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科研 | 如何让酿酒酵母重组蛋白表达更高效？合成生物学家有奇招

iSynBio造物

2022-05-27

导读：本文可以指导设计用酵母和其他真核细胞作为宿主，生产工业或药物蛋白质。

自1982年，第一支重组人胰岛素问世以来，已经有超过170个重组蛋白相继出现，应用到医疗的各个领域。微生物作为细胞工厂，相比哺乳动物、昆虫、植物而言，是用于生产重组蛋白的最常用的平台。而在微生物中，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）由于其生长迅速、遗传操作简单、以及拥有真核翻译后修饰机制等优点，更加受研究者们青睐！

大量表达重组蛋白往往给细胞带来极大负担。在蛋白质正确折叠形成高级结构时，往往伴随着二硫键的形成。二硫键需要一分子氧作为电子受体，并在蛋白质二硫键异构酶（Protein disulfide isomerases ，PDI）的催化作用作用下产生。

研究发现，蛋白质二硫键异构酶会参与介导活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的形成累积，从而产生氧化应激，产生细胞毒性，导致细胞凋亡。因此，如何减轻氧化应激反应，调节细胞代谢流，使重组蛋白大量高效表达至关重要！

目前，有研究人员发现，当大量表达重组蛋白时，产生氧化应激的细胞表型与表达蛋白 amyloid-β（Aβ）表型一致，因此研究人员用表达Aβ42蛋白的酵母作为细胞模型。

近日，Chalmers University of Technology的Xin Chen在Metabolic Engineering 发表文章“Suppressors of amyloid-β toxicity improve recombinant protein production in yeast by reducing oxidative stress and tuning cellular metabolism”。研究人员发现，在酿酒酵母中降低蛋白amyloid-β（Aβ）的毒性，可以减轻氧化应激，促使重组蛋白高效表达。

图1 | 文章标题截图

►首先，作者采用合成基因列阵（synthetic genetic array, SGA）的方式筛选出一系列与蛋白Aβ42相关的基因，如下图所示：

图2 | 筛选与蛋白Aβ42毒性相关的基因

我们可以看到，以敲除Aβ42基因或未敲除Aβ42的对照菌株作为底盘，通过比较单克隆的大小，计算吻合分数（fitness score），由此进行相关基因的筛选。分数>0表示删除的基因可以降低Aβ42的毒性，分数<0则代表删除的基因增加了Aβ42的毒性。

文中以淀粉酶（α-amylase）作为目标蛋白，探究不同的遗传操作对该蛋白表达的影响。通过第一步的筛选，研究人员展示了一个与Aβ42毒性相关的基因敲除库，挑选出46个单基因敲除可以降低Aβ42毒性的菌株，用于表达淀粉酶，如图3所示。有趣的是，与对照菌株相比，这46个单基因敲除菌中，有26个显著改变了淀粉酶的生产能力，其中20个增加了淀粉酶的产量，而6个降低了淀粉酶的产量。