重組DNA技術(shù)與基因工程課件

1、重組DNA技術(shù)與基因工程 5 2 3 4 1 6 重組DNA技術(shù)與基因工程的基本概念 重組DNA技術(shù)所需的基本條件 重組DNA技術(shù)的操作過(guò)程 目的基因的克隆與基因文庫(kù)的構(gòu)建 外源基因在大腸桿菌中的表達(dá) 外源基因在酵母中的表達(dá) 酵母的分類學(xué)特征 酵母菌（Yeast）是一群以芽殖或裂殖方式進(jìn)行無(wú)性繁殖的單細(xì) 胞真核生物，分屬于子囊菌綱（子囊酵母菌）、擔(dān)子菌綱（擔(dān)子酵母 菌）、半知菌類（半知酵母菌），共由56個(gè)屬和500多個(gè)種組成。如 果說(shuō)大腸桿菌是外源基因最成熟的原核生物表達(dá)系統(tǒng)，則酵母菌是最 成熟的真核生物表達(dá)系統(tǒng)。 A 酵母作為表達(dá)外源基因受體的特征 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 酵母表達(dá)外源基

2、因的優(yōu)勢(shì) 全基因組測(cè)序，基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理清楚，遺傳操作簡(jiǎn)便 能將外源基因表達(dá)產(chǎn)物分泌至培養(yǎng)基中 具有原核細(xì)菌無(wú)法比擬的真核蛋白翻譯后加工系統(tǒng) 大規(guī)模發(fā)酵歷史悠久、技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉 不含有特異性的病毒、不產(chǎn)內(nèi)毒素，美國(guó)FDA認(rèn)定為安全的 基因工程受體系統(tǒng)（Generally Recognized As Safe GRAS） 酵母是最簡(jiǎn)單的真核模式生物 A 酵母作為表達(dá)外源基因受體的特征 酵母的受體系統(tǒng)B 目前已廣泛用于外源基因表達(dá)和研究的酵母包括： 酵母屬 如釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 克魯維酵母屬 如乳酸克魯維酵母（Kluyveromyces la

3、ctis） 畢赤酵母屬 如巴斯德畢赤酵母（Pichia pastoris） 裂殖酵母屬 如非洲酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe） 漢遜酵母屬 如多態(tài)漢遜酵母（Hansenula polymorpha） 其中釀酒酵母的遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究最為詳盡，但巴斯德畢赤酵母 表達(dá)外源基因最理想。 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 提高重組蛋白表達(dá)產(chǎn)率的突變型受體 抑制超糖基化作用的突變型受體 衰減泛素依賴型蛋白降解作用的突變型受體 酵母的受體系統(tǒng)B 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 提高重組蛋白表達(dá)產(chǎn)率的突變型受體 能導(dǎo)致釀酒酵母中重組蛋白產(chǎn)量提高或質(zhì)量改善的突變類型： ssc1 ss

4、c2 rgr1 ose1 ssc11 rho- 突變類型生物效應(yīng)作用位點(diǎn) 改善重組蛋白分泌鈣離子依賴型的ATP酶 提高重組蛋白表達(dá)轉(zhuǎn)錄后加工 轉(zhuǎn)錄水平提高重組蛋白表達(dá) 轉(zhuǎn)錄水平提高重組蛋白表達(dá) 改善重組蛋白分泌羧肽酶Y 轉(zhuǎn)錄水平提高重組蛋白表達(dá) 抑制超糖基化作用的突變型受體 能抑制超糖基化的突變類型 mnn alg och 突變類型生物效應(yīng) 許多真核生物的蛋白質(zhì)在其天門冬酰胺側(cè)鏈上接有寡糖基團(tuán)，它們 常常影響蛋白質(zhì)的生物活性。整個(gè)糖單位由糖基核心和外側(cè)糖鏈兩部分 組成。 酵母菌普遍擁有蛋白 質(zhì)的糖基化系統(tǒng)，但野生 型釀酒酵母對(duì)異源蛋白的 糖基化反應(yīng)很難控制，呈 超糖基化傾向，因此超糖 基化缺陷

5、株非常重要。 甘露糖生物合成缺陷型 天門冬酰胺側(cè)鏈糖基化缺陷型 外側(cè)糖鏈添加缺陷型 衰減泛素依賴型蛋白降解作用的突變型受體 泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解作用 蛋白酶體 Lys HOOCUbiquitin 76 aa ubiquitin ligase E3 Lys ubiquitin ligase E3 Lys 靶蛋白 靶蛋白 靶蛋白 減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變型受體 酵母菌泛素依賴型蛋白降解系統(tǒng)的編碼基因 酵母共有四個(gè)泛素編碼基因： UBI 1 編碼泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52） 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期表達(dá) 穩(wěn)定期關(guān)閉 UBI 2 編碼泛素-羧基延伸蛋白52（CEP52） 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期表達(dá) 穩(wěn)定期關(guān)閉

6、UBI 3 編碼泛素-羧基延伸蛋白76（CEP76） 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期表達(dá) 穩(wěn)定期關(guān)閉 UBI 4 編碼泛素五聚體 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期關(guān)閉 穩(wěn)定期表達(dá) 酵母共有七個(gè)泛素連接酶基因： UBC 1、UBC 2、UBC 3、UBC 4、UBC 5、UBC 6、UBC 7 減少泛素依賴型蛋白降解作用的突變型受體 泛素降解途徑衰減的釀酒酵母 在釀酒酵母菌中，泛素主要由UBI 4基因表達(dá)，UBI 4-突變株能 UBI 4缺陷型： 正常生長(zhǎng)，但細(xì)胞內(nèi)游離泛素分子的濃度比野生株要低得多， 因此UBI 4缺陷突變株是外源基因表達(dá)理想的受體。 UBA 1缺陷型： UBA1編碼泛素激活酶E1，UBA1突變株是致死性的，但其等位

7、基因缺陷是非致死性的，而且也能削弱泛素介導(dǎo)的蛋白降解。 Ubc4 - ubc5 雙突變型： 七個(gè)泛素連接酶基因的突變對(duì)衰減蛋白降解作用同樣有效。 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 酵母中的野生型質(zhì)粒 酵母的載體系統(tǒng)C 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 酵母中的野生型質(zhì)粒 釀酒酵母中的2m環(huán)狀質(zhì)粒 同源重組 REP1 RAF STB ori REP2 FLP IR IR A B 幾乎所有的釀酒酵母中都含有2m雙鏈 環(huán)狀質(zhì)粒，拷貝數(shù)達(dá)50至100個(gè)。 IRs 反向重復(fù)序列，600 bp，重組 FLP 編碼產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)IRs的同源重組 REP 編碼產(chǎn)物控制質(zhì)粒的穩(wěn)定性 STB REP的結(jié)合位點(diǎn) 接合酵母屬中的pSR1和

8、pSB1，以及 克魯維酵母屬中的pKD1等均與2m質(zhì) 粒類似。 乳酸克魯維酵母中的線狀質(zhì)粒 乳酸克魯維酵母中含有兩種不同 pGKL1 8.9 kb DNA聚合酶 毒素蛋白ab 免疫蛋白 g 亞基 的雙鏈線狀質(zhì)粒pGKL1和pGKL1 拷貝數(shù)為50-100個(gè)，分別攜帶K1 K2兩種能使多種酵母菌致死的毒 反向重復(fù)序列 素蛋白編碼基因（a b g），同時(shí) 酵母中的野生型質(zhì)粒 含有毒素蛋白抗性基因。 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 含有ARS的YRp質(zhì)粒的構(gòu)建 ARS為酵母菌中的自主復(fù)制序列，0.8-1.5kb，染色體上每30-40kb 就有一個(gè)ARS元件。酵母菌自主復(fù)制型質(zhì)粒的構(gòu)建組成包括復(fù)制子、標(biāo) 記基

9、因、提供克隆位點(diǎn)的大腸桿菌質(zhì)粒DNA。 以ARS為復(fù)制子的質(zhì)粒稱為YRp 上述兩類質(zhì)粒在釀酒酵母中的拷貝數(shù)最高可達(dá)200個(gè)，但培養(yǎng)幾代 以2m質(zhì)粒上的復(fù)制元件為復(fù)制子的質(zhì)粒稱為YEp 后，質(zhì)粒的丟失率高達(dá)50%-70%，主要是由于分配不均勻所致。 含有CEN的YCp質(zhì)粒的構(gòu)建 CEN為酵母菌染色體DNA上與染色體均勻分配有關(guān)的序列 將CEN DNA插入含ARS的質(zhì)粒中，獲得的新載體稱為YCp YCp質(zhì)粒具有較高的有絲分裂穩(wěn)定性，但拷貝數(shù)只有1 - 5個(gè) 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 YAC載體應(yīng)含有下列元件： 酵母染色體的端粒序列 酵母人造染色體的構(gòu)建： pYAC4 CEN4 EcoRI URA3

10、TEL BamHI TEL ori Apr TRP1 ARS1 酵母染色體的復(fù)制子 酵母染色體的中心粒序列 酵母系統(tǒng)的選擇標(biāo)記 大腸桿菌的復(fù)制子 大腸桿菌的選擇標(biāo)記 YAC載體的裝載量為350-400 kb 含有TEL的YAC質(zhì)粒的構(gòu)建 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 酵母人造染色體的使用： pYAC4 CEN EcoRI URA TEL BamHI TEL ori Apr TRP ARS EcoRIEcoRI EcoRI BamHI 連接 轉(zhuǎn)化酵母菌重組酵母染色體 含有TEL的YAC質(zhì)粒的構(gòu)建 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 含有酵母菌染色體DNA同源序列的YIp質(zhì)粒的構(gòu)建 在大腸桿菌質(zhì)粒上組 裝酵母菌染色

11、體DNA特定 序列和標(biāo)記基因，構(gòu)建出 來(lái)的質(zhì)粒稱為Yip。目的基 因表達(dá)盒通常插在染色體 DNA特定序列中，這樣目 的基因就能借助同源重組 高效整合入酵母菌特定的 染色體DNA區(qū)域。 酵母克隆表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 酵母的轉(zhuǎn)化程序 轉(zhuǎn)化質(zhì)粒在酵母細(xì)胞中的命運(yùn) 用于酵母轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因 酵母的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)D 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 酵母的轉(zhuǎn)化程序 酵母菌原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法 早期酵母菌的轉(zhuǎn)化都采用在等滲緩沖液中穩(wěn)定的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法 在Ca2+和PEG的存在下，轉(zhuǎn)化細(xì)胞可達(dá)原生質(zhì)體總數(shù)的1-2%。但該程 序操作周期長(zhǎng)，而且轉(zhuǎn)化效率受到原生質(zhì)再生率的嚴(yán)重制約。 原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，一個(gè)受體細(xì)胞可同

12、時(shí)接納多 個(gè)質(zhì)粒分子，而且這種共轉(zhuǎn)化的原生質(zhì)體占轉(zhuǎn)化子總數(shù)的25-33%。 堿金屬離子介導(dǎo)的酵母菌完整細(xì)胞的轉(zhuǎn)化 釀酒酵母的完整細(xì)胞經(jīng)堿金屬離子（如Li+等）、PEG、熱休克處 理后，也可高效吸收質(zhì)粒DNA，而且具有下列特性： 吸收線型DNA的能力明顯大于環(huán)狀DNA，兩者相差80倍 共轉(zhuǎn)化現(xiàn)象極為罕見(jiàn) 酵母的轉(zhuǎn)化程序 酵母電擊轉(zhuǎn)化法 酵母菌原生質(zhì)體和完整細(xì)胞均可在電擊條件下吸收質(zhì)粒DNA，但 在此過(guò)程中應(yīng)避免使用PEG，它對(duì)受電擊的細(xì)胞具有較很大的負(fù)作用 電擊轉(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于受體細(xì)胞的遺傳特征及培養(yǎng)條件適用范圍 廣，而且轉(zhuǎn)化率可高達(dá)105/mg DNA。 酵母的轉(zhuǎn)化程序 轉(zhuǎn)化質(zhì)粒在酵母細(xì)胞

13、中的命運(yùn) 單雙鏈DNA均可轉(zhuǎn)化酵母菌，但單鏈的轉(zhuǎn)化率是雙鏈的10-30倍； 含有復(fù)制子的單鏈質(zhì)粒進(jìn)入細(xì)胞后，能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為雙鏈并復(fù)制； 不含復(fù)制子的單鏈質(zhì)粒進(jìn)入細(xì)胞后，能高效地同源整合入染色體 這對(duì)于體內(nèi)定點(diǎn)突變酵母基因組極為有利； 克隆在YIp整合型質(zhì)粒上的外源基因，如果含有受體細(xì)胞的染色體 DNA的同源序列，會(huì)發(fā)生高頻同源整合，整合子占轉(zhuǎn)化子總數(shù)的 50-80%。 用于酵母轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因 營(yíng)養(yǎng)缺陷型的互補(bǔ)基因 用于酵母轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因主要有營(yíng)養(yǎng)缺陷型互補(bǔ)基因和 顯性基因兩大類： 營(yíng)養(yǎng)缺陷型互補(bǔ)基因主要有氨基酸和核苷酸生物合成基因，如： LEU、TRP、HIS、LYS、URA、AD

14、E 但對(duì)于多倍體酵母來(lái)說(shuō)，篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型的受體非常困難。 顯性標(biāo)記基因的編碼產(chǎn)物大都是毒性物質(zhì)的抗性蛋白 顯性標(biāo)記基因 aph 氨基糖苷轉(zhuǎn)移酶 抗G418 cat 氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶 抗氯霉素 dhfr 二氫葉酸還原酶 抗氨甲喋呤和磺胺 cup1 銅離子螯合物 耐受銅離子 suc2 蔗糖轉(zhuǎn)化酶 耐受高濃度蔗糖 ilv2 乙酰乳糖合成酶 抗硫酰脲除草劑 標(biāo)記基因編碼產(chǎn)物遺傳表型 用于酵母轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因 用于酵母轉(zhuǎn)化子篩選的標(biāo)記基因 顯性標(biāo)記基因 釀酒酵母的生長(zhǎng)為氨甲 喋呤和對(duì)氨基苯磺酰胺 的混合物所抑制，前者 抑制二氫葉酸還原酶的 活性，后者則阻止四氫 葉酸的生物合成。因此 在酵母載體上過(guò)量

15、表達(dá) 二氫葉酸還原酶基因（ dhfr），可以有效抵消 由于氨甲喋呤抑制所造 成的酵母內(nèi)源性二氫葉 酸還原酶活性的不足。 酵母啟動(dòng)子的可控性 外源基因在酵母中表達(dá)的限制因素 酵母表達(dá)系統(tǒng)的選擇 酵母的表達(dá)系統(tǒng)E 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 酵母啟動(dòng)子的可控性 溫度控制型啟動(dòng)子 pho4TS-PHO5啟動(dòng)子： 釀酒酵母PHO5啟動(dòng)子在培養(yǎng)基中游離磷酸鹽耗盡時(shí)才能打開(kāi)； PHO4基因編碼產(chǎn)物是PHO5啟動(dòng)子的正調(diào)控因子； 因此，裝在pho4TS-PHO5啟動(dòng)子下游的外源基因在35時(shí)關(guān)閉， 23誘導(dǎo)表達(dá)。 PHO4溫度敏感型突變基因pho4TS的編碼產(chǎn)物在35時(shí)失活； a 型啟動(dòng)子 hmla a2-1

16、02 MATa a1Sir3-8TS a 型啟動(dòng)子 受體細(xì)胞基因組 重組質(zhì)粒 a 型啟動(dòng)子 hmla a2-102 MATa a1 Sir3-8TS a 型啟動(dòng)子 a a2 a a1 25 35 a - a a 型啟動(dòng)子： 釀酒酵母有a和a a兩種單倍 體，分別由MATa和MATa a 兩個(gè)等位基因決定。 a a1因子決定a a細(xì)胞特征表達(dá) a a2因子阻遏a細(xì)胞特征表達(dá) a1-a2阻遏a a細(xì)胞特征表達(dá) 編碼a a2因子的基因突變型 hmla a2-102能產(chǎn)生a a2變體， 它能滅活a1，同時(shí)阻遏a型 酵母啟動(dòng)子的可控性 溫度控制型啟動(dòng)子 超誘導(dǎo)型啟動(dòng)子 GAL1GAL7GAL10UASG

17、AL4GAL80 半乳糖誘導(dǎo)效果不明顯，基因基底水平表達(dá) GAL1GAL7GAL10UASGAL4GAL80 半乳糖誘導(dǎo)時(shí)，GAL4高效表達(dá)，GAL1、GAL1、GAL10超高效表達(dá) GAL10 Promoter 釀酒酵母 的半乳糖 利用酶系 由 G A L 1 G A L 7 和 G A L 1 0 基因編碼 酵母啟動(dòng)子的可控性 外源基因在酵母中表達(dá)的限制因素 外源基因穩(wěn)態(tài)mRNA的濃度 外源基因mRNA的翻譯活性 酵母菌對(duì)密碼子的偏愛(ài)性 在釀酒酵母中，高豐度的蛋白質(zhì)（如甘油醛-3-磷酸脫氫酶 GAPDH、磷酸甘油激酶PKG、乙醇脫氫酶ADH）中96% 以上的氨基酸是由25個(gè)密碼子編碼的。

18、酵母表達(dá)系統(tǒng)的選擇 釀酒酵母的基因表達(dá)系統(tǒng)最為成熟，包括轉(zhuǎn)錄活性較高的甘油 醛-3-磷酸脫氫酶基因GAPDH、磷酸甘油激酶基因PKG、乙醇脫氫 釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng) 酶基因ADH所屬的啟動(dòng)子，多種重組外源蛋白獲得成功表達(dá)。 釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)的最大問(wèn)題在于其超糖基化能力，往往使得 有些重組蛋白（如人血清白蛋白等）與受體細(xì)胞緊密結(jié)合，而不能 大量分泌。這一缺陷可用非釀酒酵母型的表達(dá)系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)。 乳酸克魯維酵母的雙鏈環(huán)狀質(zhì)粒pKD1已被廣泛用作重組異源 蛋白生產(chǎn)的高效表達(dá)穩(wěn)定性載體，即便在無(wú)選擇壓力的條件下，也 乳酸克魯維酵母表達(dá)系統(tǒng) 能穩(wěn)定遺傳40代以上。 乳酸克魯維酵母表達(dá)分泌型和非分泌型的重組蛋白

19、，性能均優(yōu) 于釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)。 酵母表達(dá)系統(tǒng)的選擇 巴斯德畢赤酵母是一種甲基營(yíng)養(yǎng)菌，能在低廉的甲醇培養(yǎng)基中生 巴斯德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng) 長(zhǎng)，甲醇可高效誘導(dǎo)甲醇代謝途徑中各酶編碼基因的表達(dá)。因此生長(zhǎng) 迅速、乙醇氧化酶基因AOX1所屬?gòu)?qiáng)啟動(dòng)子、表達(dá)的可誘導(dǎo)性是巴斯 德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)的三大優(yōu)勢(shì)。 由于巴斯德畢赤酵母沒(méi)有合適的自主復(fù)制型載體，所以外源基因 的表達(dá)序列一般整合入受體的染色體DNA上。在此情況下，外源基因 具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重組蛋白在巴斯德畢赤酵母系統(tǒng)中獲得成功表達(dá)。 的高效表達(dá)在一定程度上取決于整合拷貝數(shù)的多寡。目前已有20余種 酵母表達(dá)系統(tǒng)的選擇 巴斯德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng) 酵母表達(dá)系統(tǒng)的選

20、擇 多型漢遜酵母也是一種甲基營(yíng)養(yǎng)菌。其自主復(fù)制序列HARS已被 多型漢遜酵母表達(dá)系統(tǒng) 克隆，并用于構(gòu)建克隆表達(dá)載體，但與巴斯德畢赤酵母相似，這種載 體在受體細(xì)胞有絲分裂時(shí)顯示出不穩(wěn)定性。所不同的是，HARS質(zhì)粒 能高頻自發(fā)地整合在受體的染色體DNA上，甚至可以連續(xù)整合100多 目前，包括乙型肝炎表面抗原在內(nèi)的數(shù)種外源蛋白在該系統(tǒng)中獲 個(gè)拷貝，因此重組多型漢遜酵母的構(gòu)建也是采取整合的策略。 得成功表達(dá)。 酵母表達(dá)系統(tǒng)的選擇 由乙型肝炎病毒（HBV）感染引起的急慢性乙型肝炎是一種嚴(yán)重 的傳染病，每年約有200萬(wàn)病人死亡，并有3億人成為HBV攜帶者，其 中相當(dāng)一部分人可能轉(zhuǎn)化為肝硬化或肝癌患者。目前

21、對(duì)乙型肝炎病毒 還沒(méi)有一種有效的治療藥物，因此高純度乙型疫苗的生產(chǎn)對(duì)預(yù)防病毒 感染具有重大的社會(huì)效益，而利用重組酵母大規(guī)模生產(chǎn)乙型疫苗為其 廣泛應(yīng)用提供了可靠的保證。 利用重組酵母生產(chǎn)乙肝疫苗F 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 產(chǎn)乙肝表面抗原的重組釀酒酵母 乙型肝炎病毒的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 產(chǎn)乙肝表面抗原的重組巴斯德畢赤酵母 利用重組酵母生產(chǎn)乙肝疫苗F 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 乙型肝炎病毒的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 乙肝病毒是一種蛋白包裹型的雙鏈DNA病毒，具有感染力的病毒 乙型肝炎病毒的結(jié)構(gòu) 顆粒呈球面狀，直徑為42nm，基因組僅為3.2kb。病毒顆粒的主要結(jié) 構(gòu)蛋白是病毒的表面抗原多肽（HBsAg）或S多肽，它

22、具有糖基化和 非糖基化兩種形式。顆粒內(nèi)的蛋白成份包括核心抗原（HBcAg）、病 除此之外，被乙肝病毒感染的人的肝臟還能合成并釋放大量的22 毒DNA聚合酶亞基、微量病毒蛋白。 nm的空殼亞病毒顆粒，其免疫原性是未裝配的各種包裝蛋白組份的 1000倍。包裝蛋白共有三種轉(zhuǎn)膜糖蛋白：S、M、L多肽。 乙型肝炎病毒的包裝蛋白編碼基因 ATGATGATGTAA 108 aa55 aa226 aa preS1preS2S S 多肽226 aa M 多肽281 aa L 多肽399 aa 乙型肝炎病毒的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 乙肝病毒在體外細(xì)胞培養(yǎng)基中并不能繁殖，因此第一代的乙肝疫 傳統(tǒng)乙肝疫苗的制備 苗是從病毒攜帶者

23、的肝細(xì)胞質(zhì)膜上提取出來(lái)的。雖然這種質(zhì)膜來(lái)源的 疫苗具有較高的免疫原性，但由于原材料的限制難以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。 乙型肝炎病毒的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 產(chǎn)乙肝表面抗原的重組釀酒酵母 20世紀(jì)80年代開(kāi)始選擇釀酒酵母表達(dá)重組HBsAg，主要工作包括 將S多肽的編碼置于ADH1啟動(dòng)子控制下，轉(zhuǎn)化子能表達(dá)出具有免疫活 性的重組蛋白，它在細(xì)胞提取物中以球形脂蛋白顆粒的形式存在，平 均顆粒直徑為22nm，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)均與慢性乙肝病毒攜帶者血清中 的病毒顆粒相同。 目前，由釀酒酵母生產(chǎn)的重組HBsAg顆粒已作為乙肝疫苗商品化 重組產(chǎn)物的最終產(chǎn)量可達(dá)細(xì)胞總蛋白量的1%-2%。 進(jìn)一步的研究表明，M多肽和L多肽對(duì)S型疫苗具有顯

24、著的增效作 用，由三者（或兩者）構(gòu)成的復(fù)合型乙肝疫苗還可以誘導(dǎo)那些對(duì) S 抗 原缺乏響應(yīng)的人群的免疫反應(yīng)。 產(chǎn)乙肝表面抗原的重組巴斯德畢赤酵母 整合型重組巴斯德畢赤酵母的構(gòu)建 PARS2 Bgl II 5 AOX1 HBsAg PHIS4 3 AOX1 Bgl II pBSAG151 11 kb Bgl II 5 AOX1 HBsAgPHIS43 AOX1 his+的轉(zhuǎn)化子 重組分子 轉(zhuǎn)化his-的受體細(xì)胞 染色體DNA 重組巴斯德畢赤酵母的性能 由于巴斯德畢赤酵母染色體DNA上還擁有第二個(gè)乙醇氧化酶基因 AOX2，所以整合型重組菌仍能在含有甲醇的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。 重組菌首先在含有甘油的培養(yǎng)基中

25、培養(yǎng)，待甘油耗盡后，加入甲 醇誘導(dǎo)HBsAg表達(dá)，最終S蛋白的產(chǎn)量可達(dá)細(xì)胞可溶性蛋白總量的3% 在大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程中，巴斯德畢赤酵母工程菌在一個(gè)240L的發(fā)酵罐 中培養(yǎng)，最終可獲得90克22nm的HBsAg顆粒，足夠制成900萬(wàn)份乙肝 疫苗。 產(chǎn)乙肝表面抗原的重組巴斯德畢赤酵母 G 酵母糖蛋白生產(chǎn)的人源化改造 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 除抗體外，哺乳動(dòng)物絕大多數(shù)糖蛋白的半衰期和功能依賴于糖鏈末 端的唾液酸，其它裸露的末端糖（如甘露糖、N-乙酰葡糖胺、半乳糖等） 會(huì)被糖特異性的受體或凝集素清除。由于不少藥用糖蛋白需要唾液酸化， 因此其生產(chǎn)目前只能依靠哺乳動(dòng)物受體，因?yàn)楹笳吣苓M(jìn)行人樣化的N-糖

26、基化反應(yīng)，包括在末端加唾液酸的能力。酵母和絲狀真菌作為重組蛋白 表達(dá)系統(tǒng)，與哺乳動(dòng)物細(xì)胞相比，具有較高的重組蛋白表達(dá)率、較短的 發(fā)酵周期、能在化學(xué)成分確定的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)等很多優(yōu)勢(shì)。然而，野生 型酵母往往將高甘露糖型的多糖鏈加在蛋白質(zhì)上，直接影響表達(dá)產(chǎn) 物在人體內(nèi)的穩(wěn)定性與功效。 ERER兩種多糖合成途徑的比較 人類糖蛋白側(cè)鏈多聚糖的成熟，涉 及下列基因編碼的酶系： MnsI： a-1,2-甘露糖苷酶 I MnsII：a-1,2-甘露糖苷酶 II GnTI： b-1,2-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶 I GnTII：b-1,2-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶 II GalT： b-1,4-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶 SiaT

27、： a-2,6-唾液酸苷轉(zhuǎn)移酶 巴斯德畢赤酵母細(xì)胞中不存在上述 酶系。 巴斯德畢赤酵母糖鏈合成的人源化改造JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 Stephen R. Hamilton et al. Science 313. 1441. 2006 敲除4個(gè)基因，摧毀巴斯德畢赤酵母原有的超糖基化系統(tǒng)： Doch1，Dpno1，Dmnn4B，Dbmt2 導(dǎo)入9個(gè)基因，構(gòu)建人的糖基化系統(tǒng)： UgnT：小鼠的UDP-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 UgnT：克魯維酵母的UDP-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 MnsI：小鼠的a-1,2-甘露糖苷酶 I MnsII：

28、果蠅的a-1,2-甘露糖苷酶 II GnTI：人的b-1,2-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶 I GnTII：大鼠的b-1,2-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶 II GalE：裂殖酵母的半乳糖差向異構(gòu)酶 GalE：果蠅的UDP-半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 GalT：人的b-1,4-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶 YSH577 rEPO 巴斯德畢赤酵母糖鏈合成的人源化改造JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 Stephen R. Hamilton et al. Science 313. 1441. 2006 YSH577 rEPO JC308 WT RDP750 b-1,N-GlcNAc

29、 b-1,4-GlcNAc b-1,2-GlcNAc b-1,4-Man a-1,6-Man a-1,3-Man a-1,2-Man b-1,4-Gal 巴斯德畢赤酵母糖鏈合成的人源化改造JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 Stephen R. Hamilton et al. Science 313. 1441. 2006 YSH577 rEPO 再導(dǎo)入5個(gè)基因，構(gòu)建末端唾液酸的添加系統(tǒng)： GNE：人的UDP-N-乙酰葡糖胺-2-差向異構(gòu)酶 / SPS：人的N-乙酰甘露糖胺丙酮酸-9-磷酸合成酶 CSS：人的CMP-唾液酸合成酶 CST

30、：小鼠的CMP-唾液酸運(yùn)輸因子 ST： 人的唾液酸轉(zhuǎn)移酶與酵母II型轉(zhuǎn)膜定位肽 遺憾的是，YSH577株并未像預(yù)期的那樣在糖基末端有 效添加唾液酸。 N-乙酰甘露糖胺激酶 融合體 巴斯德畢赤酵母糖鏈合成的人源化改造JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 Stephen R. Hamilton et al. Science 313. 1441. 2006 YSH577 rEPO 改善唾液酸化反應(yīng)的效率： 優(yōu)化GNE、SPS、CSS、CST基因的密碼子； 構(gòu)建其它形式的唾液酸轉(zhuǎn)移酶（ST）融合肽，發(fā)現(xiàn)來(lái)自 小鼠a-2,6-ST的催化功能域與釀酒

31、酵母甘露糖基轉(zhuǎn)移酶1 將上述五個(gè)基因全部克隆在一個(gè)表達(dá)載體上，并用該表 （Mnt1）的靶向信號(hào)肽相融合的嵌合體，特別有效； 達(dá)載體轉(zhuǎn)化YSH577株，獲得YSH597株。 巴斯德畢赤酵母糖鏈合成的人源化改造JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 Stephen R. Hamilton et al. Science 313. 1441. 2006 YSH577 rEPO JC308 WT YSH597 b-1,N-GlcNAc b-1,4-GlcNAc b-1,2-GlcNAc b-1,4-Man a-1,6-Man a-1,3-Man a-

32、1,2-Man b-1,4-Gal a-2,6-Sia RDP750 重組巴斯德畢赤酵母分泌的rEPO的鑒定 JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 YSH577 rEPO 重組rEPO的HPLC圖譜分析： 重組巴斯德畢赤酵母分泌的rEPO的鑒定 JC308 WT RDP750 YSH557 YSH597 Y11430 WT YSH551 YSH577 rEPO 重組rEPO的血細(xì)胞比容分析： YSH551株 YSH597株 注射第 8 天 注射第15天 H 酵母轉(zhuǎn)錄機(jī)器的基因工程綜合改造 6 外源基因在酵母中的表達(dá) 化石能源的日益消耗大大

33、促進(jìn)了可再生型生物燃料（如乙醇等）的 開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。然而，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵是酵母對(duì)高濃度乙 醇和葡萄糖的耐受性。長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍關(guān)注的是對(duì)乙醇生物合成基 因和耐受基因的遺傳操作，這些努力雖然取得了顯著的進(jìn)步，但似乎觸 及了極限?；蚬こ谈牧寄芊裢黄七@一極限呢？Hal Alper等人提出的所 謂轉(zhuǎn)錄機(jī)器綜合基因操作戰(zhàn)略（Global transcription machinery engineering，gTME）讓我們看到了新的希望。 釀酒酵母轉(zhuǎn)錄機(jī)器的定向改造 在釀酒酵母中，乙醇生物合成基因與其他看家基因一 樣，由RNA聚合酶 II 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶 II 系統(tǒng)包 含 75

34、 種一般轉(zhuǎn)錄因子或共激活因子，其中最關(guān)鍵的是 TFIID復(fù)合物，包含TATA-BOX結(jié)合蛋白（TBP，由基 因 SPT15 編碼）及其及 14 種激活因子（TAFs）。有 證據(jù)顯示，TATA-BOX結(jié)合蛋白的突變會(huì)改變RNA聚合 酶對(duì)啟動(dòng)子的特異性識(shí)別性質(zhì)，進(jìn)而影響眾多不同基 因的表達(dá)譜。這便是轉(zhuǎn)錄機(jī)器綜合基因操作戰(zhàn)略的 Hal Alper et al. Science 314. 1565. 2006 理論基礎(chǔ)。 TATA-BOX TBP TAFs TFIID complex 釀酒酵母轉(zhuǎn)錄機(jī)器的定向改造 Hal Alper et al. Science 314. 1565. 2006 利 用 易 錯(cuò) P C R 技 術(shù) 構(gòu) 建 SPT15的突變文庫(kù)，轉(zhuǎn)入釀 酒酵母標(biāo)準(zhǔn)單倍體BY4741 株，該單倍體含有內(nèi)源性野 生型的SPT15染色體拷貝。 然后在逐次提高的高濃度乙 醇和葡萄糖存在下篩選耐受 突變株。 當(dāng)篩選壓力增加到6%的乙 醇和120g/L的葡萄糖時(shí)，獲得spt15-300突變株，它