乳酸乳球菌表達系統(tǒng)及其啟動子的研究進展

王 慧，勞 曉，黃琳琳，方以誠，熊智強，艾連中，宋 馨*

（上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093）

乳酸菌是一類革蘭氏陽性、無孢子、G＋C含量低的細菌，已被歐洲食品安全局認證為“可用于食品生產的安全微生物”。乳酸乳球菌（）是研究乳酸菌的模式菌株，成為繼大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌之后最受關注的外源基因表達宿主。

相較大腸桿菌，乳酸乳球菌具有單一的外膜，能夠將目的蛋白直接分泌到細胞外環(huán)境中，且乳酸乳球菌具有獨特的胞外管家蛋白酶HtrA，僅分泌一種主要的胞外蛋白Usp45，最大限度減少了胞外蛋白水解系統(tǒng)對蛋白質的降解，更利于蛋白質的下游加工，因此作為細胞工廠被廣泛應用，生產具有商業(yè)價值的異源蛋白，如酶、化合物、抗原、過敏原和細胞因子等。

穩(wěn)定的載體骨架和高效可控的啟動子是保證乳酸乳球菌表達外源蛋白的關鍵因素，本文主要介紹了乳酸乳球菌表達系統(tǒng)，著重關注表達系統(tǒng)中的轉錄調控元件üü啟動子，詳細闡述啟動子的結構以及啟動子的預測與分析，總結新啟動子的克隆方法，最后對乳酸乳球菌啟動子的研究進行展望。以期為深入研究啟動子的結構和功能并進一步在工業(yè)上生產外源蛋白提供參考。

1 乳酸乳球菌表達系統(tǒng)

外源基因在乳酸乳球菌中表達的方法有兩種，一種是將其整合到染色體上，進而轉錄表達；另一種是將攜帶有外源基因的質粒載體轉入乳酸乳球菌中，通過質粒復制表達。根據上述兩種表達方式，可將乳酸乳球菌表達系統(tǒng)分為整合型及游離型。

整合型表達系統(tǒng)包括基于質粒的同源重組系統(tǒng)，基于外源重組酶的單鏈DNA（single-stranded DNA，ssDNA）重組系統(tǒng)、雙鏈DNA（double-stranded DNA，dsDNA）重組系統(tǒng)等。該類表達系統(tǒng)不需要篩選壓力，外源基因能夠隨基因組穩(wěn)定傳代并表達，但外源基因在基因組上往往是單拷貝，因此表達強度較低。相較于整合型表達系統(tǒng)，游離型表達系統(tǒng)能利用獨立自主復制的質粒載體更簡捷地表達外源蛋白。當質粒載體進入乳酸乳球菌中后，通過θ復制或滾環(huán)復制方式進行自主復制，目的基因的表達強度由表達載體的拷貝數決定，表達量會隨拷貝數的增加而提高，但游離型表達系統(tǒng)需要篩選壓力保持穩(wěn)定，且拷貝數很大時會增加載體的不穩(wěn)定性，進而影響基因的表達。

無論是整合型還是游離型表達系統(tǒng)，目的基因的穩(wěn)定表達都離不開啟動子元件。根據啟動子作用方式及功能，可將乳酸乳球菌表達系統(tǒng)分為誘導型啟動子表達系統(tǒng)及組成型啟動子表達系統(tǒng)。

1.1 誘導型啟動子表達系統(tǒng)

誘導型啟動子通常驅動細胞適應環(huán)境相關基因的表達，已知許多脅迫乳酸乳球菌啟動子的條件因素，如噬菌體感染、溫度或pH值變化、特定的糖等。由誘導型啟動子驅動的基因表達系統(tǒng)即為誘導型啟動子表達系統(tǒng)。

乳酸乳球菌中應用最廣泛的誘導型啟動子表達系統(tǒng)是由荷蘭國家乳品研究所開發(fā)的乳酸鏈球菌素誘導基因表達系統(tǒng)（the nisin controlled gene expression system，NICE）。在NICE系統(tǒng)中，位于膜上的組氨酸激酶NisK感知Nisin的誘導信號并進行自身磷酸化，隨后將磷酸基團轉移到細胞內反應調節(jié)蛋白NisR上，激活啟動子表達下游基因。Cia?ma等使用NICE系統(tǒng)，在Nisin誘導的P調控下，在乳酸菌分泌型表達載體pNZ8124中合成并克隆了人可溶性腫瘤壞死因子相關凋亡受體（tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL）cDNA（TRAIL-cDNA）。Feizollahzadeh等以攜帶NICE系統(tǒng)的質粒pNZ8149和乳酸乳球菌NZ3900分別作為載體和表達宿主，分泌表達白細胞介素-18。

NICE系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1）操作簡便、易于使用；2）可嚴格控制、誘導高產表達外源蛋白；3）能減少毒性蛋白的積累、避免細胞死亡。NICE系統(tǒng)的誘導劑、宿主菌和載體都是食品級的，安全可靠，應用前景相當廣闊。但Nisin的添加成本較高，且在蛋白的生產過程中（尤其是藥用蛋白）需進行下游提純。

P170表達系統(tǒng)是乳酸乳球菌中的另一類誘導型表達系統(tǒng)，由強誘導型啟動子P170控制。P170是通過轉座子誘變篩選而獲得的誘導型啟動子，該啟動子調控未知功能基因轉錄，細菌生長至穩(wěn)定期時，低pH值誘導P170表達上調，進而調控蛋白表達。與NICE系統(tǒng)相比，P170表達系統(tǒng)通過生長過程中乳酸的積累實現自我誘導，利于下游蛋白的純化，該表達系統(tǒng)已廣泛用于乳酸乳球菌的工業(yè)生產中。雖然該系統(tǒng)的啟動子是一個強誘導型啟動子，但其適宜運作的pH值范圍較狹窄，僅當pH 5.5時才能夠強烈轉錄。此外，該系統(tǒng)受培養(yǎng)溫度影響較大，溫度低時活性更強。

當培養(yǎng)基中鋅含量豐富時，乳酸乳球菌操縱子中的阻遏物與啟動子P結合，抑制基因轉錄，而缺鋅會導致失活，使得RNA聚合酶與P結合并進一步轉錄，研究者依此建立了P誘導表達系統(tǒng)。它基于乳酸乳球菌操縱子，該操縱子編碼緊急Zn吸收ABC轉運蛋白及其調控因子，而Zn可以抑制該轉運蛋白的表達。當外源添加乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）時，EDTA減少了培養(yǎng)基中的可用鋅，誘導P啟動，從而激活緊急攝取系統(tǒng)的轉錄。雖然通過EDTA可以耗盡Zn從而實現誘導，但這會阻礙需要陽離子的酶的過表達。

此外，鋅離子濃度調節(jié)表達系統(tǒng)（zinc-regulated expression system，Zirex）由肺炎鏈球菌P及其編碼調控蛋白SczA組成，將Nisin誘導的啟動子與鋅誘導的啟動子P結合，使不同基因在同一乳酸菌細胞中分別以Nisin和ZnSO為誘導劑，同時獨立表達。該系統(tǒng)有利于活性依賴Zn的羊毛硫肽環(huán)化酶及其他金屬酶的過表達。

除以上所述，乳酸乳球菌誘導表達系統(tǒng)還包括熱休克誘導系統(tǒng)、壓力誘導型表達系統(tǒng)（stress-inducible controlled expression，SICE）、木糖誘導表達系統(tǒng)（xylose-inducible expression system，XIES）、噬菌體?31爆發(fā)式誘導的表達系統(tǒng)、胍丁胺控制表達系統(tǒng)（agmatine-controlled expression，ACE）等。但這些系統(tǒng)大多實用價值不高，因為它們只能在有限范圍內可控，效率較低。具體表現在：1）相應的誘導劑是必需的營養(yǎng)物或代謝物，其在培養(yǎng)物中的濃度無法完全控制；2）對分解代謝物的抑制非常敏感（如某些糖誘導系統(tǒng)）；3）誘導表達的啟動子活性會降低；4）操作過程復雜繁瑣。目前最廣泛使用和最有效的基因表達系統(tǒng)依然是NICE系統(tǒng)。

1.2 組成型啟動子表達系統(tǒng)

許多已鑒定的啟動子不受任何調節(jié)劑或生長條件的控制，結構基因的表達水平通常恒定在一定水平上，具有無時空特異性的特點，被稱為組成型啟動子。在乳酸乳球菌中，已鑒定出一些組成型啟動子，如P、P、P、P以及P、P、P、P，目前已被廣泛應用于乳酸乳球菌中表達外源基因（表1）。

表1 組成型啟動子調控表達異源蛋白Table 1 Constitutive promoters regulating the expression of heterologous proteins

盡管組成型啟動子成本較低、易于使用且不受培養(yǎng)基的限制，但與誘導型啟動子相比，其表達強度不高。因此，篩選強組成型啟動子成為近年的研究熱點。

2 啟動子的結構

啟動子作為表達系統(tǒng)的一個重要元件，對基因的高水平表達起著關鍵的調控作用。

原核生物啟動子長度約20～200 bp，轉錄起始位點（transcription start site，TSS）上游200 bp到下游100 bp為啟動子的保守區(qū)域。對于典型的原核啟動子，其保守區(qū)域包括TSS、-35區(qū)（Sextama框）、-10區(qū)（Pribnow框）以及間隔區(qū)（指在-10區(qū)和-35區(qū)之間的序列）（圖1）。

幾乎所有的啟動子TSS上游10 bp處都有一個6 bp的保守序列（TATAAT），即-10區(qū)。另外一個6 bp的保守區(qū)域位于-35區(qū)，序列為TTGACA，其堿基的保守性較-10區(qū)低。研究發(fā)現，替換-10區(qū)內序列比替換-35區(qū)內序列對啟動子活性影響更大。然而，相較于間隔區(qū)域的距離差異，序列構成并不重要，間隔太小或太大均會不同程度地影響啟動子活性。-35區(qū)和-10區(qū)間的最佳間隔序列為17 bp，也可能小于15 bp或者大于20 bp。另外，-10區(qū)延伸序列、-35區(qū)上游的UP元件、-10區(qū)與TSS的間隔序列等非典型元件都對啟動子的活性有影響（圖1）。

圖1 原核啟動子核心保守序列Fig.1 Conserved core sequences of prokaryotic promoters

在基因轉錄過程中RNA聚合酶具有重要作用，它能特異性識別啟動子并與之結合，隨后轉錄才能開始。啟動子與RNA聚合酶的親和力越高，啟動子活性越高，基因的表達水平越高。RNA聚合酶由5個亞基構成，分別為亞基、亞基、’亞基、亞基和Sigma（σ）因子。σ因子能使RNA聚合酶核心酶識別和結合到啟動子的TSS上，決定了RNA聚合酶對啟動子序列的特異性，在基因轉錄過程中起著關鍵作用。

核糖體結合位點（ribosome binding site，RBS）是位于起始密碼子AUG上游的一段富含嘌呤的DNA序列（AGGAGG），也稱作Shine-Dalgarno（SD）序列。該序列能識別核糖體16S rRNA并與之進行互補配對，促使mRNA與核糖體結合，從而促進翻譯的起始。目前，并沒有研究揭示乳酸乳球菌的RBS序列，但有研究者假定乳酸乳球菌載體pTRKH的RBS序列為“AAGGAGGT”，通過改變pTRKH質粒repDE操縱子的RBS序列來修飾pAMβ1復制子的拷貝數，從而影響核糖體與mRNA結合的強度，并最終影響復制起始蛋白RepE的產生。

乳酸乳球菌作為典型的原核生物，其啟動子序列遵循原核啟動子的特點。在乳酸乳球菌的啟動子中，大多包含-35區(qū)及-10區(qū)保守序列，與大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的啟動子相似。此外，大約一半的乳酸乳球菌啟動子包含一個-10區(qū)延伸序列，該延伸序列經常出現在革蘭氏陽性菌的啟動子中。目前，對乳球乳酸菌σ因子的研究較少，僅鑒定出一個σ因子（σ），由基因編碼。σ與來自枯草芽孢桿菌的σ和來自大腸桿菌的σ具有高度的相似性，表明σ能夠識別并結合到-35區(qū)序列“TTGACA”和-10區(qū)序列“TATAAT”上。然而，目前尚不清楚缺乏-35區(qū)的啟動子是否被σ識別，或者其他可能存在的σ因子是否參與乳酸乳球菌中啟動子的轉錄。

3 啟動子的預測及分析

由于啟動子在基因轉錄中的重要作用，準確預測啟動子位點成為基因表達、模型解釋以及建立和理解遺傳調控網絡的必要步驟。為獲得可能的啟動子序列，研究者們通過對啟動子序列堿基偏好、局部保守模塊信息以及啟動子空間構象特征、能量分布特征等的研究，進行生物信息學分析，開發(fā)有效的啟動子預測工具。

早期，啟動子序列的預測僅基于各生物特有的核苷酸序列，缺乏足夠大的已知基因樣本庫，進而會產生不準確的預測結果。此外，一些基因預測方法是基于兩個或多個基因組之間的同源性，對于沒有同源性的菌株，這些方法并不適用。隨后，研究人員發(fā)現在所有類型的啟動子中，最突出的特征是上游和下游區(qū)域的DNA雙鏈穩(wěn)定性不同，并提出了一種基于啟動子和非啟動子區(qū)域之間DNA序列穩(wěn)定性差異的原核啟動子預測方法。利用DNA的物理特性預測啟動子的方法逐漸受到了廣泛的關注，SEPro是一種通過研究和利用DNA序列的內置結構和能量信息而開發(fā)的啟動子預測工具，適用于包括古細菌在內的所有原核生物。表2列出了部分原核生物啟動子預測工具。

表2 原核生物啟動子在線預測軟件Table 2 Online prediction software for prokaryotic promoters

現有的預測軟件大多依據典型模式生物數據庫建立，例如革蘭氏陰性菌啟動子預測軟件依據大腸桿菌數據庫建立，革蘭氏陽性菌啟動子預測軟件依據枯草芽孢桿菌數據庫建立。BacPP能夠在線預測革蘭氏陰性菌的啟動子，其通過識別革蘭氏陰性菌給定序列的σ因子以預測可能的啟動子序列。

除對啟動子序列進行準確預測外，對轉錄因子、轉錄因子結合位點（transcription factor binding site，TFBS）等的預測分析同樣具有重要意義。用戶能利用在線搜索工具Virtual Footprint通過全基因組搜索以交互方式識別可能的TFBS，并立即獲得有關啟動子、相應基因、操縱子和編碼蛋白的詳細信息。用于預測原核生物啟動子元件和調節(jié)子的網絡服務器PePPER，可在任何測序的細菌基因組中挖掘調控子和TFBS，研究者也借此建立了乳酸乳球菌TFBS數據庫。

4 乳酸乳球菌啟動子的克隆

從乳酸乳球菌和其他乳酸菌中分離克隆啟動子的策略有很多，主要分為啟動子探針質粒載體篩選法和克隆法。

4.1 啟動子探針質粒載體篩選法

啟動子探針載體是指無啟動子，攜帶報告基因、抗性標記和轉錄終止子的克隆載體。啟動子探針質粒載體法是一種簡單有效而且精準的篩選啟動子的方法。篩選分離啟動子時，用合適的限制性內切酶來消化相應的基因組DNA，啟動子探針載體也同時用相同的酶進行酶切處理，然后，將酶切處理好的基因組片段和相同方式處理的啟動子探針連接重組，使克隆的片段恰好插在報告基因的上游位置，根據報告基因的表達與否、表達的強弱來確定啟動子的篩選情況。

在構建探針質粒載體中，報告基因的選取至關重要，一般要求報告基因序列已知，目的蛋白特征清晰，檢測方便快捷，且在宿主中表達時不存在背景干擾。啟動子研究中最常用的報告基因大多是編碼抗生素抗性蛋白的基因，除此之外，還有編碼氯霉素乙酰基轉移酶、-半乳糖苷酶或-葡萄糖醛酸酶的基因以及熒光蛋白基因等。

利用啟動子探針載體法無需具體的基因核苷酸序列，不用設計引物即可隨機篩選分離得到大量的啟動子，簡單輕松，但這種方法需要先構建一個啟動子探針載體，且后續(xù)篩選工作量較大，既費時又費力，因此主要在早期的啟動子篩選克隆工作中應用較多。

4.2 克隆法

對于已知序列的啟動子，可以設計序列特異性引物，通過聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）技術克隆獲得基因的啟動子序列。該方法結合了生物信息學技術和PCR技術，先用計算機相關軟件對基因序列進行預測分析，然后利用PCR技術獲取已知序列中的啟動子，該方法已逐漸成為獲取啟動子的主要手段。

利用PCR技術獲得啟動子的速度快、特異性強，避免了DNA本身連接和環(huán)化的問題，但其對啟動子的預測和分析要求比較精準。

5 結 語

近年來，研究者通過建立有效的乳酸乳球菌表達系統(tǒng)高效生產異源蛋白，并將其應用于食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)。相比于傳統(tǒng)的大腸桿菌系統(tǒng)，對乳酸乳球菌表達系統(tǒng)的研究遠遠落后。

在進一步發(fā)展和完善乳酸乳球菌表達系統(tǒng)時，完善和擴大乳酸乳球菌載體系統(tǒng)和宿主系統(tǒng)是研究的重點，而在載體系統(tǒng)的改造過程中，啟動子調控元件是重中之重。未來的研究方向主要有：1）對乳酸乳球菌啟動子結構進行更深入全面的研究，包括其σ因子、核糖體起始位點序列、轉錄因子、轉錄結合位點等；2）現有的概念框架尚不足以完全理解啟動子信號的性質，應開發(fā)針對乳酸乳球菌的模型或理論來解釋與啟動子相關的蛋白質、轉錄因子及配體等在轉錄過程中的結構及能量變化；3）提供準確的啟動子預測對于理解啟動子及RNA聚合酶如何進行轉錄過程十分重要，應將實驗與計算預測相結合，以獲得精準有效的預測工具。

啟動子的研究主要集中在兩個方面：1）新型高效可控強啟動子的發(fā)現是滿足工業(yè)生產高要求的最佳措施；2）對現有啟動子的改造。啟動子是控制目的基因表達的開關，對啟動子進行精確的定位，闡明其各部分元件的工作原理及意義，有針對性地加以改造，可使啟動子利用效率最大化。

從啟動子出發(fā)，篩選新的強啟動子元件，構建成熟高效的乳酸乳球菌表達系統(tǒng)，無論是在理論研究還是實際生產中都有十分重要的意義。