CN101892252B - 一种编码溶菌酶的基因及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种编码溶菌酶的基因lyase,含有SEQ ID NO.1的核苷酸序列或其功能等同变异体,该基因或其功能等同变异体编码的溶菌酶SEQ ID NO.2及该酶在抗菌和溶菌中的应用。

Description

一种编码溶菌酶的基因及其应用
技术领域
本发明涉及一种新的编码溶菌酶的基因,特别是涉及克隆自环境宏基因组的一种新的编码溶菌酶的基因lyase,该基因编码的蛋白质可用于抗菌和溶菌。
背景技术
溶菌酶又称胞壁质酶,是一种专门作用于微生物细胞壁的水解酶,其化学名称为N一乙酰胞壁质聚糖水解酶。
溶菌酶具有多种独特而重要的药理作用。它具有抗菌消炎的作用。溶菌酶主要通过破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之间的β-1,4糖苷键,使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽,导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。溶菌酶还能增加抗生素和其他抗菌药物的疗效,改善组织基质的黏多糖代谢从而达到抗炎和修复的目的。此外溶菌酶也能抗病毒,它与带负电荷的病毒蛋白直接结合,与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐,使病毒失活。因此该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用(余若黔.2004.溶菌酶的活性测定方法.生物技术通报.(5):40-42.)。同时由于溶菌酶本身是一种无毒、无害的蛋白质,可以选择性地、有目的地杀灭微生物而不作用于食品中的其他物质,保证食品原有营养成分不受损失。因此,它是一种很好的天然防腐剂,在食品工业中可以安全地替代有害人体健康的化学防腐剂,如苯甲酸及其钠盐等,以达到延长食品保质期的目的。张凤凯等人利用溶菌酶作为主要成分,成功研制了一种纯天然的冷却肉保鲜剂-Hnsafety2008冷却肉保鲜剂,该保鲜剂可以延长冷却肉的保质期1~4倍(张凤凯,马美湖.2001.溶菌酶及其食品保鲜剂的应用.肉类研究,20(4):41-42.)。同时溶菌酶也是一种安全性高的饲料酶添加剂,可以用作饲料防腐剂和杀菌剂。沈彦萍等人将溶菌酶用到仔猪腹泻的防治上,发现溶菌酶具有显著的作用,可以达到抗生素的使用效果,仔猪腹泻的治愈率达80%以上(沈彦萍,陈宇光,潘宏涛,等.2005.溶菌酶可溶性粉剂防治仔猪腹泻的效果观察.饲料工业,26(3):16~181)。
目前国内外对溶菌酶基因研究主要集中于动物,如人(Chen ZH,Xie XD,Guo TK,et al.2007.Theanti-proliferativeeffectsofrecombinant human lysozyme onhuman gastric cancer cells.The Jourmal Of Intermational Medical Research,35(3):360.)、鸡蛋清(权志中、张丞斌、余荣等.2007.鸡蛋清溶菌酶基因的克隆及其在毕赤酵母中的表达研究.28(24):18-22.)、大鼠(Yamaokaky,Yoshiokat.1983.Effects of lysozyme chloride on immune responsesof patients withuterinecervical cancer.Gan to kagaka kyoho,10(8):8-20.)的溶菌酶上,对这些不同动物来源的溶菌酶基因进行研究和应用。而通过建立环境样品的宏基因组文库克隆各种基因已经成为筛选和获得各种特殊作用的新基因的有效方法(Lorenz P.Schleper C.2002.Metagenome-a challenging source of enzymediscovery.Journal ofMolecular Catalysis B:Enzymatic 19-20:13-19.)。
发明内容
本发明通过构建土壤微生物的宏基因组DNA文库和文库亚克隆序列的随机测序法,得到了新的编码溶菌酶的基因,可在宿主细胞中大量表达该基因以生产该溶菌酶,用于溶菌和抗菌。
本发明涉及一种新的编码溶菌酶的基因lyase,具有序列表中SEQ ID NO.1所述的碱基序列,是从广西武鸣县糖厂周围土壤微生物宏基因组文库中分离得到。土壤微生物的文库中的亚克隆、具有序列表中SEQ ID NO.1所述的碱基序列的外源DNA是由1977个碱基组成,含有完整的溶菌酶基因lyase的开放阅读框(Open Reading Frame,ORF),lyase基因的起始密码为ATG,终止密码子为TAA。
SEQ ID NO.2的蛋白质是基因lyase编码的溶菌酶产物Lyase,由659个氨基酸组成,和Lyase催化功能域同源性最高的为亚硝化海洋球菌ATCC19707(Nitrosococcus oceani ATCC 19707)的hypothetical protein Noc_2530的催化功能域(e-值为1e-75),两者的相似性为32%、相同性为48%。
基因lyase在大肠杆菌中表达的重组产物Lyase能够溶菌抗菌。
本发明还涉及含有本发明基因的表达载体,及用于转化本发明基因的宿主。
本发明提供了一种新的溶菌酶基因,该基因所编码的溶菌酶在溶菌抗菌中具有广泛的用途。
具体实施方式
下述实施方法是为了更好的解释本发明,而不应该被解释为限制本发明的目的。
在本发明的实施例中所用到的材料包括:大肠杆菌(Escherichia coli)株系EPI100(属购自Epicentre公司的文库制备试剂盒CopyControlTM FosmidLibrary Production Kit(目录号CCFOS110)的一个组分);载体为购自Epicentre公司的柯斯质粒载体CopyControlTM pCC1FOSTM;购自Epicentre公司的文库制备试剂盒(CopyControlTM Fosmid Library Production Kit,目录号CCFOS110),购自TaKaRA、MBI的限制性内切酶、修饰酶等试剂。
下面将通过实施例对本发明作详细描述:
1)广西武鸣县糖厂周围土壤微生物总DNA的提取
取200克糖厂周围的土壤,悬浮在100mL的0.18mol/L磷酸钾缓冲液(pH7.2)中,然后在600g离心力下离心10分钟收集上清液。上清中加入40mLPVPP(聚乙烯聚吡咯烷酮,polyvinylpolypyrrolidone(购自Sigma公司,目录号P-6755))溶液(PVPP溶液:每100mg PVPP与1mL 0.18mol/L磷酸钾缓冲液(pH 7.2)混匀),振荡30秒,再加入200μL 3mol/L CaCl2溶液,振荡30秒后,在600转/分钟离心力离心5分钟,收集上清液于另一个离心管中并用8000转/分钟离心力离心15分钟收集上清液中的细菌细胞。收集到的菌体沉淀块悬浮在1mL TE(10mmol/L Tris·HCl,pH 8.0,1mmol/L EDTA,pH 8.0)溶液中,并在37℃下加入100μL溶菌酶(20mg/mL,溶于TE溶液)作用30分钟,然后以10000转/分钟离心1分钟再次沉淀细胞,细胞沉淀块悬浮在600μL PUREGENE公司的基因组DNA纯化试剂盒(Genomic DNA Purification Kit,目录号R-5500A)的细胞裂解缓冲液(Cell Lysis Solution)中,置80℃水浴锅5分钟以裂解细胞,待样品冷却到室温后,加入200μL上述试剂盒中的蛋白质沉淀溶液(Protein Precipitation Solution),充分混匀后13000转/分钟离心3分钟,将上清液转移到一个新的1.5mL微量离心管中,加入600μL 100%异丙醇,充分混匀后即见DNA絮状沉淀析出,挑出DNA絮状沉淀,用70%乙醇洗2次DNA,干燥后将DNA溶于500μLTE溶液即得DNA粗提物。
将DNA粗提物加到含有Sephadex G200(购自Pharmacia公司,目录号17-0080-01)和2%PVPP的层析柱(200mm x 10mm)上,用TE缓冲液洗脱,按每组分1mL分部收集洗脱液,每一组分加入100μL的3mol/L醋酸钠溶液(pH4.8)及1mL异丙醇沉淀DNA,把沉淀物溶于TE中,合并所得DNA溶液,0.7%琼脂糖凝胶电泳后切下含20kb以上的DNA的凝胶,用电洗脱法回收纯化DNA。
2)构建糖厂周围土壤微生物宏基因组文库
为了用这些纯化的DNA制做基因文库,首先对这些DNA进行末端修补以产生平头末端而和文库制备试剂盒中已处理好的同样具平头末端的CopyControlTMpCC1FOSTM载体相连,依次在冰上向一个新的灭过菌的微量离心管中加入:8μL10X末端修补缓冲液(330mmol/L Tris-醋酸[pH 7.8],660mmol/L醋酸钾,100mmol/L醋酸镁,5mmol/L DTT),8μL 2.5mmol/L dNTP混合物(每种2.5mmol/L),8μL10mM ATP,20μg DNA(0.5μg/μL),4μL末端修补酶混合物(T4DNA聚合酶和T4多聚核苷酸激酶)。室温下放置45分钟,再转移到70℃水浴锅放置10分钟以终止酶反应,1.0%低熔点琼脂糖凝胶电泳后切下含25kb-45kb的DNA的凝胶进行DNA回收,为了使回收片段与文库制备试剂盒中已处理好的具平头末端的载体在T4DNA连接酶的作用下连接起来,依次在冰上向一个新的灭过菌的微量离心管中加入:2μL无菌水,1μL10倍快速连接缓冲液(10X Fast-Link Ligation Buffer),1μL 10mmol/L ATP,1μL CopyControlTMpCC1FOSTM载体(0.5μg),5μL低熔点琼脂糖凝胶回收的25kb-45kb的DNA(0.1μg/μL),1μL快速连接DNA连接酶(Fast-Link DNA Ligase,2单位/μL),混匀后在室温下放置2个小时,再在70℃放置10分钟以终止酶反应。为了将连接反应产物用λ包装提取物(属购自Epicentre公司的文库制备试剂盒CopyControlTM Fosmid Library Production Kit(目录号CCFOS110)的一个组分)包装,将在冰上刚刚溶化的λ包装提取物(属购自Epicentre公司的文库制备试剂盒CopyControlTM Fosmid Library Production Kit(目录号CCFOS110)的一个组分)25μL立即转移到一个新的灭过菌的微量离心管中并快速置于冰上,再往其中加入10μL连接反应产物,充分混匀后置于30℃90分钟后,再往其中加入25μL溶化的λ包装提取物,充分混匀后置于30℃90分钟,向其中加入935μL噬菌体稀释缓冲液(10mmol/L Tris-HCl[pH 8.3],100mmol/L NaCl,10mmol/L MgCl2),再将该1mL包装反应产物加入到10mL的OD600=1.0的宿主大肠杆菌EPI100培养液(培养基为LB[每升含胰蛋白胨(Oxoid),10g;酵母浸出粉(Difco),5g;NaCl,5g;pH 7.0]+10mmol/L MgSO4)中,37℃下放置20分钟让上述得到的包装的λ噬菌体吸附和侵染宿主细胞E.coli EPI100,在含氯霉素(12.5μg/mL)的LA平板上筛选转化子。结果共获得约10万个转化子。
3)溶菌酶基因lyase序列的测定
用限制性内切酶BamHI酶切文库中编号为Fos1-34的转化子,将获得的三个DNA片段分别与去磷酸化的经BamHI酶切的pUC19质粒进行连接。再分别将连接产物转化到大肠杆菌JM109中(转化方法为CaCl2法),在含氨苄青霉素(100μg/mL)的LA平板上筛选转化子,结果分别获得约352个、289个和16个亚克隆转化子。分别提取这这三个亚克隆的质粒DNA,再分别用限制性内切酶BamHI完全酶切,进行0.7%琼脂糖凝胶电泳分析,结果这三个亚克隆除有一个2.7kb的载体片段外,均有不同大小的外源DNA片段,大小分别是.3.5kb、8.1kb和16kb,分别命名为S1、S2和S3。于是,将这三个亚克隆进行序列测通。送交上海生工生物工程公司测定DNA核苷酸序列。
4)溶菌酶基因lyase的核苷酸序列分析
用NCBI(National Center for BiotechnologyInformation,http://www.ncbi.nlm.nih.gov)上的软件如ORF finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html),Blast(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST)对S3中的DNA序列进行分析。基因lyase的开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)由1977个核苷酸组成,序列如SEQ ID NO.1。其中,lyase’基因的起始密码子为ATG,终止密码子为TAA。
5)溶菌酶基因lyase编码的产物Lyase的氨基酸序列分析
溶菌酶基因lyase编码一个含659个氨基酸的蛋白质,用DNAStar软件预测该蛋白质的理论分子量大小为74398.43道尔顿。
6)溶菌酶基因lyase的克隆和表达
使用上游引物5’-CACGAATTCATGCATCACCATCACCATCACGTGCCGATCCGCAGACCTC-3’和下游引物5’CACAAGCTTCTCCCCAAAGAGACAGGACTTCAGC-3’,通过聚合酶链式反应(PCR)扩增溶菌酶基因lyase,用限制性内切酶EcoRI和HindIII酶切溶菌酶基因lyase后,与经EcoRI和HindIII酶切的表达载体pSE380进行连接。再将连接产物转化到大肠杆菌XL1-Blue中(转化方法为CaCl2法),涂布到含氨苄青霉素(100μg/mL)的LA平板上筛选克隆。进一步提取该克隆的质粒DNA并将其命名为pSE-lyase,用限制性内切酶EcoRI和HindIII酶切pSE-lyase后,进行0.7%琼脂糖凝胶电泳分析,结果pSE-lyase除有一个4.1kb的DNA片段外,还有一条大小为2kb的DNA片段。
将含有质粒pSE-lyase的重组大肠杆菌XL1-Blue菌株接种到20mL含氨苄青霉素(100μg/mL)的LB培养基中,37℃振荡培养,待OD600为0.4时,加入IPTG使其终浓度为0.5mmol/L,30℃诱导。诱导2小时时,摇瓶中培养液开始变得比对照(未加IPTG)明显透明;4小时后,培养液变得完全透明(与未接种的培养液基本一样透明);而没有加IPTG的对照,其宿主细菌大量繁殖生长,培养液十分混浊。12000转/分钟离心10分钟,收集上清,上清即为含有溶菌酶Lyase的粗酶液。
7)溶菌酶Lyase酶活的测定
超虑浓缩溶菌酶的粗酶液。取30μl溶菌酶Lyase的浓缩粗酶液,滴加在涂布大肠杆菌LB平板的滤纸片上,以购自sigma公司的溶菌酶(目录号L6876)作为阳性对照,37℃温箱内培养12小时后,观察抑菌圈的情况。在滴加溶菌酶Lyase浓缩粗酶液的滤纸片周围形成一个圆形的抑菌圈,直径约为13.6mm,与45μg溶菌酶阳性对照组形成的抑菌圈相接近。
序列表
<110>广西大学
<120>一种编码溶菌酶的基因及其应用
<160>2
<170>PatentIn Version 3.3
<210>1
<211>1977
<212>DNA
<213>土壤未培养微生物
<220>
<221>gene
<222>(1)...(1977)
<223>
<400>1
atggtgccga tccgcagacc tccccattct catcctaacc aaaccttacc gagtcttccc     60
atgtcgcgtt tttttgtcac cctctgcctg gcttgctggc tgatccttca ggctgcctca    120
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atcctgcggc tgtacctctc ggactacgtc ctcaagaagg cgaactcacc cttgactgaa    1800
gaggggatgg cccgagcgac ctacgccctt tacaacagcg gcccgcaaaa tttcaagggg    1860
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tatacctgga ccaaggccgg cgagtttgaa cggctgaagt cctgtctctt tggggag       1977
<210>2
<211>659
<212>PRT
<213>土壤未培养微生物
<400>2
Met Val Pro Ile Arg Arg Pro Pro His Ser His Pro Asn Gln Thr
1               5                   10                  15
Leu Pro Ser Leu Pro Met Ser Arg Phe Phe Val Thr Leu Cys Leu
16              20                  25                  30
Ala Cys Trp Leu Ile Leu Gln Ala Ala Ser Gly Ser Ala Ser Ala
31              35                  40                  45
Ala Thr Thr Val Leu Pro Ile Arg Leu Asp Tyr Pro Leu Leu Arg
46              50                  55                  60
Ser Phe Ile Val Gln Gln Ala Phe Thr Glu Pro Asn Glu Thr Ala
61              65                  70                  75
Val Val Ile Asp Glu Phe Asp Gly Cys Gln Phe Leu Lys Leu Glu
76              80                  85                  90
Arg Pro Asp Leu Tyr Pro Glu Ser Gly Phe Leu Arg Leu Lys Ser
91              95                  100                 105
His Val Thr Leu Lys Thr Gly Leu Pro Val Leu Asp Thr Cys Gln
106             110                 115                 120
Met Pro Met Glu Leu Glu Gly Val Ile Asp Val Arg Leu Asn Val
121             125                 130                 135
His Leu Asp Ala Thr Gly Trp Glu Leu His Phe Gln Thr Glu Asp
136             140                 145                 150
Leu Arg Leu Thr Thr Ala Asp Gly Arg Thr Leu Pro Leu Ser Ala
151             155                 160                 165
Pro Val Leu Asp Leu Val Arg Glu Arg Leu Phe Gly His Leu Asp
166             170                 175                 180
Gln Val Ala Ile Asn Leu Ala Thr Pro Ile Gln Gly Leu Gln Glu
181             185                 190                 195
Met Leu Pro Leu Phe Phe Gln Asp Glu Ala Arg Thr Arg Ile Val
196             200                 205                 210
Ser Trp Leu Lys Gly Ile Arg Pro Gly Glu Ile Glu Ala Arg Pro
211             215                 220                 225
Glu Thr Tyr Ser Ile Glu Leu Val Met Glu Val Ser Glu Glu Ser
226             230                 235                 240
Gln Ser Leu Pro Pro Ala Thr Glu Arg Ala Leu Ser Asp Glu Glu
241             245                 250                 255
Met Glu Arg Leu Val Arg Ser Trp Glu Ala Trp Asp Ala Phe Leu
256             260                 265                 270
Val Tyr Gln Ile Gly Arg Leu Gly Leu Phe Ala Leu Glu Asp Gln
271             275                 280                 285
Asp Arg Ala Leu Val Leu Gln Thr Leu Leu Glu Ser Arg Tyr Gln
286             290                 295                 300
Leu Ala Ala Ala Leu Ala Ser Glu Gln Ser Asp Gln Gly Glu Asp
301             305                 310                 315
Leu Val Arg Gly Gln Phe Thr Thr Val Trp Asp Arg Phe Ala Pro
316             320                 325                 330
Leu Phe Arg Lys Tyr Leu Ala Arg Asn Pro Ser Val Ala Pro Phe
331             335                 340                 345
Ser Phe Leu Val Phe Leu Ser Ala Gly Asp Ala Leu Ala Val Leu
346             350                 355                 360
Asp Arg Leu Gly Pro Thr Met Gly Leu Glu Ile Ser Arg Asp Gly
361             365                 370                 375
Leu Ile Arg Leu Ala Arg Leu Leu Thr Asp Gly Gly Pro Glu Val
376             380                 385                 390
Thr Leu Gly Tyr Ser Phe Glu Val Asp Pro Gly Leu Arg Lys Met
391             395                 400                 405
Leu Gly Phe Gly Pro Pro Leu Pro Ala Pro Asp Gln Val Tyr Pro
406             410                 415                 420
Thr Gly Glu Glu Val Asp Leu Asp Pro Pro Ala Ala Asp Gly Gly
421             425                 430                 435
Ala Glu Arg Gly His Thr Pro Phe Arg Pro Leu Ser Trp Leu Leu
436             440                 445                 450
Phe Pro Phe Thr Pro Arg Pro Ala Tyr Ala Ser Val Pro Pro Pro
451             455                 460                 465
Val Asn Leu Gln Ala Leu Lys Arg Trp Leu Val Glu Asp Ser Asn
466             470                 475                 480
Phe Thr Pro Tyr Leu Gln Gln Val Arg Ala Leu Met Gln Glu Glu
481             485                 490                 495
Thr Arg Gln Ser Ala Ala Ala Gly Lys Leu Ala Pro Asn His Gly
496             500                 505                 510
Asp Leu Phe Ala Lys Ile Leu Gln Ala Thr Ala Trp Gln Glu Ser
511             515                 520                 525
Cys Phe Arg Gln Phe Thr Val Lys Asp Gly Lys Met Thr Tyr Leu
526             530                 535                 540
Arg Ser Trp Asn Asn Thr Ser Val Gly Leu Met Gln Ile Asn Glu
541             545                 550                 555
Arg Val Trp Arg Gly Leu Tyr Arg Ile Asp Ala Leu Arg Trp Asp
556             560                 565                 570
Pro Arg Tyr Asn Ile Gln Ala Gly Gly Glu Ile Leu Arg Leu Tyr
571             575                 580                 585
Leu Ser Asp Tyr Val Leu Lys Lys Ala Asn Ser Pro Leu Thr Glu
586             590                 595                 600
Glu Gly Met Ala Arg Ala Thr Tyr Ala Leu Tyr Asn Ser Gly Pro
601             605                 610                 615
Gln Asn Phe Lys Gly Phe Leu Ser Arg His Ala Lys Arg Glu Tyr
616             620                 625                 630
Leu Ala Ser Asp Lys Leu Phe Trp Glu Lys Tyr Thr Trp Thr Lys
631             635                 640                 645
Ala Gly Glu Phe Glu Arg Leu Lys Ser Cys Leu Phe Gly Glu
646             650                 655

Claims (5)

1.一种编码溶菌酶的基因lyase,其特征在于,如序列表中SEQ ID NO.1核苷酸序列。
2.根据权利要求1的基因所编码的蛋白质,其氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
3.一种表达载体,其特征在于,它含有权利要求1所述的基因。
4.一种宿主细胞,其特征在于,它含有权利要求3所述表达载体转化的原核细胞或真核细胞。
5.权利要求2所述的蛋白质在制备抗菌和溶菌药物中的应用。
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