酵母表达系统构成要素
酵母表达载体和大肠杆菌的表达载体在结构上是相似的,但是由于真核生物与原核生物存在很大的差异,所以在启动子等调控元件上会有一定的差别。不同的真核生物表达载体在结构上有所不同,即使是同一种真核生物的不同类型表达载体在结构上也有所不同。
由于大肠杆菌质粒转化简单、高效,制备方便,因此为了操作上的简便,酵母表达载体一般都构建成带有大肠杆菌质粒基本骨架的大肠杆菌—酵母穿梭载体。这样就可以在大肠杆菌中完成表达载体的构建,然后导入酵母细胞中表达。
总的来说,酵母表达载体至少要含两类序列:
第一类是原核质粒的序列,包括在大肠杆菌中起作用的复制起始位点、能用在细菌中筛选克隆的抗药性基因标志等,以便载体在插入真核基因后能很方便地在大肠杆菌系统中筛选获得目的重组DNA分子,并复制繁殖得到足够使用的数量。
第二类是在酵母细胞中控制基因表达所需要的元件,包括启动子、增强子、转录终止子和加poly(A)信号序列、mRNA剪接信号序列、能在宿主细胞中复制或增殖的序列、能用在宿主细胞中筛选的标志基因,以及供外源基因插入的单一限制性内切酶识别位点等。
酵母表达载体的基本构件包括DNA复制起始区、选择标记、整合介导区、有丝分裂区、表达盒,即在酵母载体的基础上增加了基因表达盒。
1.DNA复制起始区
这是一段具有DNA复制起始功能的DNA序列,它能使载体在酵母细胞中具有复制并分配到子代细胞的能力,使表达载体能在酵母细胞中稳定传递下去。这种序列通常来自酿酒酵母2μm质粒的复制起始序列,或是酵母基因组中的自主复制序列。酵母整合型载体是整合到酵母染色体上,作为染色体的一部分随染色体的复制而复制的一类载体,这类表达载体的构建不需要DNA复制起始区,但是在非整合型载体中DNA复制起始区是必不可少的。
2.选择标记
选择标记是载体转化酵母时筛选转化子所必需的元件,它能和宿主的基因型配合,或者能使宿主产生新的表型,从而筛选出重组子。酵母表达系统筛选标记一般可以分为两类,一类是营养缺陷型筛选标记,如ura3、his3、leu2、lys3等,它能互补宿主的营养缺陷型基因,使转化子在特定基本培养基上生长;另一类是显性筛选标记,主要是G418、放线菌酮(CYH)、潮霉素等抗性标记。显性筛选标记的优点是它可以用于野生型酵母菌株的转化,也可以用于多倍体酵母,而营养缺陷型筛选标记几乎无法在多倍体酵母中使用。
3.整合介导区
这是一段与宿主基因组序列高度同源的DNA序列,它可以介导载体和宿主染色体为基础发生同源重组,使载体整合到染色体上,对于整合性载体是必不可少的。理论上染色体的任何序列都可以作为整合介导区,但是方便使用的是营养缺陷型筛选标记。如果需要获得多拷贝的重组菌可以采用基因组的重复序列(如18S rDNA、Ty序列)。18S rDNA在生物中是最为保守的基因之一,多拷贝广泛分布于染色体上,一个酵母有超过500个18S rDNA基因。Ty序列即酵母转座子因子,是由分散的DNA重复序列家族组成的,在不同品系的酵母中它们所处的位点不同。Ty因子提供了一个较小的同源区,是由宿主系统介导的重组的靶子。
4.有丝分裂区
有丝分裂区的作用就是当细胞处于有丝分裂时,能帮助游离型载体在母细胞和子细胞之间平均分配,它是决定转化子稳定性的重要因素。常用的有丝分裂区是来自酵母的着丝粒片段,此外来自酿酒酵母的2μm质粒的STB片段也有助于提高游离载体的稳定性。有丝分裂区不是整合型载体所必需的,但缺少有丝分裂区的游离型载体很难稳定传代到子细胞。
5.表达盒
表达盒是指由目的基因、启动子和转录终止子共同构成的一个单顺反子结构,它是酵母表达载体最重要的核心元件,其作用是控制基因的转录和终止。表达盒除了启动子和转录终止子之外,还有Kozak序列、poly(A)信号序列等,如果要构建分泌表达还需要有信号肽序列。
启动子控制基因的转录起始,酵母的启动子大小一般为1~2 kb,不同的酵母会采用不同的启动子,也有组成型启动子等。一般来说,外源基因在酵母中的表达水平与启动子的强弱密切相关,所以筛选高效的启动子来表达外源基因就显得更为重要了。常用于构建酵母表达载体的酵母启动子有与糖代谢相关的启动子,如三磷酸甘油醛脱氢酶(GAP)启动子和磷酸甘油酸激酶(PGK)启动子;与醇代谢相关的启动子,如甲醇氧化酶(AOX)启动子和甲醛脱氢酶(FLD)启动子;半乳糖调节的启动子,如GAL1、GAL7和GAL10等。
与糖代谢相关的启动子,如PGK、GAP、乙醇脱氢酶Ⅰ(ADHⅠ)和α-烯醇化酶(ENOⅠ)的启动子等在早期被看作组成型启动子,能在酵母菌中高水平组成表达。但后来发现它们能被葡萄糖诱导,例如用PGK启动子表达α-干扰素时,在醋酸盐作碳源的培养基中加葡萄糖,表达可提高20~30倍。这类启动子已广泛应用于实验室,有的也用于工业。GAL1、GAL7和GAL10属于强调节启动子,用作真核生物转录调节的关键模式系统,多用于科研项目。