酵母表达系统的缺陷和初步解决方法
1.重组菌的稳定性
重组菌的稳定性包括酵母工程菌的稳定性和表达产物的可靠性两方面。工程菌的稳定性是指工程菌在高效表达和遗传上都能保持一定的稳定性,这是工程菌发酵,特别是大规模工业发酵生产中获得稳定产量的关键因素。要保持工程菌的稳定性最重要的一点就是尽量减少传代,工程菌种经常纯化,创造良好的培养条件,采用有效的菌种保存方法。在发酵工程中进行培养基和发酵条件的优化,尽量缩短发酵时间,都可以有效提高酵母工程菌的稳定性。表达产物的可靠性主要受宿主内基因重组和突变的影响,如点突变就可能会改变表达蛋白的特性。使用一些限制修饰系统缺陷的菌株可以降低缺失和重排对外源基因的影响,提高基因在细胞中的拷贝数也可以降低基因突变对表达产物的影响,因为一个基因的突变会被大量的正常基因覆盖掉。
2.转录和翻译错误
在酵母中,许多基因特定的A-T富含区可作为多聚腺苷酸或转录终止信号,导致仅产生低水平或截短的mRNA。如TTTTATA和ATTATTTTATAAA序列的基因在巴斯德毕赤酵母中容易发生转录提前终止现象。稀有密码子,尤其是稀有密码子富集区往往也是制约翻译速率的因素,甚至造成翻译错误。翻译错误一般是指由于使用酵母中稀有密码子而引起翻译中断或移位,进而导致蛋白发生改变。翻译错误不仅会影响表达蛋白的均一性和产量,也可能会导致蛋白质序列发生改变。翻译错误可通过对DNA序列修改来防止,通过定点突变去除成熟前终止结构域和替换稀有密码子、优化mRNA的二级结构,都可以提高正确的翻译产物的产量。在基因中存在大量A-T富含区和稀有密码子密集区时,往往需要进行全基因的优化合成。
3.表达的产物不稳定,容易被降解
采用融合表达或者分泌表达,可以降低表达产物被降解的可能性。利用液泡蛋白酶缺陷型菌株也可以降低表达产物的降解,但是酵母菌一般都含有多个蛋白酶基因,蛋白酶基因缺失过多的酵母菌株会有生长缓慢的现象。
4.分泌蛋白
酵母可以对很多表达蛋白进行分泌表达,分泌表达不仅可以提高表达水平,还可以简化表达产物的纯化步骤,同时分泌表达也是表达蛋白完成一系列加工和修饰的必需步骤,这对保证表达产物的天然活性十分重要。但是很多基因在酵母中表达还存在着分泌效率不高的问题,因此寻找更高效的分泌酵母菌株是需要进一步解决的问题。
酵母能够对分泌蛋白进行翻译后的修饰,修饰程度一般很高,但其修饰模式与高等真核生物有很大的差别。因此,要得到有活性的成熟蛋白产物,选择具有翻译后修饰能力的酵母以及合适的载体就十分重要了。大多酵母生产分泌蛋白时,能够进行糖基化并形成二硫键,而且能在信号肽的引导下进行分泌,但用KEX2蛋白酶除去α-因子的前导肽序列常不够完全,导致分泌蛋白有一个过长的氨基酸末端。这样的问题可采用氨基末端间隔序列解决。在α-因子的前导肽序列和产物之间加1个间隔序列,这个间隔序列可在体外或体内用特异蛋白酶或酵母天冬氨酰蛋白酶切除。
5.糖基化问题
酵母能进行N-糖基化,但主要是甘露糖型,还会发生过糖基化,而这样的糖基化会导致潜在免疫性。改变表达宿主糖基化背景能使产生的糖蛋白符合要求,但由于每种糖蛋白糖基化都不同,因而要分别测试所要表达的各种临床中使用的糖蛋白。有些酵母突变体可以产生较短的糖基化链,但是这类突变体生长不好,不利于作表达宿主。糖基化也是需要进一步解决的问题。
6.蛋白折叠问题
有些蛋白在酵母中高水平表达,如人血清白蛋白在P.pastoris中可达4 g/L,但有证据表明,一些蛋白在酵母中分泌后是错误折叠的,而且滞留在内质网(ER)腔内。许多重要的分泌蛋白和膜蛋白都是由2个或多个多肽或亚基组成的多聚体蛋白,它们都在内质网完成装配。不能折叠或错误折叠的蛋白都滞留在内质网腔内,转至细胞基质,进而被蛋白酶体降解。目前,对蛋白在酵母内质网腔内折叠和分泌中的作用还不清楚,这将是阻碍发展酵母表达的一个难题。