CN105647898A - 一种海洋褐藻酸裂解酶及其表达基因与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋褐藻酸裂解酶及其表达基因与应用。一种海洋褐藻酸裂解酶基因gc,核苷酸序列如SEQ?ID?NO.1所示,所述海洋褐藻酸裂解酶基因gc编码的海洋褐藻酸裂解酶GC,氨基酸序列如SEQ?ID?NO.2所示。本发明首次获得了褐藻酸裂解酶GC,并利用结晶的方法得到了褐藻酸裂解酶GC的晶解析了其三维结构。褐藻酸裂解酶GC晶体结构可在工业酶制剂中的底物改造、提高酶活等方面具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋褐藻酸裂解酶及其表达基因与应用,属于生物技术技术领域。
背景技术
我国海域辽阔,海藻资源丰富,是全世界最大的海藻生产国。其中褐藻是开发最多的种类,占藻类总产量的75%左右。褐藻酸是褐藻中所特有的生物活性多糖,作为天然生物大分子已被广泛应用于食品、医药、化工等领域。但褐藻酸的分子量大,凝胶性强,在生产加工、综合利用等方面受到很大的限制。而其水解后的褐藻寡糖,水溶性好,具有抗菌、抗肿瘤、免疫调节、降血糖血脂和调节植物生长和防御等多种生物活性,目前已成为国际上褐藻酸产品深入研发、高附加值利用的代表方向和研究热点。
褐藻寡糖的生产可以采用物理法、化学法和酶解法。但物理法操作复杂,降解条件难以控制;化学法往往存在目标寡糖的产量低、回收率低和污染环境等问题。而酶解法具有专一性强、条件温和、过程可控、得率高等优点,已逐渐成为褐藻寡糖生产最有潜力的生产方式。作为褐藻寡糖生产的工具酶,褐藻酸裂解酶(alginatelyase)广泛存在于海洋软体动物、棘皮动物和微生物等多种生物,其通过β-消除机制(β-eliminate)裂解褐藻酸单体间的1-4糖苷键,在底物的非还原性末端生成不饱和糖醛酸,从而使得高聚物降解成一系列长短不一的寡糖链。但目前褐藻酸裂解酶的研究基础薄弱,开发的褐藻酸裂解酶工业酶制剂很少,褐藻酸裂解酶工业用酶的缺乏成为褐藻与褐藻酸高值化加工的瓶颈。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种海洋褐藻酸裂解酶及其表达基因与应用。
一种海洋褐藻酸裂解酶基因gc,核苷酸序列如SEQIDNO.1所示。
上述海洋褐藻酸裂解酶基因gc编码的海洋褐藻酸裂解酶GC,氨基酸序列如SEQIDNO.2所示。
一种重组表达载体,该表达载体包含有如SEQIDNO.1所示核苷酸序列的功能片段。
一种重组细胞,该宿主菌中转化有上述重组表达载体或表达上述海洋褐藻酸裂解酶GC。
对上述褐藻酸裂解酶GC进行结晶检测,得到的褐藻酸裂解酶GC的三维结构如下:
褐藻酸裂解酶GC晶体结构分辨率空间群:P21,晶胞参数: α=γ=90°,β=111.09°。褐藻酸裂解酶GC结构在一个晶体学不对称单位含有四个蛋白分子,每个蛋白分子分别含有一个氮端和一个碳端结构域,两个结构域之间通过一个长达54个氨基酸的linker相连。氮端结构域和碳端结构域分别形成右手平行β螺旋折叠结构(right-handedparallelβ-helixfold)。其中氮端结构域含有1个α螺旋和39个β折叠,碳端结构域含有1个α螺旋和29个β折叠。GC的催化腔主要位于氮端结构域,碳端结构域的一个柔性不规则卷曲也参与催化腔的形成。GC的催化中心特异性的结合有一个钙离子、一个磷酸根和碳酸根。(如图7)
上述海洋褐藻酸裂解酶GC和/或上述海洋褐藻酸裂解酶基因gc在褐藻酸裂解中的应用。
褐藻酸裂解酶基因gc是从GlaciecolachathamensisS18K6T的基因组DNA中克隆得到的。对具备褐藻酸降解能力的该菌株全基因测序,得到可能编码褐藻酸裂解酶的基因gc,褐藻酸裂解酶基因gc为一个含有2262个核苷酸的开放阅读框架,该开放阅读框架共编码754个氨基酸。根据信号肽在线预测(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/),该基因包含84个核苷酸编码的信号肽。切除信号肽区段,根据其序列设计特异性引物,利用PCR技术从S18K6T的基因组DNA中克隆了编码褐藻酸裂解酶的基因gc,构建了含褐藻酸裂解酶基因gc的表达载体以及对含有该表达载体的大肠杆菌重组细胞的核酸序列进行了测定。序列分析表明,褐藻酸裂解酶GC属于多糖裂解酶第6家族。对纯化的褐藻酸裂解酶GC进行性质测定。结果表明该酶对聚古洛糖醛酸和聚甘露糖醛酸均可降解,为双功能酶。最适pH为7.5,,最适酶活温度为30℃,在40℃内活力较高,对NaCl不耐受。通过对野生型褐藻酸裂解酶GC及硒代甲硫氨酸的褐藻酸裂解酶GC结晶得到其三维结构。
有益效果
本发明首次获得了褐藻酸裂解酶GC,并利用结晶的方法得到了褐藻酸裂解酶GC的晶体并解析了其三维结构。褐藻酸裂解酶GC晶体结构可在工业酶制剂中的底物改造、提高酶活等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1、通过PCR扩增克隆的编码褐藻酸裂解酶GC的基因片段的电泳图
图2、在大肠杆菌中异源表达纯化得到的藻酸裂解酶GC电泳图;
图3、褐藻酸裂解酶GC的酶活温度曲线;
图4、不同浓度的NaCl对极地褐藻酸裂解酶GC酶活性的影响曲线。
图5、褐藻酸裂解酶GC的酶活pH曲线;
图6、褐藻酸裂解酶GC的底物特异性分析;
图7、褐藻酸裂解酶GC的三维结构飘带示意图;
图中,金属离子用球形表示。磷酸根碳酸根均用球棍模型表示,其中前者位于金属离子左侧,后者位于金属离子下方。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明,但本发明所保护范围不限于此。
培养基:
分离培养基:0.5wt%蛋白胨、0.1wt%酵母粉、0.5wt%褐藻酸钠、1.5wt%琼脂,人工海水配制,pH7.0。
LB液体培养基:1wt%蛋白胨,0.5wt%酵母粉,1wt%NaCl,蒸馏水配制。
LB固体平板:1wt%蛋白胨,0.5wt%酵母粉,1wt%NaCl,1.5wt%琼脂,蒸馏水配制。
实施例1:褐藻酸裂解酶GC编码基因序列的获取及其序列分析
菌种来源:菌株GlaciecolachathamensisS18K6T购自日本微生物菌种保藏中心,保藏号为13645。
具体步骤如下:
1.1菌株的筛选
取纯培养菌株,点种于分离培养基平板上,15℃培养48h,测定菌株的直径。然后加入5mL10wt%西吡氯铵溶液,轻轻旋转平板使溶液均匀铺满整个平皿,静置10min充分染色,然后用清水冲洗培养基表面去除西吡氯铵溶液,测定透明圈的直径,并计算透明圈与菌落的直径比。
1.2褐藻酸裂解酶GC基因序列的确定
选取固体平板上产生透明降解圈的菌株GC,大量提取其基因组DNA:
(1)LB液体培养100ml细菌培养物至饱和状态,3wt%NaCl溶液洗菌体2次;
(2)沉淀物加入5ml3wt%NaCl,用吸管反复吹打使之重悬;
(3)加入10mlTris-EDTA缓冲液,轻晃混匀;
(4)加入溶菌酶,使其终浓度为1mg/ml,37℃作用1~2h;
(5)加入20wt%SDS和20mg/mL蛋白酶K至终浓度0.1mg/ml,55℃温育3h;
(6)向菌体中加入65℃预热的CTAB/NaCl溶液4ml,65℃温育20min;
(7)加等体积酚/氯仿/异戊醇(体积比25:24:1)震荡10min后离心,抽提1次,上清液再用等体积氯仿抽提1次;
(12)向上清中加入2倍体积预冷的无水乙醇,用玻璃棒将DNA搅丝;
(13)DNA用体积百分比为70%的乙醇和无水乙醇各洗涤1次,稍干后溶于适量0.1×SSC缓冲液中,用紫外分光光度计测定DNA浓度及纯度后置于4℃冰箱保存(可于-20℃长期保存)。
经全基因测序后通过对其基因注释,得到可能编码褐藻酸裂解酶的基因gc。该基因含有一个2262bp的开放阅读框架,其编码褐藻酸裂解酶GC,起始密码子位于1bp,终止密码子位于2259bp,共编码754个氨基酸,根据信号肽在线预测,其中包括84个核苷酸编码的信号肽区段。获得的基因gc的核苷酸序列如SEQIDNO.1所示。其编码的蛋白的氨基酸序列如SEQIDNO.2所示。
实施例2:褐藻酸裂解酶GC的克隆、异源表达及分离纯化
2.1利用PCR对gc基因序列进行扩增
(1)根据信号肽在线预测,该褐藻酸裂解酶基因gc包括84个核苷酸编码的信号肽,切除信号肽,根据基因gc序列设计两条特异性引物:
gcF:GGAATTCCATATGGCTGACTTGCTTGTTAAGACACCA(SEQIDNO.3),用下划线标出的是NdeI酶切位点;SEQIDNO.3
gcR:CCCAAGCTTTTAAAGGACTGTATTGCCGCTTATTG(SEQIDNO.4),用下划线标出的是HindIII酶切位点;SEQIDNO.4
引物由上海生工生物技术有限公司合成。
(2)以gcF和gcR为引物,以菌株S18K6T的DNA为模板,用FastPfuDNA聚合酶(购自Transgen公司)扩增目的基因片段;
PCR反应条件为:95℃预变性2min;然后95℃变性30sec,50℃退火30sec,72℃延伸90s,30个循环后;72℃延伸10min;
(3)对PCR扩增产物进行1wt%琼脂糖凝胶电泳,结果表明获得一条约2200bp的DNA片段(如图1);然后用Omega公司的DNA回收试剂盒按照其说明回收扩增DNA片段;
(4)用限制性内切酶NdeI和HindIII对回收片段和质粒pET22b分别进行双酶切反应。酶切结束后,对酶切产物进行1wt%琼脂糖凝胶电泳,然后用Omega公司的DNA回收试剂盒按照其说明回收扩增DNA片段和载体片段。将经过双酶切的gc基因片段连接到pET22b载体上,16℃过夜连接。
(5)按《分子克隆实验指南》上制备大肠杆菌感受态的方法制备大肠杆菌DH5α感受态。
(6)按《分子克隆实验指南》上的热激转化方法将连接好的重组pET22b载体转至大肠杆菌DH5α感受态。
(7)转化的大肠杆菌DH5α涂布于含100μg/ml氨苄青霉素的LB固体培养基,37℃过夜培养。挑选阳性克隆子,转接至LB液体培养基中培养,提取质粒,进行NdeI/HindIII双酶切,通过酶切验证正确的质粒送北京华大基因公司测序。
2.2重组表达载体pET22b-gc转化到大肠杆菌BL21(DE3)中
(1)按《分子克隆实验指南》上制备大肠杆菌感受态的方法制备大肠杆菌BL21感受态;
(2)按《分子克隆实验指南》上的热激转化方法将测序正确的重组载体pET22b-gc转至大肠杆菌BL21感受态;
(3)将转化的大肠杆菌BL21涂于含100μg/ml氨苄青霉素的LB培养基中,37℃过夜培养。
2.3基因gc在大肠杆菌中诱导表达与纯化
(1)在平板上刮取大片菌苔,接于100ml含100μg/ml氨苄青霉素的LB液体培养基中,37℃培养2~3h;
(2)按1%(v/v)接种量转接到1L)含100μg/ml氨苄青霉素的LB液体培养基中,37℃培养至OD600为0.6,加入IPTG至终浓度为0.2mM,继续在16℃摇床培养16h;
(3)收集经过IPTG诱导表达的LB培养液,9,000rpm离心5min,收集菌体;
(4)用含100mMNaCl的50mMTris-HCl缓冲液(pH8.0)悬浮菌体;
(5)将重新悬浮的菌液进行压力破碎;
(6)将破碎后的菌液12,000rpm离心1h,收集上清液;
(7)将上清液按照说明书的要求进行镍柱亲和层析;
(8)层析后收集的样品用SDS-PAGE检测纯度,证明已经获得褐藻酸裂解酶GC的电泳纯酶(如图2)。通过分子筛层析除去咪唑,最后置于-20℃保存备用。
实施例3:褐藻酸裂解酶GC的性质测定
3.1最适温度分析
标准反应为:
80μl5mg/l的褐藻酸钠(购自Sigma公司)底物与100μl50mMTris-HCl(pH8.0)混合液于20℃预热5min后,加入20μl稀释好的酶液并于20℃反应30min,沸水浴5min终止反应。测定OD235值,以不加酶液的反应作为空白对照。酶活力单位(U)定义为:一定温度下每分钟产生产物使235nm处的吸收值增加0.1所需要的酶量。
最适反应温度的测定:以褐藻酸钠为底物,在终浓度为25mM的Tris-HCl(pH8.0)缓冲液中,分别检测褐藻酸裂解酶GC在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃下的酶活。最高酶活定义为100%。
结果表明,30℃条件下,褐藻酸裂解酶GC酶活力最高,40℃内均较稳定,50℃左右酶活力丧失严重(如图3)。
3.2对NaCl的耐受性分析
向反应体系分别加入不同浓度的NaCl,终浓度分别为0、0.2M、0.4M、0.6M、0.8M、1.0M,分别测定不同NaCl浓度条件下的酶活,以不加NaCl的酶活做为空白对照,将最高的酶活定义为100%。
结果表明该酶是耐盐酶。GC酶活随着盐浓度升高而降低(如图4)。
3.3最适pH分析
配制pH值在5.0~9.5范围内、间隔0.5个pH单位的Britton-Robinson缓冲液。测定褐藻酸裂解酶GC在30℃、不同pH条件下的酶活,最高酶活定义为100%。
结果表明褐藻酸裂解酶C3最适pH为7.5(如图5)。
3.4底物特异性分析
以聚古洛糖醛酸和聚甘露糖醛酸于30℃,25mMTris-HCl(pH7.5)缓冲液中与褐藻酸裂解酶GC分别反应,比较酶对不同底物的活性大小,分析酶的底物降解偏好性。最高酶活定义为100%。
结果表明该酶是对PM和PG均有酶活,是个双功能酶。
实施例4:褐藻酸裂解酶GC的结晶
4.1野生型褐藻酸裂解酶GC的结晶
将如上方法表达纯化好的褐藻酸裂解酶GC浓缩至浓度约为10-15mg/ml,使用结晶试剂盒(来自HamptonResearch等公司的CrystalScreenKitI/II,Index,Salt,PEG/Ion等)作为晶体生长的初筛条件,采用悬滴气象扩散法进行结晶。本发明在多个不同的结晶试剂条件下获得了初始晶体。采用座滴气相扩散法优化初始晶体生长条件,优选100mMSPG,pH8.5,25%PEG1500的缓冲液作为晶体生长条件,收集到一套分辨率为的X射线衍射数据。
4.2硒代甲硫氨酸褐藻酸裂解酶GC的诱导表达及纯化
(1)重组表达载体pET22b-gc转化到大肠杆菌BL21(DE3)如2.2所述。
(2)在平板上刮取大片菌苔,接于含100μg/ml氨苄青霉素的LB液体培养基中,37℃培养过夜;
(3)取10ml菌液接到含100μg/ml氨苄青霉素的520ml的适应培养基中,37℃培养到OD0.6-0.8;
(4)将细胞从适应培养基中分离出来,4000rpm,4℃离心10min;
(5)倒掉上清,用三蒸水洗涤沉淀,4000rpm,4℃离心10min;
(6)弃去上清,用120ml三蒸水重悬;
(7)向1L(含100μg/ml氨苄青霉素的表达培养基中事先加入L-Lys,L-Tyr,L-Phe各100mg及L-Leu,L-Ile,L-Val各50mg。再向其中加入20ml的重悬菌液。37℃培养到OD0.6-0.8;
(8)降温至20℃45min,向每升表达培养基中加入50mgL-Se-Met,再加入IPTG至终浓度为0.2mM,20℃,120rpm培养16h;
(9)纯化方法如2.3中所述。
上述适应培养基组分如下:
80ml5×M9,120ml20wt%葡萄糖,80mlLB,240ml蒸馏水。
上述表达培养基组分如下:
200ml5×M9,260ml20wt%葡萄糖,100ml6.5wt%的YNB,440ml蒸馏水。
上述5×M9组分如下:
8.6wt%十二水和磷酸氢二钠,1.5wt%磷酸二氢钾,0.25wt%氯化钠,0.5wt%氯化铵,蒸馏水配制。
4.3硒代甲硫氨酸褐藻酸裂解酶GC的结晶
结晶方法如4.1。本发明在多个不同的结晶试剂条件下获得了初始晶体。通过后期的优化调整,优选0.2M丙二酸钠,pH7.0,20%PEG3350的缓冲液作为晶体生长条件,收集到一套分辨率为的X射线衍射数据。
实施例5.褐藻酸裂解酶GC的数据收集及结构解析
本发明将制备的晶体以20%的甘油作为防冻剂处理后,冻存于液氮中。晶体X射线衍射的数据收集在上海光源(SSRF)生物大分子晶体学光束线站BL17U进行。数据处理使用的是HKL2000。结构的相位信息通过硒的多波长反常散射(SAD)获取。重金属原子位置通过hkl2map寻找,结构的初步解析通过Phenix.autosol和Phenix.autobuild程序完成。然后利用Phenix.refine程序并辅以Coot软件对初始结构做进一步修正,最终解析得到褐藻酸裂解酶GC的晶体结构。
该褐藻酸裂解酶GC为多糖裂解酶6家族首次解析的褐藻酸裂解酶结构,也是除果胶酶、硫酸软骨素裂解酶B,多糖裂解酶中首次证实的拓扑结构为右手β螺旋的褐藻酸裂解酶。
Claims (5)
1.一种海洋褐藻酸裂解酶基因gc,核苷酸序列如SEQIDNO.1所示。
2.权利要求1所述海洋褐藻酸裂解酶基因gc编码的海洋褐藻酸裂解酶GC,氨基酸序列如SEQIDNO.2所示。
3.一种重组表达载体,该表达载体包含有如SEQIDNO.1所示核苷酸序列的功能片段。
4.一种重组细胞,该宿主菌中转化有权利要求3所述重组表达载体或表达权利要求2所述的海洋褐藻酸裂解酶GC。
5.权利要求2所述海洋褐藻酸裂解酶GC和/或权利要求1所述海洋褐藻酸裂解酶基因gc在褐藻酸裂解中的应用。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160608 |