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海栖热袍菌α-葡萄糖苷酶基因aglA的克隆、表达及酶学性质

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第3O卷第6期 2"O11年11月 食品与生物技术学报 Journal of Food Science and Bi0techn0logy Vol|30 NO.6 NOV. 2011 文章编号:1673—1689(2011)06—0940—05 海栖热袍菌 一葡萄糖苷酶基因aglA的 克隆、表达及酶学性质 王月宏 , 段作营 , 邵 蔚蓝 , 李华钟“ (1.江南大学工业生物技术教育部重点实验室,江苏 无锡214222;2.南京师范大学生命科学学 院,江苏南京210097) 摘 要:主要研究了在大肠杆菌中克隆和表达海栖热袍菌(Thermotoga maritima)的一个a一葡萄 糖苷酶(TM1834)。通过PCR方法克隆编码T.maritima的一个a一葡萄糖苷酶基因aglA,构建 重组质粒pHsh—AglA,电击转化Escherichia coli JM109,通过热激诱导高效表达。SDS—PAGE检 测出蛋白相对分子质量约55 000,经热处理,阴离子交换层析和疏水层析纯化后的12.一葡萄糖苷酶 最适反应温度为9O℃,最适反应pH为7.5,在pH 6.5~8.5,温度65~10O℃之间酶活仍达到 5O 以上。在辅助因子NAD ,Mn抖和还原剂DTT的存在条件下达到最高酶活。 关键词:a一葡萄糖苷酶;海栖热袍菌;NAD。。;酶学性质 中图分类号:Q 78 文献标识码:A Expression and Characterization of a Thermostable a。Giucosidase from Hyperthermophile,Thermotoga maritima WANG Yue—Hong ,DUAN Zuo—ying , SHAO Wei—I an ,LI Hua—Zhong (1.Key Laboratory of Industrisal Biotechnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214036,Ch na;2.College of Life Science,Nanjing Normal University,Nanjing 210046,China) Abstract:A thermostable a—glucosidase gene aglA(TM1834)from a hyperthermophile bacterium, Thermotoga maritima,was expressed in Escherichia coli JM109 using the new heat—shock expression vector pHsh.The recombinant a—glucosidase aglA was purified by heat treatment,ion exchange chromatography,and hydrophobic chromatography,and had a molecular weight of 55 kDa as indicated by SDS—PAGE analysis.The optimum pH and temperature for this enzyme was PH 7.5 and 9O℃,respectively.More than 50 was detected at pH values between 6.5 and 8.5 and temperatures between 6 5℃and 1 00℃.The maximal aglA activity was observed in the presence of cofactor NAD ,Mn ,and DTT. Key words:d—glucosidase,Thermotoga maritima,NAD ,characterization 收稿日期:2O1O一】1—01 基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK2006220)。 作者简介:王月宏(1983 ),女,江苏仪征人,发酵工程博士研究生,主要从事工业微生物及生物制药研究。 Email:wyhredmoon@l26.corn *通信作者:李华钟(1958一),男,山东龙口人,教授,博士研究生导师,主要从事工业微生物及生物制药研究。 Email:hzhli@jiangnan.edu.cn 第6期 王月宏等:海栖热袍菌a一葡萄糖苷酶基因aglA的克隆、表达及酶学性质 941 5-葡萄糖苷酶(a-glucosidase,EC 3.2.1.20) 又叫a—I)-葡萄糖苷水解酶,它可以从低聚糖类底物 的非还原末端切开5-1,4糖苷键,释放出葡萄糖, 或将游离出的葡萄糖残基转移到另一糖类底物形 成a一1,6糖苷键,从而得到非发酵性的低聚异麦芽 糖或糖酯、糖肽等[1 ]。 一葡萄糖苷酶广泛分布,几 乎存在于所有生物体内,在人类的糖原降解和动 物,植物以及微生物的糖代谢中具有重要的生理功 能 一 。 目前越来越多的来源于极端嗜热微生物的a一 葡萄糖苷酶受到了研究和重视,如Pyrococcus fu- riosus(105~115℃),Sulfolobus sol taricus (105℃),Thermus thermophilus(85℃)[9-11]。 海栖热袍菌(Thermotoga maritima)是生长在 55~90℃海底火山口的极端嗜热严格厌氧杆状微 生物,最适生长温度80℃,培养条件极其苛刻,并 且细胞产量较低[】 卜¨]。1999年海栖热袍菌全基因 组序列已经测通并公布。该菌的开放阅读框 TM 1834,TM 0434,TM 1068,TM 0752均编码 a一葡萄糖苷酶。作者主要报道了TM一1834基因的 克隆,首次利用Hsh热激表达系统在大肠杆菌中表 达,并对重组酶进行了分离纯化和酶学性质研究, 为该重组酶的后续研究奠定了基础。 1材料与方法 1.1主要试剂及仪器 性内切酶、T4 DNA连接酶、DNA相对分 子质量标准、蛋白质相对分子质量标准和Pyrobest DNA聚合酶购自宝生物工程公司(TaKaRa);酵母 提取物和胰蛋白胨:购自OXOID公司;氨苄青霉素 (Ampicillin):购自上海生工生物工程技术服务有 限公司;质粒抽提试剂盒和胶回收试剂盒:购自 Qiagen公司;引物:上海生工生物技术公司合成;其 它生化试剂:购于Sigma等公司。 1.2菌株和质粒 丁.maritima MSB8、大肠杆菌(Escherichia CO— li)JMlO9、表达质粒pHsh(中国专利, 200410041636.7)由作者所在研究室保藏,E.coli JM109购于Promega公司。 1.3培养基和培养条件 T.maritima MSB8培养基采用改良的LB培 养基,培养方法参照参考文献L1引,大肠杆菌重组子 培养采用含100 ̄g/mL Amp的LB培养基(蛋白胨 10 g/L,酵母提取物5 g/L,氯化钠10 g/L,pH 7.0) 1.4引物设计 按照已公布海栖热袍菌a一葡萄糖苷酶基因序 列 设计引物,委托中科院上海生物工程中心合成。 引物1:5 一CTCCATCTGTGAAGATC-3 ; 引物2:5 r_CCCCTCGAGTTATCTTCAGAT AATGTT一3 ,引入X 0 I位点。 1.5重组质粒pHsh-AglA的构建 以提取的T.maritima MSB8的基因组DNA 为模板,用高保真性聚合酶Pyrobest酶对模板进行 扩增(94℃,30 S;46℃,80 S;72℃,1.5 min),30个 循环后电泳检查。PCR扩增产物回收参考Qian- gen PCR产物纯化试剂盒操作手册。得到 T.maritima MSB8 a一葡萄糖苷酶基因aglA。用 Xho I酶切并纯化得到的a一葡萄糖苷酶基因片段, 以适当比例与已经Stu I、Xho I酶切并纯化的 pHsh载体混合,加入连接酶,16℃过夜,转化E .coli JM109构建含T.maritima MSB8葡萄糖异 构酶基因aglA的重组质粒pHsh—AgZA。 1.6Ⅱ一葡萄糖苷酶基因在大肠杆菌中的诱导表达 将重组菌接种到5 mL氨苄LB培养基,在37 ℃摇床中进行振荡培养至对数期,以2 接种量于 50 mL氨苄LB培养基中,先置于30℃摇床,200 r/ min进行振荡培养至A。 为0.8时,再迅速移至 42℃水浴摇床中继续进行振荡培养热激表达,继续 培养6~8 h后,8 000 r/min离心收集菌体,用50 mmol/L的Tris—HC1缓冲液(pH 7.0)洗涤菌体2 次,再用2.5 mL同样缓冲液重悬菌体,超声波破碎 细胞后12 000 r/rain离心,取上清即为重组a一葡萄 糖苷酶粗酶液。 1.7重组a一葡萄糖苷酶酶活的测定 将酶液用对硝基酚a—I)_葡萄糖苷(pNPG)为底 物测定酶活,总酶活反应体系200 FL,其中10肚L pNPG(浓度为0.1 tool/L),20 FL MnC1 (浓度为 10 mmol/L),20 L NAD (浓度为9 mmol/L),10 fL DTT(浓度为1 mol/L),20 ffL Tris—HC1缓冲液 (浓度为0.5 mol/L,pH 7)于8O℃水浴中保温5 min,加入1O L酶液,反应10 min,取出放在冰上 终止反应,立即加入600 mL 1 mol/L碳酸钠溶液 显色,于410 nm测定吸光度。在上述条件下,每分 钟水解生成1/zmol对硝基酚所需的酶量为一个酶 活力单位。 1.8重组 葡萄糖苷酶的纯化及保存 高温热处理:将粗酶液置于80℃水浴锅中热处 理10 rain,随后置于冰上冷却5 rain,12 000 r/min 离心30 min去除大热变性杂蛋白。 942 食 品 与 生 物技 术 学 报 第30卷 阴离子交换层析:将热处理酶液经过0.45 m 微孔滤膜过滤后上样于DEAE Sepharose Fast Flow,由含有100~400 mmol/I NaC1的样品缓冲 液以1.5 mI /min的速度进行线性洗脱,收集到活 力峰后,用质量分数50 的硫酸铵沉淀。 疏水柱层析:输水柱经过Tris—HCI缓冲液(浓 度为0.5 mol/I ,pH 7,质量分数5O 硫酸铵)平衡 后,将上述酶液上柱后,先用含有质量分数50 硫 酸铵上样缓冲液洗脱未结合蛋白,然后以质量分数 50 ~0 硫酸铵洗脱,收集活力峰。 纯酶的保存:用2O mmol/I 磷酸缓冲液(pH 6.5,体积分数20 甘油,4℃)透析过夜后,加入适 量DTT、MnC12和NAD 后一2O℃保存。 2 结 果 2.1 葡萄糖苷酶基因的克隆、鉴定及表达载体的 构建 采用PCR技术成功的从T.maritima MSB8 基因组中扩增得到a一葡萄糖苷酶基因aglA(1 443 bp),见图1。PCR产物经过X 0 I酶切后,与经过 Stu I和Xho I双酶切的pHsh质粒以适当比例混 合连接,得到含有a一葡萄糖苷酶基因aglA的表达 载体pHsh—AglA,转化受体菌E.coli JMlO9。在 AMP平板中挑选转化子,进行菌落PCR验证。采 用a一葡萄糖苷酶结构基因的上下游引物扩增出大 约1.5 kb的特异性片段(图2)。 2 1 2000 1 000 750 500 250 1OO 1:DNA marker;2:a葡萄糖苷酶基 图1海栖热袍菌骨葡萄糖苷酶基因的PCR产物电泳图 Fig.1 PCR results of a-glucosidase gene in maritime 2.2 0‘-葡萄糖苷酶基因在大肠杆菌中的表达及酶 的纯化 将重组菌株接种于含氨苄青霉素的LB培养 基,经6~8 h热激诱导后,离心收集菌体,超声波破 碎,离心获得上清可溶性粗酶液,将粗酶液经过8O ℃水浴锅热处理10 min,再经过离子交换层析和疏 水层析后可以得到电泳纯的酶样品(列4),见图3。 2 OOff 1 000 750 500 200 l:DNA marker;2:菌落PCR特异性片段 图2重组质粒酶切验证图 Fig.2 Verification by colony PCR 97400 66 200 M:Protein Marker,1:E.coli JM109重组菌粗酶液,2:热处理 后卜清液,3:经过阴离子柱纯化后的蛋白,4:经过疏水柱纯化 后的蛋白 图3重组蛋白纯化过程SDS-PAGE电泳图 Fig.3 SDS-PAGE of purified enzyme from recombined strain 2.3重组葡萄糖异构酶的酶学性质 2.3.1 NAD 浓度对酶活的影响 反应体系中含 有1 mmol/I MnC12和50 mmol/I 的DTT,加入不 同浓度的NAD ,计算其相对酶活。结果如图4, NAD 浓度为0.9 mmol/l 时酶活最高。 2.3.2 金属离子和还原剂DTT对酶活的影响 在标准酶反应体系中,用5 mmol/I 各种不同金属 离子代替原有体系中的金属离子,测得经过EDTA 处理过的酶液的酶活力。结果表明,纯化后的 AglA,在没有添加Mn。 情况下无法检测到酶活。 Ca ,Mg 或者Zn。 的加入只能检测到微量酶活, 当Mn 浓度1 mmol/I 时酶活达到最高。当还原 剂DTT的浓度高于50 mmol/I 时,重组酶的酶活 仍然在提高。 2.3.3 最适反应pH在不同的pH条件下分别测 定酶活。结果如图5,该重组酶最适反应pH 7~ 7.5 第6期 王月宏等:海栖热袍菌a一葡萄糖苷酶基因aglA的克隆、表达及酶学性质 943 1OO 8O 烬6O 蜒 溢 {茜 蒌4o 靛 2O 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 9O lOO NAD 浓度/(mmol/L) 温度FC 图6重组酶的最适反应温度 图4 NAD 浓度对酶活的影响 Fig.6 Optimum temperature of AglA Fig.4 Effect of NAD concentration on the the purified AglA activity 3 结 语 1O0 采用新型的热激表达质粒pHsh成功表达了来 80 源于海栖热袍菌的a一葡萄糖苷酶。pHsh含有能被 薹60 大肠杆菌中的。 识别的启动子,作为表达载体的优 势在于避免使用了常规的诱导底物IPTG,在一定 镟 簦40 程度上减少了成本。 表达的特异蛋白相对分子质量约为55 000,经 2O 过纯化后的a一葡萄糖苷酶无法检测到酶活,在强还 原性体系中,加入辅助因子NAD 以及Mn 后才 O 能检测完全检测到酶活,没有发现其他的金属离子 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 pH值 对该酶有较强的激活作用。目前还没有其他来源 图5重组酶的最适反应pH 的a一葡萄糖苷酶具有此类的特征。该重组酶最适 Fig.5 Optimum pH of the AglA 反应温度90℃,最适反应pH为7.5。该酶能作用 2.3.4 最适反应温度 在不同温度下测定酶活, 于pNPG,可水解含有a-1,1,a一1,2,a一1,4和o【一1,6 以最高酶活为100 ,结果见图6,该重组酶最适温 的短碳链(≤5)糖类底物,不能水解长链大分子如 度为9O℃。并在75℃和100℃之间仍有8O 9/6的 淀粉。同大部分的a一葡萄糖苷酶一样,该酶水解底 活性。 物的速度随着底物链长的增加而降低。 2.3.5酶的底物专一性在标准反应条件下,用1 实验中的表达产物是胞内酶,增加了后续的分 g/dI 的不同底物与酶进行反应。该酶能水解 离纯化的步骤和成本,因此在下一步实验中,作者 pNPG,pNP—a—D-Galactoside,麦芽糖,异麦芽糖,麦 将在分泌型表达载体毕赤酵母中表达胞外酶,以期 芽三糖、麦芽四糖、麦芽五糖,蔗糖,海藻糖,但是不 望得到更高的表达水平,为后续酶分子的结构研究 能水解可溶性淀粉。 以及酶的应用奠定基础。 参考文献(References): [1]胡学智,凌晨,武雯,等.葡萄糖苷转移酶生产菌种的筛选I-J].工业微生物,1998,28(1):1—6. 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