酵母双杂交系统及其应用Y east Two-hybrid System and Its Application1.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的生物学特性（1）单细胞真核生物尽管酵母细胞比较简单，但它们具有所有真核生物细胞的主要特征，如含有一个独立的细胞核、多条线性染色质包装成染色体、细胞质包含了全部的细胞器和细胞骨架结果（如肌动蛋白纤维）。

（2）与其它真核生物相比，它们的基因组较小，基因数目也较少；1996年已完成酵母全基因组测序（ 1.5 x 107 bp），是第一个被测序的真核生物。

大约有6000个基因。

目前已经建立了一个6000个菌株的文库，每一个菌株中只删除了一个基因。

其中5000多株在单倍体状态时能够存活，表明大多数酵母基因时非必需的。

（3）易于培养和操作,可以在实验室快速繁殖在指数生长期每90分钟繁殖一代，从单个细胞可以繁殖称克隆群体。

（4）单倍体和双倍体的存在使酿酒酵母便于进行遗传分析酿酒酵母可以以单倍体状态和双倍体状态生长。

单倍体和双倍体之间的转换是通过交配和孢子形成来实现的。

有两种单倍体细胞类型，分别为a型和α型。

在一起生长时，这些细胞因交配而形成a/α双倍体细胞。

在营养匮乏时，a/α双倍体发生减数分裂，产生一个子囊的结构，每个子囊含有4个单倍体孢子（两个a－孢子和两个α－孢子）。

但当生长条件改善时，这些孢子可以出芽并以单倍体细胞的形式生长或交配而重新形成双倍体。

一个酵母细胞可同时兼容几种不同质粒bud，芽, 蓓蕾starvation，饥饿, 饿死ascus，n.[微生物]子囊meiosis，n.减数分裂, 成熟分裂haploid，n.[生物]单倍体, 仅有一组染色体的细胞adj.单一的diploid，adj.双重的, 倍数的, 双倍的n.倍数染色体ascospore，n.[植]囊孢子rupture，v.破裂, 裂开, 断绝(关系等), 割裂。

n.破裂, 决裂, 敌对, 割裂spore，n.孢子vi.长孢子germinate，v.发芽, 发育, 使生长酿酒酵母生活周期2 酵母双杂交系统的原理蛋白质的相互作用是生命活动的基础，一切生命活动几乎都是通过蛋白质之间的相互作用而实现的。

在生物体发育的不同阶段，细胞分裂、分化的不同时期，都离不开蛋白质间的相互作用。

酵母双杂交系统是一种采用分子遗传学手段、通过鉴定报告基因的转录活性检测蛋白质－蛋白质相互作用的方法。

Y2H是由纽约州立大学的Stanley Fields于1989年首先创立的。

转录激活因子在结构上是组件式的(modular),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。

●DNA结合结构域(DNA binding domain, DB)●转录激活结构域(activation domain, AD)例如，酵母转录子Gal4分子由一条多肽链组成，含有881个氨基酸。

它有两个结构域：●DNA结合结构域（DNA binding domain, DB）由位于N-末端1~147个氨基酸构成，能识别效应基因的上游激活序列（UAS, upstream activating sequence）,此外，在其N-端还具有一段核定位序列；转录激活结构域（activation domain, AD）由位于C-末端的768~881位氨基酸构成。

当Gal4的两个结构域位于不同肽链上，只要它们在空间上充分接近，则能够恢复Gal4作为转录因子的活性。

Fields等将Snf1与DB融合，Snf4与AD融合，构建在穿梭质粒上。

其中，Snf1是一种依赖于丝氨酸、苏氨酸的蛋白激酶，Snf4是它的一个结合蛋白。

研究者将两种穿梭质粒转化酵母GGY: 171菌株，该菌株含有LacZ报告基因，并已去除相应转录因子基因。

该实验的结果表明由Snf1和Snf4相互作用使得AD和BD在空间上接近，激活了报告基因LacZ的转录。

一般地，将DB-x的融合蛋白称作诱饵(bait) , X往往是已知蛋白; AD-Y称作猎物(prey) ,Y称作猎物;整个实验过程称作“狩猎”( hunt或fish)。

3 酵母双杂交系统的应用目前,在许多具有国际水准的实验室中,酵母双杂交系统及其衍生方法已成为研究蛋白质相互作用的首选方法,而且利用它已揭示了大量未知蛋白质的相互作用。

据对文献的统计,目前已知的蛋白质相互作用至少有一半是通过酵母双杂交实验发现的。

●鉴定两种已知蛋白之间有无相互作用●鉴定已明确有相互作用蛋白质发生作用所必需的的结构域及特定氨基酸的改变对相互作用的影响寻找与某一特定蛋白质有相互作用的蛋白质●蛋白质相互作用图谱的绘制随着基因组研究计划的发展，以及mRNA在不同组织器官及不同发育阶段的表达图谱的构建(body map)，蛋白质在不同时空状态下相互作用图谱（即基因组蛋白连锁图谱Genome Protein Linkage Map）。

的构建也逐渐展开。

在双杂交系统的BD及AD均接上cDNA库，让它们随机表达蛋白，这样检测报告基因表达的可能是A-B，B-C…等一系列崭新的蛋白一蛋白相互作用，据此可以绘出A→B→C的蛋白联系图谱。

Fromont-Racine等采用了相互作用结合技术(interaction mating strategy)，将BD-诱饵蛋白质(X)与AD－基因组文库(Y)分别转化两种不同交配型单倍体酵母菌株，使两者在滤膜上结合，然后涂布于选择培养基上，挑选出阳性克隆作为诱饵蛋白质进行第二轮筛选。

该方法省去了利用二倍体菌株表达时筛选过程中繁琐的交叉影印以及大量培养皿的使用，并可以显著地提高效率。

研究蛋白质－蛋白质相互作用的方法有Western blotting、免疫沉淀法、噬菌体展示技术。

4 Y2H的优点1.酵母双杂交体系研究蛋白一蛋白相互作用的整个过程只对核酸进行操作，充分利用了成熟的核酸技术和酵母这一快速方便的操作体系，使得实验简单易行。

现已发展出酵母双杂交体系的商品试剂盒和相应的cDNA库。

2.可以直接从基因文库中寻找编码相互作用蛋白的DNA序列，而不需要分离纯化蛋白。

3.可以研究蛋白之间的弱相互作用。

在细胞内，弱相互作用与强相互作用一样起着极其重要的生物学作用。

免疫沉淀法以及近来发展起来噬菌体展示技术要求蛋白一蛋白相互作用强度足够大，而不能检测蛋白之间的弱相互作用。

酵母双杂交体系中蛋白一蛋白相互作用发生在酵母细胞这一自然的状态下，使得该方法的灵敏度很高。

4. 检测在活细胞内进行,可以在一定程度上代表细胞内的真实情况。

5 Y2H的局限性。

●报告基因的转录发生在细胞核内首先，报告基因的转录发生在细胞核内，这要求两种杂交体蛋白都必需能进入核中，因此一些不容易进入核的蛋白就不适合用该体系进行研究。

为了拓展其应用范围，近来发展的一些载体在融合蛋白中加入了蛋白质核定位序(nuclear localization sequaence,NLS)，部分解决了这个题。

已成功地在该体系中研究过的蛋白除了许多核蛋白(如转录因子)外，还包括许多细胞浆、细胞膜以及线粒体蛋白。

但对于发生在细胞质中或者细胞膜上的蛋白质相互作用是检测不到的。

●有一些蛋白不适于用该体系但是，还有一些蛋白不适于用该体系。

如需要翻译后修饰(磷酸化或糖基化)才能起相互作用的蛋白不能直接用该体系进行研究。

因为在酵母中不一定会产生与高等动植物细胞内一样的翻译后修饰。

要研究这样的相互作用，必需对该体系加以改造。

另外有一些蛋白与DNA 结合结构域融合后，在没有转录激活杂交体蛋白存在的情况下也能激活报告基因的转录。

这些蛋白往往本身含有转录激活结构域或类似的结构域。

这样的蛋白需要经过改造，去掉它们的转录激活能力后才能用该体系研究。

有些蛋白杂交体对酵母细胞的正常功能有影晌，有的甚至是致死性的，这样的蛋白也无法在该体系中研究。

●假阳性一个值得注意的问题是筛库过程中出现的假阳性问题。

虽然现有的体系都用两个报告基因进行双重筛选，但假阳性问题仍然存在。

一种假阳性是由于转录激活杂交体中的库蛋白本身是参与转录的蛋白，即使在DNA结合域杂交体不存在的情况下，转录激活杂交体自身就能激活报告基因的转录，表现为阳性。

因此在筛选出阳性克隆后，需要用回收的转录激活域杂交体质粒单独转化酵母，以判定克隆是否为假阳性克隆。

另一类假阳性是在DNA结合域杂交体存在下表现为阳性，但对DNA结合域杂交体没有特异性，不相关的DNA结合域杂交体与其共转化酵母时也表现为阳性。

在筛选出阳性克隆后，应将转录激活域杂交体同一些不相关的DNA结合域杂交体一起转化酵母，以排除这类假阳性克隆。

Harper等利用酵母交配发展一种快速检别这类假阳性的方法。

其大致过程是:让阳性克隆在一定的选择培养基上生长使其失去DNA结合域杂交体质粒，只剩下转录结合域杂交体质粒，然后与不同性别的含有与该蛋白无关的DNA结合域杂交体的酵母交配，从形成的二倍体酵母是否表现为阳性判定原来的克隆是否为假阳性克隆。

而不需要提取回收阳性克隆的转录激活杂交体质粒，再与无关的DNA结合域杂交体共转化酵母细胞这样一个繁琐的过程。

筛到的蛋白和另一类假阳性来自cDNA库的构建。

可能cDNA编码的某个蛋白的一部分能和目标蛋白起相互作用，而完整的蛋白则无法和目标蛋白结合;cDNA库一般由Oligo-dT 或由随机引物合成。

随机引物构建的cDNA库中DNA的长度一般为几百bp，已将蛋白分成了多段，这样避免了一个蛋白内不同结构域间的相互影响，对用酵母双杂交体系进行筛库有利。

但这种库又可能使得原来在整个蛋白中不暴露的区域暴露，筛库时有可能将这样的区域筛出。

这样的假阳性需要用其它实验加以排除。

筛到的蛋白和目标蛋白的相互作用有可能是通过酵母的内源蛋白为介导产生的。

假阴性在酵母双杂交的应用中有时也会遇到假阴性现象。

所谓假阴性, 即两个蛋白本应发生相互作用,但报告基因不表达或表达程度甚低以至于检测不出来。

造成假阴性的原因主要有几方面:一、是融合蛋白的表达对细胞有毒性。

这时应该选择敏感性低的菌株或拷贝数低的载体。

二、是蛋白间的相互作用较弱, 应选择高敏感的菌株及多拷贝载体。

三、GAL4和LexA系统要求被测蛋白定位于细胞核，然而有些蛋白却有强疏水结构域，还有些蛋白携带定位于细胞其他细胞器的强信号，这样，涉及后2类蛋白的相互作用在GAL4和LexA系统中就检测不到;四、GAL4和LexA系统依赖转录激活报告基因而检测蛋白相互作用，如果蛋白是抑制基因表达的，报告基因就不能被激活转录，双杂交系统就检测不到该蛋白相互作用了。

另外应该值得注意的是，从库中筛到的蛋白在体内是否真正同目的蛋白发生相互作用还需要有进一步实验加以证实。

有可能两种蛋白根本不在同一种器官、组织或细胞内表达，或者不在同一发育阶段表达，或者存在于同一种细胞的不同区域，根本不可能产生真正的相互作用。