综述：酵母蛋白分泌中的MFα信号序列：挑战与创新

这篇综述系统阐述了酿酒酵母(S. cerevisiae)交配因子α(MFα)信号序列在重组蛋白分泌中的关键作用，深入探讨了其分子机制（包括共翻译/后翻译分泌途径）、优化策略（如突变体构建和杂交信号肽设计）及工业应用挑战（如ER聚集和错误加工）。文章特别强调了MFα在毕赤酵母(K. phaffii)表达体系中的核心地位，为蛋白质分泌系统的工程化改造提供了重要参考。

　　

酵母蛋白分泌中的MFα信号序列：机制与创新

引言

在重组蛋白生产领域，分泌型表达因其简化下游纯化流程的优势备受青睐。其中，酿酒酵母的MFα信号序列自1980年代被发现以来，已成为引导异源蛋白分泌的黄金标准。这段由19个氨基酸组成的N端前导肽与64个氨基酸的前肽区域构成的信号序列，通过保守的分泌途径将目标蛋白输送至胞外，其效率远超多数天然信号肽。

蛋白分泌的双重途径

酵母蛋白分泌遵循两条平行通路：

1. 共翻译途径：信号识别颗粒(SRP)依赖型，由核糖体-新生链复合体直接锚定内质网(ER)膜上的Sec61转位子，典型代表如Ost1信号肽。
2. 后翻译途径：MFα信号序列的特征路径，依赖Sec62/63/71/72复合体与分子伴侣Kar2/BiP的布朗棘轮机制。有趣的是，信号序列的疏水性决定其路径选择——MFα因较低的疏水性避开SRP识别，这一特性在进化上高度保守。

MFα信号序列的精密加工

MFα前体蛋白经历三级加工：

1. ER内切割：未知蛋白酶切除前导肽，同时前肽区域发生N-糖基化（Asn²¹
   /Asn³³
   /Asn⁵⁶
   位点）
2. 高尔基体修剪：Kex2蛋白酶在KR位点切割，其活性受P4亮氨酸调控（LXXR基序）
3. 成熟处理：Ste13二肽基氨肽酶去除EAEA重复序列。最新冷冻电镜研究显示，前肽区域的β-折叠结构（AlphaFold3预测残基49-67）对维持分泌效率至关重要。

工程化改造突破瓶颈

针对MFα的优化策略包括：

• 结构域删除：Δ57-70突变使HRP分泌提升137%，CRM197疫苗产量翻倍
• 关键位点突变：A9D突变通过增强ER转运使漆酶产量提高13倍；V50A突变在scFv抗体生产中避免胞内降解
• 杂交信号设计：pre-Ost1与pro-MFα融合序列通过强制共翻译转运，解决GFP等易折叠蛋白的ER滞留问题

宿主适配与未来方向

尽管MFα在毕赤酵母中表现优异，但物种间效率差异显著：

• 识别元件保守性：Kex2和Ste13同源酶在不同酵母中功能分化
• 糖基化调控：去除Asn⁵⁶
  糖基化位点使eGFP分泌降低40%
  新兴的PAS_chr3_0030信号肽在部分酶类中展现替代潜力，而机器学习工具SPOT正加速理性设计进程。

挑战与展望

当前MFα体系仍面临三大瓶颈：

1. 前肽区域在ER内的聚集倾向（尤其对分子量>50kDa蛋白）
2. 分泌通路的容量限制（UPR激活阈值约1.5g/L）
3. 跨物种加工效率波动（如Komagataella中Ste13活性仅为酿酒酵母的30%）
   未来研究或将聚焦于：

• 开发基于转运体超表达的"分泌增强型"菌株
• 构建非经典分泌途径（如galectin-3旁路机制）
• 利用单细胞筛选技术挖掘稀有高效突变体

这场持续40年的信号肽优化之旅证明，MFα仍是酵母分泌系统的基石，但其统治地位正面临合成生物学与人工智能的革新挑战。