一定的蛋白质翻译后加工，有利于真核蛋白的表达；2.AOX强效启动子，外源基因产物表达量高，表达产物可以达到每升数克的水平；3.酵母培养、转化、高密度发酵等操作接近原核生物，远较真核系统简单，非常适合大规模工业化生产；4.可以诱导表达，也可以分泌表达，便于产物纯化；5.可以甲醇代替IPTG作为诱导物，部分甲醇酵母更可以用工业甲醇替代葡萄糖作为碳源，生产成本低。
产品性能：优点——使用简单，表达量高，His-tag便于纯化；缺点——酵母表达蛋白有时会出现蛋白切割问题。
巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）是一种能高效表达重组蛋白的酵母品种，一方面由于其是属于真核生物，因此表达出来的蛋白可以进行糖基化修饰，另一方面毕赤酵母生长速度快，可以将表达的蛋白分泌到培养基中，方便蛋白纯化。
毕赤酵母表达载体pPICZ在多克隆位点（MCR）3'端带有his-tag和c-myc epitopes，这些tag有利于常规检测和纯化，而且在MCR5'端引入了alpha factor（α-factor）用以分泌表达，并且在表达后α-factor可以自动被切除。
酵母表达系统
1、甲醇酵母与甲醇氧化酶启动子
甲醇氧化酶启动子 A、目前已发现的、最强的真核启动子 B、严谨调控型启动子
AOX1：葡萄糖和甘油脱阻遏、甲醇诱导 MOX：葡萄糖阻遏、甘油脱阻遏、甲醇诱导
2、甲醇酵母表达系统的优缺点
甲醇酵母系统的整合事件
YRp型载体：汉森系统 传代不稳定，传代过程同源或非同源重组，高选择
压力迫使高拷贝数整合，可达100拷贝。 YIp型载体： A、在靶序列处线性化载体DNA，诱导同源重组 B、有“插入”和“取代”二类整合模式 C、主要为单拷贝整合，1-10%为多拷贝整合
3、甲醇酵母表达系统操作原理
宿主株与标记基因 甲醇酵母系统的整合事件 胞内表达与分泌表达
甲醇酵母系统宿主
二大宿主系统主要特点
项目 最适温度 最适pH值 甘油阻遏 糖基化 高密度发酵
毕赤酵母 30℃ 4.5 是 部分过度 100g/L
汉森酵母 37℃ 4.5 否 较正常 100g/L
甲醇酵母系统宿主
A、表达水平高（最高水平的系统） B、产物可翻译后修饰：糖基化、磷酸化、酰脂化 C、过糖基化程度比酿酒酵母少（8-15个vs100-150
个甘露糖） D、产物可正确折叠和高效分泌（最高分泌表达系统） E、可利用简单无机盐培养基高密度发酵，生物量大。 F、实验室和工业操作简单 G、不能满足结构要求严格的糖基化
1、转录起始位点； 2、TATA盒：富含AT； 3、UAS：上游激活序列;
4、URS：上游阻遏序列 5、DAS：下游激活序列
酿酒酵母表达系统常用启动子
1）糖酵解途径中关键酶的强启动子，受葡萄糖诱导： 甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因GAPDH 磷酸甘油激酶基因PKG 乙醇脱氢酶基因ADH
酵母表达系统
Buffer B: 40% (w/v) Polyethylene glycol 1000 (Sigma), 0.2 M Bicine, pH 8.35
19
pAO815和pPIC9K 在
5 AOX1
Bgl II双切：
Bgl II
在5AOX1位点和
3AOX1双交换，替
换掉了宿主的AOX1
基因，
gene
转化后GS115产生
AOX1
His +/Muts
His4
3AOX1 His4
20
21
技术路线
选择合适的内切酶位点 将基因插入载体
注:pAO815 和pIC9K是穿梭载体, 可在 大肠杆菌中操作
grow at 30°C to an OD600 of 0.5 to 0.8. 4. 3000 x g 收集细胞， 用50 ml of Buffer A洗细胞，
室温. 5. 细胞悬浮在 4 ml of Buffer A 中，分装成0.2 ml于灭
菌的管中， 每管加 11 μl DMSO（-70度） ，混匀， 液氮快速冷冻， -70°C保存。
Alcohol oxidase ,醇氧化酶, 将甲醇氧化成甲醛 • 通过高表达来补偿酶活性不足,因此有强启动子
AOX1 是主要的酶 受甲醇严格控制 启动子用来驱动外源基因表达
AOX2 利用甲醇的能力低
生长慢
7
histidinol dehydrogenase gene (his4)
甲醇诱导酵母表达的原理
甲醇诱导酵母表达是一种基因工程技术，它的原理是利用受体与配体相结合的原理，通过添加甲醇到培养基中，从而诱导酵母表达特定的外源基因。
这里的“受体”是一种称为Mxr1的转录因子，它不含甲醇时处于非活性状态，加入甲醇后与其配体Met4结合形成活性形式。
而Met4是Mxr1的配体，等待激活Mxr1转录因子的信号来自于甲醇的代谢产物-甲醛。
当酵母中有外源基因需要表达时，可以将该基因与Mxr1和Met4组成的启动子串联起来，在培养基中添加甲醇后，促使Mxr1与Met4相结合，使得启动子被活化，从而使外源基因得以表达。
基于此原理，甲醇诱导酵母表达技术可以实现高效和可控的外源基因表达。
甲醇的使用量可以在一定范围内调节外源基因表达水平，使得表达能够满足研究或应用的需求。
该技术不仅应用于科学研究，如蛋白质的产生与纯化等，还在药物和生物燃料等领域有广泛应用。
酵母表达系统所需实验材料
一、菌种1.大肠杆菌一种克隆感受态（JM109，DH5α，TG1，TOP10）2.毕赤酵母菌.GS115,甲醇利用正表型(Mu+)。
培养基含有甲醇时，菌正常生长，重组表达载体转化GS115后，长出的转化子中，Mu+和Muts两种表型都有，需要在MM 和MD培养基上鉴定表型，转化整合效率高。
KM71H, 甲醇利用慢表型(Muts)。
培养基含有甲醇时，菌生长比野生株缓慢，组表达载体转化KM71H后，长出的转化子中，都是Muts表型，不需Mu表型鉴定。
SMD1168(Mu+)，蛋白酶缺陷型宿主菌，降低了目的蛋白被蛋白水解酶降解的风险。
二、毕赤酵母菌分泌表达载体诱导型启动子：pPIC9K，采用α因子信号序列，含卡那抗性基因，可用遗传霉素筛选外源基因多拷贝转化子。
（无标签）pPICZαA，采用α因子信号序列，具有博来霉素抗性基因，易于筛选阳性多拷贝转化子。
（有标签）组成型启动子：pGAPZα，采用α因子信号序列，具有博来霉素抗性基因，易于筛选阳性多拷贝转化子。
（有标签）另外，大肠杆菌表达载体pCold也可以进行诱导分泌表达蛋白。
三、实验试剂限制性内切酶EcoRI，NotI，NcoI，Sac I，T4DNA连接酶，Takara公司G418（遗传霉素），葡萄糖，生物素，甲醇，山梨醇，甲醛，咪唑，Na2S203，酵母氮源(YNB)，含His的补充培养基，酵母基因组DNA纯化试剂盒，大肠杆菌质粒提取试剂盒，0.2μm无菌滤膜。
四、实验简要计划用软件对pET28a-重组人胰岛素质粒进行EcoRI，NotI，NcoI酶切位点分析发现，NotI 在NcoI位点的上游，并且都是单酶切位点。
所以可以通过EcoRI和NotI对重组大肠杆菌质粒双酶切获取目的基因，这对目的基因的阅读框无影响。
通过EcoRI和NotI对酵母表达载体双酶切，可以获得载体片段。
将获得的载体片段与目的基因用T4 DNA连接酶4摄氏度连接过夜，并转化到大肠杆菌克隆感受态中，在抗生素培养基中培养，提取质粒进行酶切及PCR鉴定正确后，送去测序。
外源基因在甲醇营养型酵母中的表达及优化表达策略
外 源 基 因 克 隆 位 点 、 止 序 列 、 选 标 记 。此 终 筛 外 ， 于表达载 体都是 穿梭质粒 ， 由 因此 还 含 有 大 肠 杆 菌 质 粒 的 复制 单 元 及 筛 选 标 记 。 ＡＯＸ、 ＭＯＸ、 ＭＤ、 Ｆ ＤＨＡＳ是 甲 醇 营 养 型 酵 母 甲 醇 利 用 途 径 关 键 酶 ， 别 以 其 作 为 启 动 分 子 构 建 了 表 达 载 体 。 甲醇 营 养 型 酵 母 系统 可 以 利 用 两 类 筛 选 标 记 ， 类 是 营 养 缺 陷 型 选 一 择标 记 ， Ｐ 如 ｐ系 统 以 ＨＩ４为 筛 选 标 记 ， Ｓ Ｈｐ 以 ＬＥ 、 Ｕ２ ＵＲＡ３为 筛 选 标 记 带 有 筛 选 标 记 的 载 体 ＤＮＡ 导 入 酵 母 细 胞 后 与 宿 主 染 色 体 发 生 整 合 后 ， 宿 主 细 胞 能 在 选 择 培 养 基 上 使 生 长 ， 而 便 于 筛选 “ 。 另 一类 是 显 性 选 择 从 。 标 记 ， Ｔｎ ０ Ｋａ ￣ Ｓ 如 ９ ３ ｎ 、 ＵＣ２等 ， 使 利 用 全 即 培 养 基 也 能 达 到 筛 选 目 的 。 有 Ｔｎ ０ 含 ９ ３序 列 的 表 达 载 体 转 化 酵 母 菌 后 可 获 得 Ｇ４ ８抗 １ 性 ， 据 其 Ｇ４ ８抗 性 的 强 弱 ， 筛 选 到 含 高 根 １ 可 拷 贝外 源 基 因 的 转 化 子 。由 于 在 多 数 场 合 下 ， 醇 营 养 型 酵 母 不 能 有 效 识 别 外 源 蛋 白 甲 本 身的 信号 肽 ， 以在 Ｐ 所 ｐ表 达 载 体 中 ， 别 分 构 建 了 含 交 配 因 子 （ 称 因 子 ） ８ 亦 的 ９个 氨 基 酸 残 基 的 引 导 肽 或 含 酸 性 磷 酸 酶
组 ， 其 稳 定 地 表 达 外 源 蛋 白 外 源基 因 依 据 使
酵母表达系统
比较基因组学
通过比较不同物种之间的基因组 和转录组，分析生物进化的特征 和规律。
05 酵母表达系统的未来发展
提高表达产物的产量与质量
基因编辑技术
利用基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，对酵母基因进行精确修饰， 以提高目标蛋白的表达量和纯度。
沉默子
沉默子是能够抑制基因表达的DNA序列，通过与转录因子结合来抑制基因的表达，在基因表达调控中具有重要作 用。
转录因子与基因表达调控
转录因子
转录因子是能够识别并结合DNA序列的蛋白质，通过与特定DNA序列的结合来调控基因的表达。
转录因子与基因表达调控
转录因子在基因表达调控中发挥关键作用，通过与启动子、增强子或沉默子等DNA序列的相互作用来 调节基因的表达。
蛋白质相互作用
通过酵母双杂交等技术研究蛋白质之间的相互作用，揭示基因调控 的分子机制。
基因突变分析
通过构建突变体分析基因突变对酵母生长、代谢等的影响，研究基因 的功能。
生物进化研究
物种进化
利用酵母表达系统研究物种之间 的进化关系，通过比较不同物种 之间基因表达的差异，揭示物种 进化的规律。
适应性进化
利用酵母表达系统生产食品添 加剂、酶制剂等，提高食品质 量和安全性。
农业领域
通过酵母表达系统改良农作物 ，提高抗逆性、产量和品质等
。
酵母表达系统的优缺点
优点
操作简便、周期短、成本低、可大规 模生产、安全性高。
缺点
表达水平相对较低、分泌蛋白的加工 和修饰能力有限、易受宿主菌遗传背 景的影响。
02 酵母表达系统的基本组成
对启动子、终止子等表达元件进行优化，提高其转 录和翻译效率，促进目标蛋白的表达。
甲醇酵母表达系统研究进展
摘要 ： 甲醇 酵 母 是 一 种 新 的 基 因 表 达 系 统 ， 着 许 多 突 出 有 ｍ ｔｎ ｃ ａ ｍ ｄｉ ａ也 是 一 种 甲醇 代 谢 酵 母 ， 甲醇 代 谢 与 其 ｉｆ ａｔ ｌ ｏｓ ｉＴ ｍ ｔ ｎ ｃ ａ ａ有 两 个 乙 醇 氧 化 酶 基 因 的优 点 。多 种重 组 蛋 白 已在 甲醇 酵 母 获 得 成 功 表 达 。该 文 综 Ｐｄ ａｐ ｓ ｒ 相 似 。 Ｐｄｉ ａｍ ｄｉ 述几 种 甲醇 酵母 表达 系统 的特 点和 现状 。 Ａ Ｇ１ Ａ Ｇ ， Ｕ １ 甲 醇 代 谢 中 起 主 要 作 用 ， Ｇ Ｕ 和 Ｕ ２Ａ Ｇ 在 ＡＵ ２与 Ａ Ｇ Ｕ １ 有 ８ ％ 的 同 源 性 ， 细 胞 中 乙 醇 氧 化 酶 的 活 性 主 要 有 Ａ Ｇ１ ３ 但 Ｕ 提 关键 词 ： 甲醇 酵母 ； 组 蛋 白； 重 高密 度 培养 ； 达 系统 表 中图分 类 号 ：７２ Ｑ８ 文献 标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ４— ３ １ 供 。如果 Ａ Ｇ 缺 损 仅 有 Ａ Ｇ １０ １Ｘ Ｕ １ Ｕ ２提 供 乙 醇 氧 化 酶 活 性 ， 甲醇 在 （Ｏ ２ Ｏ ２ ０ ） ４—０ ４ ０ ２一位 作唯 一碳 源 培养基 上表 现为慢 生 型 ｂ ￣ ｌ Ｕ ｌ ［ 。Ａ Ｇ１的启 动子受 ｕ ３ 甲醇 酵母 是指 能 利用 甲醇作 唯 一碳 源 的 一类 酵 母 ， 代 谢 甲醇专 一诱 导且 高水 平表 达 ， ／ ｌ ｅ ｏｕ／ 其 Ｐｃ ａ ｍ ｔ ／￣ｃ ｈ ｈ ／ ａ就 是利 用 Ａ Ｇ１ Ｕ 甲醇 的第 一 步是 ， 醇 氧化 酶 的作 用 下 甲醇 被 氧化 成 甲醛 。调 启动子 调 控 外 源 基 因 的表 达 。Ａ Ｇ１基 因 的 表达 被 葡 萄 糖 抑 在 Ｕ