酵母雙雜交技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

王 婷， 葛懷娜， 郭 宏

天津農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)學(xué)院，天津300384

酵母雙雜交技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

王 婷， 葛懷娜， 郭 宏?

天津農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)學(xué)院，天津300384

酵母雙雜交技術(shù)是鑒定蛋白互作最有效和最廣泛的分子生物學(xué)技術(shù)。該技術(shù)能直接作用于活細(xì)胞，檢測細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)互作，具有成本低、易操作、可達(dá)到全基因組水平、能進(jìn)行品種間的互作鑒定等諸多優(yōu)點(diǎn)。較之傳統(tǒng)的檢測方法有明顯優(yōu)勢，已在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。對酵母雙雜交的技術(shù)原理以及應(yīng)用進(jìn)行了綜述，介紹了該技術(shù)在發(fā)現(xiàn)新蛋白質(zhì)、探究蛋白質(zhì)功能、建立基因組蛋白連鎖圖、研究人類DNA文庫和篩選藥物作用位點(diǎn)等方面的重要應(yīng)用，以期為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供參考。

酵母雙雜交；技術(shù)原理；應(yīng)用

近年來，系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展主要?dú)w功于科研人員在分子生物學(xué)研究中取得的重大突破，同時隨著人類基因組計(jì)劃的順利完成，對于基因工程領(lǐng)域的探索已經(jīng)從結(jié)構(gòu)基因組研究邁向功能基因組研究時代[1]。作為一個重要的學(xué)科，功能基因組學(xué)主要的研究任務(wù)是將生物基因組中包含的全部基因進(jìn)行正確的翻譯和對相應(yīng)的蛋白質(zhì)功能進(jìn)行研究，其中還包括未知的大量基因及其表達(dá)蛋白的功能探索[2]。核酸是生命體的遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)是生命體所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間存在著交互作用，而這種交互作用決定著生命體的基礎(chǔ)生命活動。

酵母雙雜交技術(shù)是研究蛋白之間相互作用的主要方法，該方法成本低、易操作、可達(dá)到全基因組水平，還能進(jìn)行品種間的互作[3]，酵母雙雜交技術(shù)在多項(xiàng)研究領(lǐng)域中具有重要地位和廣闊的研究和發(fā)展前景。本文對酵母雙雜交技術(shù)原理及在各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期揭示酵母雙雜交技術(shù)在功能基因組學(xué)中的重要作用。

1 酵母雙雜交技術(shù)基本原理

科研水平的進(jìn)步推進(jìn)了生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種不同的生物技術(shù)研究手段，其中包括酵母雙雜交技術(shù)的建立和廣泛應(yīng)用[2]。1989年，F(xiàn)ields等[4]建立了酵母雙雜交體系，并將其應(yīng)用于真核細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄研究中，該研究發(fā)現(xiàn)真核生物存在著一種由兩個相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域組成的，并可與基因上游的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)特異結(jié)合的轉(zhuǎn)錄激活因子。這兩個結(jié)構(gòu)域相互獨(dú)立、功能不同、互不干擾，同時又組成了一個完整結(jié)構(gòu)來激活特定的基因表達(dá)，稱為DNA特異性結(jié)合，這兩個結(jié)構(gòu)域分別標(biāo)記為BD和AD[5]。除此之外，還包括一個具有BD結(jié)合域結(jié)合位點(diǎn)的人工合成的報(bào)告基因。在一般的酵母雙雜交系統(tǒng)中，會構(gòu)建一個被稱為“誘餌”(bait)的含有已知蛋白X的基因序列及BD結(jié)構(gòu)域序列的重組載體，還會構(gòu)建一個被稱為“獵物”(prey)的由未知蛋白Y基因序列與AD結(jié)構(gòu)域序列構(gòu)成的載體。如果bait和prey之間沒有相互作用，BD和AD就不會與激活序列結(jié)合，報(bào)告基因也就不能被激活和表達(dá)；反之，在宿主細(xì)胞內(nèi)，若bait和prey相互作用且同時表達(dá)，那么BD和AD就會與激活序列結(jié)合，下游報(bào)告基因也就被激活從而進(jìn)行表達(dá)[6]。由此，蛋白質(zhì)間相互作用的研究就可通過對報(bào)告基因的激活表達(dá)與否進(jìn)行檢測[7]。將兩種重組載體分別轉(zhuǎn)入兩種酵母菌中，再將這兩種酵母進(jìn)行雜交、融合，以達(dá)到重組載體共轉(zhuǎn)化的目的，提高了重組載體的轉(zhuǎn)化效率。該技術(shù)從創(chuàng)立至今也在不斷改進(jìn)和發(fā)展，通過對BD和AD載體的改造、報(bào)告基因的增加，有效提高了篩選的真陽性率、降低了假陽性率。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，酵母雙雜交技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于微生物、病毒乃至動植物等諸多領(lǐng)域，成為了研究蛋白互作的重要技術(shù)平臺，為探究蛋白互作及蛋白功能提供了更多可能。

2 酵母雙雜交技術(shù)的特點(diǎn)

酵母雙雜交系統(tǒng)在分析蛋白互作時具有高效、敏感度高、受外部環(huán)境影響小、易于操作、應(yīng)用范圍廣、簡單快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)也存在一些局限性。酵母雙雜交技術(shù)分析蛋白質(zhì)間的相互作用定位于細(xì)胞核內(nèi)，而糖基化、二硫鍵的合成等對蛋白的加工卻需要在胞漿內(nèi)完成，蛋白質(zhì)間的相互作用許多都依賴于此類翻譯后的加工，所以此技術(shù)不適用于某些細(xì)胞外蛋白以及細(xì)胞膜受體蛋白。

酵母雙雜交技術(shù)一般會出現(xiàn)兩種假陽性的情況。一種情況是由于檢測雖在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，并且在某種程度上可以真實(shí)地反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)狀態(tài)，但細(xì)胞內(nèi)的一些蛋白質(zhì)本身就具有激活轉(zhuǎn)錄的功能，酵母表達(dá)了那些只與BD結(jié)構(gòu)域結(jié)合而缺少AD結(jié)構(gòu)域的蛋白；另外一種情況是一些蛋白質(zhì)的表面有多重蛋白的低親和力區(qū)域，這些區(qū)域會與其他蛋白作用形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合物，這些情況都可能引起報(bào)告基因的表達(dá)。

鑒于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的諸多問題，針對酵母雙雜交技術(shù)出現(xiàn)假陽性的問題，研究人員進(jìn)行了各種嘗試和改善，如增加報(bào)告基因的個數(shù)、用雜交代替共轉(zhuǎn)等手段有效降低了假陽性的發(fā)生，希望能更好地推進(jìn)酵母雙雜交技術(shù)在哺乳動物領(lǐng)域的研究。

3 酵母雙雜交技術(shù)的應(yīng)用

酵母雙雜交技術(shù)在研究和鑒定蛋白質(zhì)互作方面起著重要的作用，加之有大量研究結(jié)果表明酵母雙雜交技術(shù)在諸多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用和深入發(fā)展。應(yīng)用該技術(shù)已發(fā)現(xiàn)了大量新蛋白及蛋白質(zhì)的新功能，從而為建立基因連鎖圖譜豐富了生物學(xué)信息，利用基因圖譜可以發(fā)現(xiàn)大量藥物重要的作用靶點(diǎn)，推動醫(yī)藥行業(yè)在分子生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，該技術(shù)在各個研究領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。

3.1 發(fā)現(xiàn)新蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)的新功能

利用酵母雙雜交系統(tǒng)對動植物不同組織及不同表達(dá)時期的cDNA文庫進(jìn)行篩選可以發(fā)現(xiàn)大量新蛋白質(zhì)，這是目前該技術(shù)最為重要的應(yīng)用。鄭海艦等[8]利用酵母雙雜交技術(shù)，用牛肌肉生成抑制素蛋白作為誘餌蛋白篩選牛肌肉cDNA文庫，從而發(fā)現(xiàn)了參與肌肉形成的新蛋白，為闡明牛肌肉形成的機(jī)理提供了依據(jù)。Tham等[9]利用酵母雙雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)埃及伊蚊的CPB1蛋白與登革熱病毒DENV2 E蛋白具有互作關(guān)系，并且CPB1蛋白對伊蚊中腸細(xì)胞中的病毒積累和釋放起調(diào)控作用。埃及伊蚊是登革熱病毒的主要傳播媒介，這一發(fā)現(xiàn)對于控制登革熱病毒的傳播具有重要意義。Benoit等[10]用酵母雙雜交方法將外周蛋白亞型Per-61作為誘餌蛋白，對小鼠腦組織cDNA文庫進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)外周蛋白還具有調(diào)控亞細(xì)胞分布和參與囊泡運(yùn)輸、信號傳導(dǎo)、DNA/RNA加工、蛋白折疊和線粒體代謝等功能。Cao等[11]通過建立高質(zhì)量的小麥cDNA文庫，利用酵母雙雜交系統(tǒng)，將小麥春化作用調(diào)控因子TaVRN-A1蛋白的基因作為Bait，篩選出互作蛋白TaSOC1和TaSVP1。除利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)新蛋白以外，研究人員還將其用于生物學(xué)上已知蛋白的功能研究，對已知蛋白的新功能進(jìn)行探索，可有效篩選出已知蛋白的結(jié)構(gòu)域，并對其功能進(jìn)行深入探究。

3.2 建立基因組蛋白質(zhì)連鎖圖譜

隨著人們對生命活動研究的逐漸深入，越來越多的研究已經(jīng)達(dá)到基因水平，加之基因文庫的建立與日趨完善，更多對生命活動起到調(diào)控作用的蛋白質(zhì)或結(jié)構(gòu)域被確定。這些蛋白質(zhì)源自基因組中具有編碼蛋白質(zhì)功能的基因，這些基因在功能上也有著相互關(guān)聯(lián)，這對人們了解各種重要的生命活動有著非常重要的意義[12，13]。Waaijers等[14]以幾種蛋白質(zhì)作為誘餌，利用酵母雙雜交對人類基因組文庫進(jìn)行篩選，建立了人基因組蛋白質(zhì)連鎖圖譜。通過酵母雙雜交方法，確定了線蟲中超過200個蛋白質(zhì)的互作結(jié)構(gòu)域，豐富了蛋白質(zhì)的互作網(wǎng)絡(luò)，建立了基因組蛋白質(zhì)連鎖圖譜[15]。Yuan等[16]利用酵母雙雜交技術(shù)繪制了HBX蛋白的互作組圖譜，發(fā)現(xiàn)了9個HBX新的互作對象。利用酵母雙雜交和Pull-down技術(shù)還發(fā)現(xiàn)了與基孔肯雅熱病毒互作的12個新蛋白并繪制了基孔肯雅熱病毒非結(jié)構(gòu)蛋白功能域的基因網(wǎng)狀圖[17]。剛地弓形蟲MIC2蛋白是一種調(diào)控黏附的蛋白質(zhì)，但它的作用機(jī)制尚不清楚，利用酵母雙雜交系統(tǒng)，確定剛地弓形蟲MIC2蛋白與宿主整合素樣蛋白A結(jié)構(gòu)域結(jié)合，闡明了剛地弓形蟲黏附宿主的作用機(jī)制[18]。Simona等[19]通過酵母雙雜交和Pull-down技術(shù)發(fā)現(xiàn)HEN1蛋白空間上與HYL1蛋白及DICER樣蛋白發(fā)生互作，完善了植物RNA甲基轉(zhuǎn)移酶的功能圖譜。Katsogiannou等[20]通過酵母雙雜交系統(tǒng)，篩選出了226個與熱休克蛋白HSP27互作的蛋白質(zhì)，并繪制了HSP27的蛋白網(wǎng)絡(luò)圖譜，發(fā)現(xiàn)HSP27蛋白參與新細(xì)胞的生理過程，如DNA修復(fù)、可變剪切，并提出了新的抗癌靶點(diǎn)。可見酵母雙雜交系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用，不斷豐富和完善蛋白連鎖圖譜，為進(jìn)一步深入研究基因的功能結(jié)構(gòu)提供了可能。

3.3 研究人類DNA文庫，篩選藥物作用位點(diǎn)

利用酵母雙雜交技術(shù)可對人類cDNA文庫進(jìn)行篩選，確定相關(guān)作用位點(diǎn)，使人們對藥物作用位點(diǎn)掌握的更加精確，為疾病的治療找到新的方向。張菁等[21]通過酵母雙雜交技術(shù)對正常人腦cDNA文庫中篩選與人DND 1相互作用的蛋白質(zhì)，并對篩選出的蛋白質(zhì)進(jìn)行相關(guān)功能的初步分析，為進(jìn)一步研究人DND 1的功能及信號通路奠定了基礎(chǔ)。李芬等[22]建立了以正向轉(zhuǎn)錄延伸因子(p-TEFb)為靶點(diǎn)的抗 HIV藥物快速高通量篩選模型，并運(yùn)用此模型篩選抗艾滋病中藥。Zhao等[23]對人胎兒腦cDNA文庫的篩選發(fā)現(xiàn)了激活蛋白原蛋白。Dengue病毒是一種可導(dǎo)致黃熱病、肝炎等疾病的病毒，它依賴于RNA聚合酶NS5和拓?fù)洚悩?gòu)酶NS3的幫助進(jìn)行RNA復(fù)制。利用酵母雙雜交系統(tǒng)找到了參與這些RNA復(fù)制的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域。如果能找到相應(yīng)的藥物阻斷這些蛋白質(zhì)之間的相互作用，就可干擾RNA病毒的復(fù)制，從而達(dá)到治療這種疾病的目的[24]。Julie等[25]利用酵母雙雜交方法，篩選到HIV-1 Vpr蛋白的胞內(nèi)單結(jié)構(gòu)域抗體作用靶點(diǎn)。Freitas等[26]用酵母雙雜交技術(shù)確定疾病診斷和治療靶點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)曲古抑菌素A可通過與磷酸酶1形成復(fù)合物，并利用該復(fù)合物作為治療癌癥的靶藥物。甲型流感病毒H1N1編碼的NS1(非結(jié)構(gòu)性蛋白)可通過與胞內(nèi)蛋白CPSF30的結(jié)合抑制前體mRNA 3′端的加工，因此CPSF30的結(jié)合位點(diǎn)可能作為治療該病藥物的靶點(diǎn)。Kong等[27]通過利用酵母雙雜交系統(tǒng)對30種中藥進(jìn)行篩選，找到了4種能夠強(qiáng)烈抑制NS1-CPSF互作的藥物，其中包括雙黃連口服液。Vielemeyer等[28]將抗原的幾個可變區(qū)作為bait，篩選高復(fù)雜度的cDNA文庫，將獲得的全部結(jié)果進(jìn)行測序并統(tǒng)計(jì)分析，將Prey片段按效率高低進(jìn)行排序。通過大量獲得的片段確定該抗原的互作結(jié)構(gòu)域，這說明酵母雙雜交技術(shù)可作為鑒定抗體的結(jié)合位點(diǎn)及其具體目標(biāo)抗原決定簇的有效手段。Li等[29]利用酵母雙雜交系統(tǒng)，確定乙型肝炎病毒X蛋白和細(xì)胞色素C氧化酶Ⅲ的互作，并精確繪制出各結(jié)構(gòu)域的圖譜。大量的實(shí)例說明酵母雙雜交技術(shù)可有效篩選藥物靶點(diǎn)，推動了醫(yī)藥科研領(lǐng)域的發(fā)展。

4 展望

酵母雙雜交技術(shù)的提出距今已20多年，已在發(fā)現(xiàn)新蛋白質(zhì)及蛋白新功能、建立基因組蛋白連鎖圖譜、研究人類DNA文庫和篩選藥物作用位點(diǎn)等方面發(fā)揮了重要作用，明確了多種蛋白質(zhì)之間的相互作用。在此基礎(chǔ)上，又衍生出酵母單雜交技術(shù)、酵母三雜交技術(shù)、核外雙雜交技術(shù)、哺乳動物雜交技術(shù)和酵母的反向雜交技術(shù)等，為了解探究生命活動中蛋白質(zhì)之間重要、龐雜的互作關(guān)系提供了可能。酵母雙雜交技術(shù)從建立至今不斷被完善和改進(jìn)，因此該技術(shù)必定會在更多領(lǐng)域的蛋白質(zhì)研究中發(fā)揮更大的作用。

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Progress on Application of Yeast Two-hybrid Technique

WANG Ting，GE Huai-Na，GUO Hong?
College of Animal Science and Animal Medicine，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China

Yeast two-hybrid system is one of the most powerful and widely used method to detect protein-protein interaction in living cells.Yeast two-hybrid technique is cost-effective，easy to operate，can reach the whole-genome level，and identify the interaction between different varieties.Compared with the traditional detected method，it has obvious advantages and has been applied in more and more fields.In this paper，the yeast two-hybrid technology principle and application were reviewed，including the applications on discovering new protein and proteins'new function，setting up the protein linkage map，studing of human genome DNA library，screening target for drug，and so on.The paperwas expected to provide reference for the application of yeast two-hybrid system.

yeast two-hybrid；technical principle；application

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.05.12

2015-04-24；接受日期:2015-06-04

天津市自然科學(xué)基金(11JCZDJC17600)資助。

王 婷，碩士研究生，研究方向?yàn)閯游锱咛スこ膛c轉(zhuǎn)基因。E-mail:378545634＠qq.com。?通信作者:郭 宏，教授，博士，研究方向?yàn)閯游锱咛スこ膛c轉(zhuǎn)基因、分子生物學(xué)和動物育種。E-mail:guohong64＠163.com