酵母表面展示技术简介

浅谈酵母表面展示技术
摘要：酵母表达体系同时具有真核细胞翻译后蛋白加工修饰的过程与原核表达体系的特点，因此，以酵母为基础的表面展示体系在诸多展示系统中有独特的优势。

本文主要对酵母细胞展示的理论基础、展示体系类型及应用研究的进展等进行了初步探讨。

关键字：酵母、表面展示、凝聚素、GPI
Scott 和Smith 在1985年通过发现短肽链可以融合到丝状噬菌体的锚定蛋白上，却不影响其感染大肠杆菌的能力，最早提出表面展示技术，促进了噬菌体表面展示系统的发展[1]。

自从丝状噬菌体表面展示技术创立以来，表面展示技术在很短的一段时间内得到快速发展，不同的实验室又分别发展T4 噬菌体、T7噬菌体、细菌、杆状病毒、酵母等表面展示系统。

微生物细胞表面展示是通过将靶蛋白基因序列与特定的载体蛋白基因序列融合后导入微生物宿主细胞，靶蛋白在载体蛋白的引导下表达并定位于微生物细胞表面，保持相对独立的空间构象和原有的生物学活性。

微生物细胞表面展示系统包括细菌展示系统、噬菌体展示系统以及酵母展示系统。

最早研究且比较成熟的系统是噬菌体展示系统，它是将外源的多肽与丝状噬菌体的次要外壳蛋白融合并展示在外壳表面，噬菌体展示系统目前主要用于从复杂的文库中分离特异性的配体、抗原、抗体，由于噬菌体颗粒较小，展示蛋白的大小和数量均有限。

原核蛋白主要用细菌展示系统展示，革兰氏阴性菌外表面有外膜，外源蛋白与暴露在细胞表面的外膜蛋白、脂蛋白、菌毛蛋白或鞭毛蛋白的末端融合后得到展示[2]。

酵母展示系统是比较理想的、应用最广泛的展示系统，其优势在于：遗传操作方便；能对表达的外源蛋白进行折叠、糖基化等翻译后修饰，因而适宜表达真核蛋白；另外，酵母可以在廉价的培养基中培养达到很高的细胞密度。

1 酵母表面展示系统原理
细胞表面是细胞内外的功能界面。

一些表面蛋白横穿过质膜，另一些以共价或非共价结构与细胞表面复合物结合一起。

细胞能够锚定特定的表面蛋白，并且能将其限制在细胞表面的特定区域。

在生物技术中，细胞表面通常用于研究蛋白跨膜的机理。

酵母细胞表面展示技术是近年来发展较快的一种真核蛋白表达系统，其基本原理是将外源靶蛋白基因(外源蛋白)与特定的载体基因序列融合后导入酵母细胞，利用酵母细胞内蛋白转运到膜表面的机制使靶蛋白固定化表达在酵母细胞表面，在医药、食品、生物燃料等多个工业领域都有广泛的应用前景[3]。

2 酵母表面展示系统基本组成
2.1 宿主细胞
酿酒酵母一直被认为是安全的模式生物（GRAS）而广泛应用于食品工业和医药工业，也是目前常见的用于酵母表面展示的宿主细胞。

除酿酒酵母外，近年来酵母展示平台已被拓展至某些能利用甲醇作为单一碳源和能量来源的细胞株，如巴斯德毕赤酵母、汉逊酵母。

与酿酒酵母相比，嗜甲醇酵母细胞株具有更优越的发酵特性，如能够在廉价的碳源中生长和更高的细胞培养密度，这些特性使其在需要大规模发酵的应用中更具优势，例如展示异源酶作为全细胞催化剂[4]。

另外，毕赤酵母对外源蛋白的O-糖基化程度更高，因而对展示的外源酶具有更好的稳定效果。

2.2 载体蛋白
酵母细胞表面包被着一层坚硬的细胞壁，由内层的葡聚糖骨架和外层的甘露糖蛋白构成。

甘露糖蛋白主要包括两类蛋白质：一种以非共价方式松散地结合于细胞壁，可以用SDS 抽提；另一类蛋白必需以β-1,3 或β-1,6 葡聚糖酶消化细胞壁后才能抽提，这类蛋白常含有GPI 锚定区域。

α-凝集素和絮凝素以及细胞壁蛋白如Cwp1p，Cwp2p，Tip1p 等都属于
GPI 家族蛋白，外源蛋白与它们融合后可被共价锚定于细胞表面，这些蛋白是常用的酵母表面展示载体蛋白。

2.3 外源蛋白
酵母表面展示系统适合展示各种真核蛋白，包括酶、细胞识别因子、受体、抗体、抗原等，被广泛地应用于蛋白质工程、全细胞催化、生物转化、细胞吸附、分子识别、生物治疗、信号转导、生物传感器和疫苗等领域。

外源蛋白与载体蛋白的融合方式有C 末端融合、N 末端融合、插入融合。

对某些外源蛋白，选择恰当的融合方式可以明显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 末端两种方式与其融合。

研究表明抗CD3ε单链抗体融合于Aga2p 蛋白C末端时，其亲和力较天然蛋白降低30～100倍[5]，而融合于N末端时活性得以恢复。

3 酵母表面展示系统的类型
目前，最常见的酵母表面展示表达系统包括: 凝集素展示表达和絮凝素展示表达[6]。

凝集素展示表达系统是将外源基因与酵母编码凝集素C端编码序列(含GPI锚定信号序列)连接后插入质粒载体的信号肽下游，融合蛋白诱导表达后，信号肽引导嵌合蛋白向细胞外分泌，由于融合蛋白C末端存在含GPI锚定信号的凝集素多肽序列，可将蛋白锚定在酵母细胞壁中，从而将蛋白分子展示表达在酵母细胞表面。

絮凝素展示表达系统利用絮凝素基因与外源蛋白融合，并将融合蛋白展露表达在细胞表面，此系统又包括两个子系统: GPI锚定系统和絮凝结构域锚定系统。

GPI锚定系统是利用絮凝素Flo1p的C末端含有的GPI信号锚定外源蛋白，此系统与凝集素展示相似; 絮凝结构域锚定系统是利用Flo1p的中间絮凝功能结构域与外源蛋白融合，通过絮凝功能结构域识别酵母细胞壁中的甘露聚糖链并非共价作用诱导细胞粘附、聚集成可逆性絮状物。

4 酵母表面展示系统的应用
4.1 酵母表面展示与酒精发酵
传统的酒精发酵是以淀粉质谷物或糖蜜为原料。

随着燃料酒精需求的日益增长，以天然纤维素类资源生产酒精的研究也日益受到人们重视。

由于纤维素类物质是自然界中一种潜在的可再生资源，对解决未来能源问题有着巨大的潜力，因此，天然纤维素酒精发酵具有重要意[7]。

Fujita 等[8]成功地将三种纤维素水解酶同时展示在酿酒酵母表面，从而构建了能够增效和按顺序降解纤维素的全细胞生物催化剂。

4.2 酵母表面展示系统与新药筛选
将未知功能的目的基因产物或特定病理过程相关蛋白产物展示在酵母表面，对cDNA 表达文库或突变体库进行筛选，能发现与这些未知功能的基因产物或病理过程相关产物发生相互作用的物质，有助于对未知基因功能的研究，并能发现一些药物作用的新靶点，或筛选到治疗疾病的新药先导化合物[9] 。

Visintin 等[10]将酵母表面展示技术与酵母双杂交技术相结合，将抗体的scFv 片断连接到转录因子VP16 的激活结构域( AD) 上，将抗原连接到LexA 的结合结构域( DB) 上，以His3 和LacZ 为报告基因，建立抗原抗体相互作用的展示方法。

当抗原- 抗体发生相互作用时，AD 和DB 的结合将启动报告基因的表达，可通过营养缺陷培养基进行检测。

这种方法从scFv 突变体展示库中将有可能筛选到抗原特异的抗体，为疫苗及抗体类药物的研制提供良好的平台。

4.3 酵母细胞表面展示与生物吸附
环境污染物的生物修复是以酶促降解或生物吸附为基础的，例如微生物对重金属的吸附就包括两种途径: ( 1) 与细胞表面复合物结合，( 2) 逐渐吸收在细胞内进行消化。

然而通过胞内消化降解有毒物质必须使细胞内酶，蛋白质或污染物跨越细胞膜这一屏障，比较缓慢及效率低而且不可重复利用。

利用表面展示技术能较好地解决这一问题，吸附蛋白直接展示在细胞表面，不仅使吸附过程快捷高效还可以利用回复剂如EDTA 对其进行处理使之不断重
复利用。

4.4 酵母表面展示与酶技术
酶的固定化是指借助物理或者化学方法将酶固定于特殊的相，使得酶与整体流体分开，但是仍然能够进行底物和效应物分子交换并发挥其催化效能的一种技术。

与游离酶相比，固定化酶提高了酶的稳定性，并使酶能够反复回收利用。

但是，传统的固定化方法也会产生一些不利因素，例如由于增加固定化操作，导致酶固定化过程中的活性收率损失；另外由于固定化操作需用载体，因而增加了载体成本费和固定化操作费用[11]利用表面展示技术将具有催化活性的酶展示于酵母等微生物细胞表面就形成了全细胞催化剂，与传统的细胞内酶和外分泌酶不同，表面展示的酶以共价或非共价方式固定于细胞外表面，这种独特的空间定位使其相对自由酶而言有许多优良的特性，如温度、有机溶剂稳定性、可多次重复使用等，这些特点与传统的固定化酶技术相似，但无需额外的蛋白纯化和固定的操作，有着良好的应用前景。

Katsumi [12]利用α凝集素系统将来源于产黄菌属的OPH 展示于酵母细胞表面，细胞荧光强度测量表明每个细胞表面可以展示1.4×104 个OPH 分子，酵母展示系统OPH酶活性较大肠杆菌冰晶核蛋白展示的酶活性更高，为有机磷化合物的脱毒提供了一种有效的生物催化剂。

5 结语
近十年来酵母表面工程技术在生物技术领域得到迅速发展，酵母表面展示系统不仅能展示单个亚单位蛋白，而且能展示异源寡聚体多亚单位蛋白。

酵母是真核生物，利用酵母为宿主展示表达的各种蛋白为人们研究和操作复杂真核蛋白成为可能。

另外，细胞代谢工程技术的进步使人们有能力通过增加或删除细胞内一些酶进而改变某些代谢途径某或创造新的代谢途径，该技术与细胞表面工程技术相结合，使表面工程酶细胞不仅仅作为单步反应的催化剂，而且可能被改造成为能催化多步反应、适合广泛用途的“细胞工厂”。

总之，随着更多展示载体蛋白及宿主细胞的发现，高效展示文库筛选方法的建立以及人们对表面展示技术认识的不断深化，酵母表面展示技术必将在生物质能源、生物化工、环境污染治理等领域得到广泛应用。

参考文献
[1] A. Kondo, M. Udea. Yeast cell surface display applications of molecular display. Appl Microbiol Biotechnol , 2004, 64: 28 -40
[2] 郭波，谢佩蓉等.酵母表面展示系统研究进展.生物化学与生物物理进展, 2002, 29(1) : 9- 22
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[12] Takayama K, Suye S, Kuroda K, et al. Surface display of organophosphorus hydrolase on Saccharomyces cerevisiae [J]. Biotechnol Prog, 2006, 22(4): 939-943。