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在工业生产中，利用酵母高产重组蛋白面临诸多挑战，如高产量对细胞有毒性、平衡染色体重排影响不明等。研究人员以马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）为对象，借助 Cre-loxP 技术开展研究。结果发现特定染色体重排可提升重组蛋白产量，为工程改造宿主细胞提供新思路。
在生命科学和生物技术领域，利用酵母生产重组蛋白是一项关键任务。然而，目前面临着不少难题。一方面，高产量的重组蛋白对宿主细胞具有毒性，就像给细胞施加了沉重的 “负担”，影响细胞的正常生长和功能。另一方面，虽然染色体重排对生物进化有重要作用，但平衡染色体重排（包括易位和倒位等，指 DNA 片段重新连接后拷贝数不变的重排事件）在非编码和非启动子区域的影响，以及是否能在选择压力下产生新表型，还尚不明确。在这样的背景下，为了探索这些未知，复旦大学的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Communications Biology》杂志上。
研究人员为了实现高产量重组蛋白的生产，以马克斯克鲁维酵母（K. marxianus）为宿主细胞，选择由豆血红蛋白（LBA）和增强型绿色荧光蛋白（eGFP）组成的重组融合蛋白作为报告蛋白。他们运用了两种关键技术：一是 Cre-loxP 介导的染色体重排技术，这就像是给染色体的 “拼图” 重新排列组合；二是高通量荧光强度筛选技术，用于精准筛选出高产量的菌株。
在研究过程中，研究人员采用了两种迭代进化策略。策略 1 是以高产重组蛋白作为唯一的选择压力，策略 2 则是在高产重组蛋白的基础上，添加 10 mM H2O2作为额外的选择压力。经过七轮迭代筛选，结果令人惊喜。从荧光强度来看，策略 1 和策略 2 筛选出的菌株荧光强度分别增加了 8.1 倍和 6.7 倍。通过 SDS-PAGE 分析验证，融合蛋白产量也显著提高，灰度值显示策略 1 和 2 中 LBA-eGFP 的最高灰度值分别增加了 3.8 倍和 2.4 倍。研究人员还对筛选出的菌株进行了通用性验证，去除 LBA-eGFP 融合质粒后，让这些菌株表达其他重组蛋白，如 LBA、蜜二糖酯酶 Mel1、葡聚糖酶 Badgla 和阿魏酸酯酶 AnFaeA 等，发现这些菌株对多种蛋白都具有普遍的高产能力。
为了探究菌株中染色体重排的情况，研究人员设计了 16 对引物进行基因组 PCR 分析。结果发现，部分菌株发生了染色体重排，如策略 1 筛选出的 7-C2 菌株，其 8 号染色体（Chr VIII）发生了倒位；策略 2 筛选出的 6-H13、7-H4 和 7-H5 菌株，3 号染色体（Chr III）和 5 号染色体（Chr V）之间发生了易位。而且，经过压力无传代稳定性测试，发现这些重排后的染色体能够稳定遗传。
为了确定重组蛋白产量提高是由于染色体重排，而非其他因素，研究人员将这些重排引入野生型菌株。他们构建了含有特定 loxP 位点的前体菌株，如 AY-45（用于 Chr VIII 倒位）和 AY-23（用于 Chr III 和 Chr V 易位），再诱导重排得到 Inv-45 和 Tra-23 菌株。结果显示，Inv-45 和 Tra-23 菌株的重组蛋白 LBA 产量相比前体菌株显著增加，提高了 1.5 倍，这与进化菌株中 LBA 产量增加 1.7 倍的结果相符，有力证明了染色体重排能提升重组蛋白产量。
研究人员还通过 RNA-seq 分析，深入探究染色体倒位和易位影响底盘细胞生产重组蛋白的潜在机制。对于 Chr VIII 倒位，分析发现倒位可能直接激活 cAMP 信号通路（cAMP 是一种细胞内的第二信使，参与多种细胞信号传导过程），增强线粒体功能和呼吸链。在细胞代谢方面，糖酵解、戊糖磷酸途径等多个代谢途径发生改变，同时 cAMP、ATP 和乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）水平升高，细胞对 H2O2的抗性增强，为重组蛋白生产提供了充足的能量和物质基础。对于 Chr III 和 Chr V 易位，易位导致许多基因表达发生变化，其中与线粒体生物发生、葡萄糖摄取相关的基因上调，同时激活了 cAMP 信号通路，增强了呼吸链和抗氧化能力，也提高了细胞对 H2O2的抗性，促进了重组蛋白的生产。
综合上述研究，研究人员得出结论：在非编码和非启动子区域的染色体重排，无论是 Chr VIII 的倒位还是 Chr III 和 Chr V 的易位，都能够显著提高马克斯克鲁维酵母的重组蛋白产量。这一发现揭示了平衡染色体重排在物种进化中驱动新表型产生的重要作用，为工程改造宿主细胞以提高重组蛋白生产力提供了全新的策略和理论依据。
不过，研究中也发现了一些有趣的现象。例如，在多重压力（高产重组蛋白和 H2O2）下，酵母并没有同时进化出对两种压力的耐受性，而是仅在重组蛋白产量上有所提升。这表明在多重压力下，物种的适应性进化存在权衡。此外，新进化菌株在去除选择压力和融合质粒后，重组蛋白产量出现下降，可能是由于菌株内部的不稳定性，受环境变化和表观遗传修饰的影响。这些发现为后续进一步研究染色体重排和菌株进化提供了新的方向。
总之，该研究成果为生命科学和生物技术领域在利用酵母生产重组蛋白方面开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义，有望推动相关产业的进一步发展。
