酵母整合型質粒

酵母整合型質粒

分類：遺傳學

質粒是染色體外能夠進行自主複製的遺傳單位，包括真核生物的細胞器和細菌細胞中染色體以外的脫氧核糖核酸（DNA）分子。現在習慣上用來專指細菌、酵母菌和放線菌等生物中染色體以外的DNA分子。在基因工程中質粒常被用做基因的載體。許多細菌除了染色體外，還有大量很小的環狀DNA分子，這就是質粒（plasmid）（補充：部分質粒為RNA）。質粒上常有抗生素的抗性基因，例如，四環素抗性基因或卡那黴素抗性基因等。有些質粒稱為附加體（episome），這類質粒能夠整合進細菌的染色體，也能從整合位置上切離下來成為遊離於染色體外的DNA分子。

目前，已發現有質粒的細菌有幾百種，已知的絕大多數的細菌質粒都是閉合環狀DNA分子（簡稱cccDNA）。細菌質粒的相對分子質量一般較小，約為細菌染色體的0.5%～3%。根據相對分子質量的大小，大致上可以把質粒分成大小兩類：較大一類的相對分子質量是40×106以上，較小一類的相對分子質量是10×106以下（少數質粒的相對分子質量介於兩者之間）。每個細胞中的質粒數主要決定於質粒本身的複製特性。按照複製性質，可以把質粒分為兩類：一類是嚴緊型質粒，當細胞染色體複製一次時，質粒也複製一次，每個細胞內只有1～2個質粒；另一類是鬆弛型質粒，當染色體複製停止后仍然能繼續複製，每一個細胞內一般有20個左右質粒。一般分子量較大的質粒屬嚴緊型。分子量較小的質粒屬鬆弛型。質粒的複製有時和它們的宿主細胞有關，某些質粒在大腸桿菌內的複製屬嚴緊型，而在變形桿菌內則屬鬆弛型。

在基因工程中，常用人工構建的質粒作為載體。人工構建的質粒可以集多種有用的特徵於一體，如含多種單一酶切位點、抗生素耐藥性等。常用的人工質粒運載體有pBR322、pSC101。pBR322含有抗四環素基因（Tcr）和抗氨苄青霉素基因（Apr），並含有5種內切酶的單一切點。如果將DNA片段插入EcoRI切點，不會影響兩個抗生素基因的表達。但是如果將DNA片段插入到HindIII、BamHI或SalI切點，就會使抗四環素基因失活。這時，含有DNA插入片段的pBR322將使宿主細菌抗氨苄青霉素，但對四環素敏感。沒有DNA插入片段的pBR322會使宿主細菌既抗氨苄青霉素又抗四環素，而沒有pBR322質粒的細菌將對氨苄青霉素和四環素都敏感。pSC101與pBR322相似，只是沒有抗氨苄青霉素基因和PstI切點。質粒運載體的最大插入片段約為10kb（kb表示為千鹼基對）。

酵母雙雜交技術是一種有效的真核活細胞內研究方法，在蛋白質相互作用的研究方面得到了廣泛的應用並取得了許多有價值的重要發現。作為一個完整的實驗系統，它自建立以來經過了不斷的改進與完善，不僅進一步提高了實驗結果的可靠性與精確性，而且在此基礎上又發展了反向雙雜交，三雜交及核外雙雜交等多項技術。這些都將對功能基因組學和蛋白質組學的研究起到促進作用。

隨著分子生物學研究尤其是人類基因組計劃的迅速發展，大量關於基因結構的信息不斷湧現，對這些信息進行系統研究以了解新基因功能的要求也日益迫切。這不僅需要利用計算機進行生物信息學的分析和預測，而且必須結合生物學實驗獲取證據。為適應同時對多個基因或蛋白進行研究的發展趨勢，已出現了很多新技術，如DNA微陣列技術（DNAmicoarry），基因表達的系列分析（SAGE），肽質譜分析法，蛋白雙向膠電泳技術及酵母雙雜交技術（YeastTwo-HybridSystem）等。其中酵母雙雜交技術以其簡便，靈敏，高效以及能反映不同蛋白質之間在活細胞內的相互作用等特點在基因功能的研究中得到了廣泛的應用。

1酵母雙雜交技術的基本原理

1989年，Song和Field建立了第一個基於酵母的細胞內檢測蛋白間相互作用的遺傳系統〔1〕。很多真核生物的位點特異轉錄激活因子通常具有兩個可分割開的結構域，即DNA特異結合域（DNA-bindingdomain，BD）與轉錄激活域（Transcriptionalactivationdomain，AD）。這兩個結構域各具功能，互不影響。但一個完整的激活特定基因表達的激活因子必須同時含有這兩個結構域，否則無法完成激活功能。不同來源激活因子的BD區與AD結合后則特異地激活被BD結合的基因表達。基於這個原理，可將兩個待測蛋白分別與這兩個結構域建成融合蛋白，並共表達於同一個酵母細胞內。如果兩個待測蛋白間能發生相互作用，就會通過待測蛋白的橋樑作用使AD與BD形成一個完整的轉錄激活因子並激活相應的報告基因表達。通過對報告基因表型的測定可以很容易地知道待測蛋白分子間是否發生了相互作用。

酵母雙雜交系統由三個部分組成：（1）與BD融合的蛋白表達載體，被表達的蛋白稱誘餌蛋白（bait）。（2）與AD融合的蛋白表達載體，被其表達的蛋白稱靶蛋白（prey）。（3）帶有一個或多個報告基因的宿主菌株。常用的報告基因有HIS3，URA3，LacZ和ADE2等。而菌株則具有相應的缺陷性。雙雜交質粒上分別帶有不同的抗性基因和營養標記基因。這些有利於實驗後期雜交質粒的鑒定與分離。根據目前通用的系統中BD來源的不同主要分為GAL4系統和LexA系統。後者因其BD來源於原核生物，在真核生物內缺少同源性，因此可以減少假陽性的出現。

2酵母雙雜交技術的應用現狀

酵母雙雜交技術產生以來，它主要應用在以下幾方面：（1）檢驗一對功能已知蛋白間的相互作用。（2）研究一對蛋白間發生相互作用所必需的結構域。通常需對待測蛋白做點突變或缺失突變的處理。其結果若與結構生物學研究結合則可以極大地促進後者的發展。（3）用已知功能的蛋白基因篩選雙雜交cDNA文庫，以研究蛋白質之間相互作用的傳遞途徑。（4）分析新基因的生物學功能。即以功能未知的新基因去篩選文庫。然後根據釣到的已知基因的功能推測該新基因的功能。

3常見問題的解決與改進

酵母雙雜交系統應用中常遇到的問題一是假陽性較多，二是轉化效率偏低。所謂假陽性就是：在待研究的兩個蛋白間沒有發生相互作用的情況下，報告基因被激活。主要原因是由於BD融合誘餌蛋白有單獨激活作用，或者這種融合蛋白的激活作用被外來蛋白激活。另外AD融合靶蛋白如果有DNA的特異性結合，則也可單獨激活報告基因的表達。因此，為排除假陽性就需要作嚴格的對照試驗。應對誘餌和靶蛋白分別作單獨激活報告基因的鑒定。目前幾個公司推出的酵母雙雜系統都採用了多個報告基因，且每個報告基因的上游調控區各不相同，這可減少大量的假陽性。另外，報告基因通常整合到染色體上，可以使基因表達水平穩定，消除了由於質粒拷貝數變化引起基因表達水平波動而造成的假陽性。即使根據嚴格的對照實驗證明確實發生了蛋白間的相互作用，還應對以下方面進行分析：

（1）這種相互作用是否會在細胞內自然發生，即這一對蛋白在細胞的正常生命活動中是否會在同一時間表達且定位在同一區域。

（2）某些蛋白如是依賴於遍在蛋白的蛋白酶解途徑的成員，它們具有普遍的蛋白間的相互作用的能力。

（3）一些實際上沒有任何相互作用的但有相同的模體（motif）如兩個親a-螺旋的蛋白質間可以發生相互作用。十年來，酵母雙雜交技術一直在消除假陽性方面不斷改進，並且已取得較好的效果〔2，3〕。

在酵母雙雜交的應用中有時也會遇到假陰性現象。所謂假陰性，即兩個蛋白本應發生相互作用，但報告基因不表達或表達程度甚低以至於檢測不出來〔4〕。造成假陰性的原因主要有兩方面：一是融合蛋白的表達對細胞有毒性。這時應該選擇敏感性低的菌株或拷貝數低的載體。二是蛋白間的相互作用較弱，應選擇高敏感的菌株及多拷貝載體。目前假陰性現象雖不是實驗中的主要問題，但也應予以重視。

轉化效率是酵母雙雜交文庫篩選時成敗的關鍵之一，特別是對低丰度cDNA庫進行篩選時，必須提高轉化效率。轉化時可採用共轉化或依次轉化，相比之下共轉化省時省力。更重要的是如果單獨轉化會發生融合表達蛋白對酵母細胞的毒性時，共轉化則可以減弱或消除這種毒性。一種更有效的方法是將誘餌蛋白載體與靶蛋白載體分別轉入不同接合型的單倍體酵母中，通過兩種接合型單倍體細胞的雜交將誘餌蛋白與靶蛋白帶入同一個二倍體細胞。

目前很多機構建立了大量的cDNA文庫和基因組文庫，但這些文庫大多無法直接用於雙雜交系統的篩選。而文庫的質量對於轉化和篩選又非常關鍵。因此，大量構建適用於酵母雙雜交的文庫非常必要。現已出現一種採用體內重組技術來達到這個目的的方法〔5〕。

4酵母雙雜交技術的新發展

酵母雙雜交技術在應用中發揮了巨大的作用，但人們也注意到了它有一定的局限性。為此發展了多種適應不同目的需要的改型的雙雜交技術。

反向雙雜交技術在研究中檢測並鑒定出那些能阻斷兩個蛋白間相互作用的因素有重要意義。在研究那些能使相互作用被阻斷的因素（如尋找哪些結構域上發生突變可使相互作用中斷或那些分子可以阻斷相互作用）時，傳統的雙雜交技術有較大的局限性。因此，反向雙雜交系統（ReverseTwo-HybridSystem）應運而生〔6，7〕。這項技術的特點是採取了反選擇篩選策略。根據反選擇設計的不同，大致可以分為兩類。一類是用便於反選擇的URA3或CYH2基因作為報告基因。URA3基因編碼尿嘧啶合成途徑中的重要酶：乳清酸核苷5’-磷酸脫羧酶，它能把5’-氟乳清酸（5’-FOA）轉變為細胞毒性物質，使細胞無法生長。反之，在能生長的細胞中，外界因素已使蛋白間的相互作用不能發生，而我們想知道的正是這些因素。因此，只要對存活的克隆進行檢測就可以得到結果。Vidal等人用這種技術發現了影響轉錄因子E2F1中與DP1相互作用必需區內的點突變〔9〕。另一類是將常規報告基因（如HIS3）置於大腸桿菌轉座子Tn10編碼的tet-抑制因子（TetR）/操縱基因控制之下。待測蛋白之間發生相互作用后首先激活tet-R基因表達抑制因子TetR，TetR結合到tet操縱基因后就抑制了報告基因的表達，結果轉化子不能生長。只有當待測蛋白之間的相互作用被某種因素所阻斷而無法激活tet-R基因時，報告基因才能擺脫tet操縱基因的控制而表達，使轉化子獲得在選擇培養基上生長的能力。Shih等人利用這種方法鑒定出cAMP-應答元件結合蛋白（cAMP-responseelementbindingprotein，CREB）中磷酸化位點的Ser133突變會阻斷其與輔助激活因子（CREB結合蛋白）的相互作用〔8〕。

三雜交技術在許多細胞內信號傳遞過程中，兩個蛋白間的相互作用常涉及到其它的大分子。如蛋白，激酶，RNA，多肽及其它大分子。在研究這些大分子對蛋白間相互作用的影響過程中發展了一種新的技術系統——三雜交系統（Three-HybridSystem），其本質與雙雜交是相同的，只是需通過第三個分子的介導把兩個雜交蛋白帶到一起〔9〕。例如小配體三雜交系統（SmallLigandThree-HybridSystem）是利用可以滲透的二聚體化學誘導物（ChemicalInducersofDimerization，CIDS）作橋樑，將AD和BD融合蛋白連接到一起，激活報道基因的表達。研究較多的是免疫抑製劑FK506〔10〕。Belshaw等將FK506與環孢菌素A（CyclosporinA）構建成異源二聚體，它能把分別與FK506和環孢菌素A有相互作用的AD和BD融合蛋白拉倒一起，激活報告基因〔11〕。Licitra將FK506與地米塞松（dexamethasone）通過共價鍵連接成二聚體。通過實驗進一步證實了FK506與蛋白FKBP-12間的特異性相互作用〔12〕，表明用這種方法鑒定蛋白與小分子間的相互作用是切實可行的。RNA與蛋白之間的相互作用是許多細胞生命活動的基礎，例如mRNA的翻譯，早期發育以及RNA病毒的感染等。然而可用於這方面研究的簡便方法卻很少。RNA三雜交系統（RNAThree-HybridSystem）的建立為分析RNA與蛋白之間的相互作用提供了有效的手段。這個系統主要是由一個RNA分子和兩個都能結合該RNA的蛋白質組成。此RNA的一部分與一個已知蛋白結合后就可利用它的另一部分去篩選新的RNA結合蛋白。因此這種技術既可檢測由RNA介導的兩個蛋白質之間的相互作用，也可篩選鑒定新的蛋白結合RNA。Putz等把HIV-1病毒Rev蛋白的突變體RevM10與Gal4DB域融合作為誘餌蛋白，利用該RevM10蛋白能識別並結合其靶RNA中Rev蛋白反應元件（Revresponsiveelement，RRE）的作用去篩選同樣也能與此RNA結合併已與Gal4AD域融合的未知蛋白。根據同樣的原理，如將一個已知RNA與RRE融合形成雜合RNA分子並配以RevM10-Gal4DB融合蛋白作為誘餌，便可用於篩選該RNA結合蛋白的cDNA克隆〔13〕。SenGupta等利用RNA噬菌體衣殼蛋白能識別結合其基因組內一種21核苷酸的RNA莖環結構的特性，將RNA噬菌體衣殼蛋白與LexDB域融合，構建成可用於尋找體內的RNA結合蛋白的酵母三雜交系統〔14〕。

核外雙雜交技術在傳統的酵母雙雜交系統中，蛋白之間的相互作用是在細胞核內發生的。因此，它不能檢測某些在核外蛋白之間的相互作用。為了克服這種局限性，近年來有人建立了核外雙雜交技術。其中SRS和USPS就是這種技術的兩個代表。SRS也稱Sos蛋白召集系統（SosRecruitmentSystem）。它的基本原理是分別將待測蛋白X與哺乳動物細胞的一種鳥苷交換因子（EGF）Sos蛋白融合；將Y蛋白與錨定在酵母細胞膜上的Src肉豆寇烯化信號蛋白融合，並使它們共表達於一個cdc25-2基因溫度敏感型突變的酵母菌株內。由於該菌株中cdc25-2基因編碼的EGF蛋白在36℃條件下不能激活細胞膜上的Ras蛋白，Ras途徑不通。所以細胞無法在36℃條件下生存。但如果待測蛋白X與Y之間發生相互作用就能把Sos蛋白帶到細胞膜上並激活附近的Ras蛋白，從而打通Ras途徑，使該菌株獲得在36℃條件下生存的能力。Aronheim等用此技術鑒別出了一些新的c-Jun相互作用蛋白，並分離到了一個AP-1抑制因子JDP2〔15〕。USPS也稱為基於遍在蛋白的裂解蛋白感受器（Ubiquitin-basedSplitProteinSensor）。它的設計是根據這樣一個事實，即真核細胞中遍在蛋白與某一蛋白之間新生成的融合會被遍在蛋白特異的蛋白酶（UBPs）迅速切開，但這種切割只有當遍在蛋白正確摺疊時才會發生。研究發現，遍在蛋白基因的N端和C端這兩部分即使分離，只要共表達與同一個細胞內，它們仍能正確摺疊。將待測蛋白X與帶有點突變的遍在蛋白N端片段融合，將待測蛋白Y與下游接有報告蛋白的正常遍在蛋白C端片段融合，並使它們共表達與同一個細胞內。因遍在蛋白N端片段內含有點突變，它與C端片段之間不能自然形成正確的摺疊。只有當蛋白X和Y之間發生相互作用時才能克服點突變的影響，使遍在蛋白的兩端形成正確摺疊，從而引來UBPs切除與C端片段連接的報告蛋白。此技術建立之初是通過Westernblot檢測有無被切下的報告蛋白來判斷待測蛋白之間是否發生了相互作用的，所以操作比較繁瑣，不便於推廣〔16〕。最近有人對它作了改進，以一種融合的轉錄激活因子PLV作為報告蛋白。PLV一旦被從遍在蛋白C端片段上切下，它就會進入細胞核內激活特定的報告基因，如：LacZ和HIS3等。這樣就可以根據轉化細胞是否生長及顯色來判斷待測蛋白之間有無相互作用。因此極大地簡化了操作步驟，提高了篩選效率〔17〕。

5酵母雙雜交技術發展與應用的趨勢

在後基因組時代更具意義且更能發揮酵母雙雜交技術的領域是研究生命活動中的網路調節〔18〕。第一個具有開拓性的工作是Bartel利用酵母雙雜交技術建立了一個T7-噬菌體的網路調節圖（linkage-map）〔19〕。Fromont-Racine等對篩選到的陽性克隆進行鑒定測序，並將它們分為5類，然後對其中的四類（非編碼序列除外）通過15輪的篩選與分析，繪製出一張綜合了酵母蛋白相互作用的全局性信息圖〔20〕。這是以往的實驗所難以獲得的。

為適應功能基因網路調控研究的需要，CLONTECH公司在Merck-Washington大學的EST項目研究成果基礎上，採用了與傳統建庫方式完全不同的細胞內同源重組方法，以高通量規模構建了一種陣列模式的酵母雙雜交cDNA文庫。它主要有以下特點：

（1）來源於多種組織器官和細胞系，因此含有幾乎所有基因的cDNA；

（2）所含各種cDNA的丰度趨於平衡；

（3）含有較長的插入序列，但不是全長cDNA序列。

這樣既避免了5’非編碼區可能存在的終止密碼阻礙融合蛋白的翻譯，又保證了表達出的蛋白構象接近於天然。這種建庫方法不僅減少了工作量，而且在雙雜交中新發現的相互作用蛋白種類也明顯增多〔21〕。

最後，有必要指出的是，酵母雙雜交技術必須與其它技術結合才能有利於對實驗結果作出更為完整和準確的判斷。