酵母双杂交原理与应用

随着对多种重要生物的大规模基因组测序工作的完成，基因工程领域又迎来了一个新的时代---功能基因组时代。它的任务就是对基因组中包含的全部基因的功能加以认识。生物体系的运作与蛋白质之间的互作密不可分，例如：DNA合成、基因转录激活、蛋白质翻译、修饰和定位以及信息传导等重要的生物过程均涉及到蛋白质复合体的作用。能够发现和验证在生物体中相互作用的蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质是认识它们生物学功能的第一步。
酵母双杂交技术作为发现和研究在活细胞体内的蛋白质与蛋白质之间的相互作用的技术平台，在近几年来得到了广泛运用。酵母双杂交系统是在真核模式生物酵母中进行的，研究活细胞内蛋白质相互作用，对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通过报告基因的表达产物敏感地检测得到，它是一种具有很高灵敏度的研究蛋白质之间关系的技术。大量的研究文献表明，酵母双杂交技术既可以用来研究哺乳动物基因组编码的蛋白质之间的互作，也可以用来研究高等植物基因组编码的蛋白质之间的互作。因此，它在许多的研究领域中有着广泛的应用。本文就酵母双杂交的技术平台和应用加以介绍。

酵母双杂交系统原理

 

 

双杂交系统的建立得力于对真核生物调控转录起始过程的认识。细胞起始基因转录需要有反式转录激活因子的参与。80年代的工作表明，转录激活因子在结构上是组件式的（modula r），即这些因子往往由两个或两个以上相互独立的结构域构成，其中有DNA结合结构域（DNA binding domain，简称为DB）和转录激活结构域（activationdomain，简称为AD），它们是转录激活因子发挥功能所必需的。单独的DB虽然能和启动子结合，但是不能激活转录。而不同转录激活因子的DB 和AD形成的杂合蛋白仍然具有正常的激活转录的功能。如酵母细胞的Gal4 蛋白的DB 与大肠杆菌的一个酸性激活结构域B42融合得到的杂合蛋白仍然可结合到Gal4 结合位点并激活转录。Fields 等人的工作标志双杂交系统的正式建立。他们以与调控SUC2基因有关的两个蛋白质Snf1 和Snf2 为模型，将前者与Gal4 的DB 结构域融合，另外一个与Gal4 的AD结构域的酸性区域融合。由DB 和AD 形成的融合蛋白现在一般分别称之为“ 诱饵” （bait）和“ 猎物” 或靶蛋白（prey ortarget protein）。如果在Snf1 和Snf2 之间存在相互作用，那么分别位于这两个融合蛋白上的DB 和AD就能重新形成有活性的转录激活因子，从而激活相应基因的转录与表达。这个被激活的、能显示“ 诱饵” 和“ 猎物”相互作用的基因称之为报道基因（reporter gene）。通过对报道基因表达产物的检测，反过来可判别作为“ 诱饵” 和“ 猎物”的两个蛋白质之间是否存在相互作用。在此Fields 等人采用编码β - 半乳糖苷酶的LacZ作为报道基因，并且在该基因的上游调控区引入受Gal4 蛋白调控的GAL1 序列。这个改造过的LacZ 基因被整合到酵母染色体URA3位上。而酵母的GAL4 基因和GAL80 基因（Gal80 是Gal4的负调控因子）被缺失，从而排除了细胞内源调控因子的影响。已经知道在Snf1 和Snf2之间存在相互作用。结果发现只有同时转化了Snf1 和Snf2 融合表达载体的酵母细胞才有β -半乳糖苷酶活性，单独转化其中任何一个载体都不能检测出β - 半乳糖苷酶活性。

酵母双杂交系统发展

 

 

目前发展起来的各种双杂交系统大多是以Fields等人建立的系统为基础的。这些新系统主要对报道基因、“ 诱饵” 表达载体以及“ 猎物”表达载体等做了一些改进。其中一个重要改进是引入额外的报道基因，如广泛采用的HIS3 基因。经过改造带有HIS3报道基因的酵母细胞，只有当HIS3 被启动表达才能在缺乏组氨酸的选择性培养基上生长。HIS3 报道基因的转录表达是由“ 诱饵” 和“猎物” 的相互作用所启动的。大多数双杂交系统往往同时使用两个甚至三个报道基因，其中之一是LacZ。这些改造后的基因在启动子区有相同的转录激活因子结合位点，因此可以被相同的转录激活因子（如上述的Gal4蛋白）激活。通过这种双重或多重选择既提高了检测灵敏度又减少了假阳性现象。其他还有针对“ 诱饵” 或“ 猎物”表达载体等所作的改进。
在双杂交鉴定过程中要经过两次转化，这个工作量是相当大的，特别是寻找新的作用蛋白质的时候尤其如此。而且，酵母细胞的转化效率比细菌要低约4个数量级。因此转化步骤就成为双杂交技术的瓶颈。Bendixen等人通过酵母接合型的引用，避免了两次转化操作，同时又提高了双杂交的效率。在酵母的有性生殖过程中涉及到两种配合类型： a 接合型和α接合型，这两种单倍体之间接合（mating）能形成二倍体，但a 接合型细胞之间或α接合型细胞之间不能接合形成二倍体。根据酵母有性生殖的这一特点，他们将文库质粒转化α 接合型酵母细胞，“诱饵”表达载体转化a接合型细胞。然后分别铺筛选平板使细胞长成菌苔（lawn），再将两种菌苔复印到同一个三重筛选平板上，原则上只有诱饵和靶蛋白发生了相互作用的二倍体细胞才能在此平板上生长。单倍体细胞或虽然是二倍体细胞但DB融合蛋白和AD 融合蛋白不相互作用的都被淘汰。长出来的克隆进一步通过β -半乳糖苷酶活力进行鉴定。这项改进不仅简化了实验操作，而且也提高了双杂交的筛选效率。
在研究蛋白质的结构功能特点、作用方式过程中，有时还要通过突变、加抑制剂等手段破坏蛋白质间的相互作用。针对实际工作中的这种需要，Vidal等人发展了所谓的逆双杂交系统（reverse two-hybrid system）。这项技术的关键是报道基因URA3 的引入。URA3基因在这里起到了反选择的作用，它编码的酶是尿嘧啶合成的关键酶。该酶能把5- 氟乳清酸（5-FOA）转化成对细胞有毒的物质。Vidal等人通过改造在URA3 基因的启动子内引入Gal4 的结合位点。这个改造的酵母菌株在缺乏尿嘧啶的选择性培养基上只有当“ 诱饵” 和“猎物” 相互作用激活URA3 基因的表达才能生长。在含有5-FOA 的完全培养基上“ 诱饵” 和“ 猎物”的相互作用则抑制细胞的生长。然而如果目的蛋白，即与DB 或AD 融合的蛋白质发生了突变或者由于外加药物的干扰不再相互作用，URA3基因不表达，则细胞能在含有5-FOA 的完全培养基上生长。通过这种方法，Vidal 等人筛选到了转录因子E2F1的突变物，这些突变物仍然能结合视网膜母细胞瘤蛋白RB，但是丧失了同另外一种称为DP1蛋白的结合能力。结果得到了体外结合实验的验证。通过对这些突变蛋白基因的测序，他们发现了新的E2F1 同DP1结合的位点。