余少璟 ,許妍妍 ,袁艷秋,周星杰,吉夢(mèng)瑩,欒廣忠(.西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西楊凌 700;. 開封市食品藥品檢測(cè)中心,河南開封 475000)
重組大豆7S球蛋白α′-亞基的分離純化
余少璟1,許妍妍2,袁艷秋1,周星杰1,吉夢(mèng)瑩1,欒廣忠1
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西楊凌 712100;2. 開封市食品藥品檢測(cè)中心,河南開封 475000)
為分離及純化重組大豆7S球蛋白(β-conglycinin)α′-亞基,將大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21經(jīng)異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)誘導(dǎo)培養(yǎng),得到含有重組7S球蛋白α′-亞基目的蛋白的菌液,再經(jīng)超聲破碎、離心得到粗提的重組蛋白。采用AKTA蛋白純化系統(tǒng)利用Ni2+親和層析柱進(jìn)一步純化重組蛋白,當(dāng)采用流速為5 mL/min 的平衡液平衡Ni2+柱可以得到較高純度的目的蛋白,純度可達(dá)89.1%。
7S球蛋白;α′-亞基;重組蛋白;分離;純化
7S球蛋白是大豆蛋白的主要組分之一[1],由α′-亞基(71 ku)、α-亞基(67 ku)、β-亞基(50 ku)3種亞基通過(guò)疏水作用和氫鍵構(gòu)成三聚體[2, 3]。天然的α′-亞基含有2個(gè)N-連接的糖基[4],在結(jié)構(gòu)上可分為延伸區(qū)(extension region)和核心區(qū)(core region)。欒廣忠等[5]發(fā)現(xiàn)7S球蛋白中的糖基可阻礙由Alcalase酶誘導(dǎo)的凝膠的形成。Maruyama等[6]利用大腸桿菌(Escherichiacoli,E.coli)表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)出了α和α′核心區(qū)域,并且自組裝出來(lái)了非糖基化的7S球蛋白。由于原核表達(dá)系統(tǒng)與真核表達(dá)系統(tǒng)不同,同樣的基因在不同的表達(dá)系統(tǒng)中得到的目的蛋白的結(jié)構(gòu)也不同。7S球蛋白亞基在原核表達(dá)系統(tǒng)中所表現(xiàn)的不同就在于所得的目的蛋白缺失了N-端的糖基結(jié)構(gòu),目前已經(jīng)成功重組得到的大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)可以得到N-連接糖基缺失的α′-亞基[3]。因此,可以分離純化出重組的α′-亞基,為后續(xù)與天然7S球蛋白α′-亞基之間的性質(zhì)比較做準(zhǔn)備。
親和標(biāo)簽融合技術(shù)在重組蛋白純化領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[7],具有結(jié)合特異性高、洗脫條件溫和、通用性強(qiáng)、純化倍數(shù)高等顯著優(yōu)點(diǎn)[8]。將目的基因與優(yōu)化的親和標(biāo)簽融合表達(dá),通過(guò)親和層析獲得純度較高的重組融合蛋白已成為重組蛋白純化的一個(gè)通用方法[9]。本研究中的大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21僅N-端帶有6個(gè)組氨酸(His)標(biāo)簽,表達(dá)的重組α′-亞基可以與鎳離子特異性結(jié)合[10]。將菌株誘導(dǎo)培養(yǎng)得到粗提的重組蛋白α′-亞基后,利用帶有Ni2+親和層析柱的AKTA蛋白純化系統(tǒng)將其進(jìn)一步純化,通過(guò)調(diào)整平衡液的流速來(lái)對(duì)純化條件進(jìn)行篩選。
陽(yáng)性工程菌株pET-28a-α′-BL21,由西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院植物蛋白工程實(shí)驗(yàn)室提供。以‘魯96150’大豆為原料提取總RNA,經(jīng)RT-PCR法擴(kuò)增得到目的基因α′-亞基后與克隆載體pGEM-T Easy相連構(gòu)建重組克隆載體pGEM-α′,pGEM-α′與表達(dá)載體pET28a連接構(gòu)建原核重組表達(dá)載體pET-28a-α′,經(jīng)鑒定后將重組表達(dá)載體pET-28a-α′轉(zhuǎn)入感受態(tài)細(xì)胞E.coliBL21(DE3)中,得到陽(yáng)性工程菌pET-28a-α′-BL21[3]。
試劑:蛋白質(zhì)分子質(zhì)量Marker(3595A)、三羥甲基氨基甲烷(Tris),大連TaKaRa公司;蛋白胨、酵母粉,賽默飛世爾科技公司;β-巰基乙醇、異丙基硫代-β-D-半乳糖苷(IPTG)、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、TEMED(四甲基乙二胺)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、考馬斯亮藍(lán)R250、考馬斯亮藍(lán)G250、5×蛋白上樣緩沖液、咪唑、苯甲基磺酰氟(PMSF),北京索萊寶有限公司;磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氯化鈉、疊氮化鈉、異丙醇、乙醇、磷酸、鹽酸等均為國(guó)產(chǎn)分析純。此外,文中試劑所涉及百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù),若有條件變化,會(huì)有特殊說(shuō)明。
儀器:DYY-6C電泳儀,北京六一生物科技有限公司;DYCP-24DN垂直電泳槽,北京六一生物科技有限公司;BIO-RAD680酶標(biāo)儀,美國(guó)伯樂(lè)BIO-RAD公司;BIO-RAD GelDocXR+凝膠成像儀,美國(guó)伯樂(lè)BIO-RAD公司;SHP-150生化培養(yǎng)箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;雷磁PHS-3C pH計(jì),上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;YXQ-LS-18SI手提式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;SW-CJ-2G雙人單面超凈工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司;TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī),湖南長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;DK-98-I電熱恒溫水浴鍋,天津市泰斯特儀器有限公司;BCD-189V冰箱,河南新飛電器集團(tuán)有限公司;DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;WK2102家用電磁爐,美的電器股份有限公司;CAV1000通風(fēng)櫥,F(xiàn)&S Scientific有限公司;Neofuge 15R冷凍離心機(jī),上海力申科學(xué)儀器有限公司;TS-100脫色搖床,江蘇海門其林貝爾儀器制造有限公司;His Trap HP鎳離子親和層析柱,通用電氣醫(yī)療集團(tuán)(GE healthcare);AKTA purifier蛋白純化系統(tǒng),通用電氣醫(yī)療集團(tuán)(GE healthcare);VC130超聲波細(xì)胞破碎儀,美國(guó)Sonics & Materials股份有限公司。
1.3.1 天然7S球蛋白的分離 參照Nagano等[11]方法,將50 g脫脂大豆粉以1∶15的比例溶于750 mL蒸餾水中,用2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至7.5,室溫下攪拌2 h,懸浮液用濾布(140目)過(guò)濾,濾液于9 500 g條件下離心25 min,得上清液,在其中加入亞硫酸氫鈉至0.98 g/L,用2 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至6.4,混合物于4 ℃過(guò)夜。混合物在9 500 g離心30 min,得到的沉淀物為大豆球蛋白(11S)。在上清液中加入固體NaCl至濃度為0.25 mol/L,用2 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至5.0,攪拌1 h后,9 500 g離心30 min,得到的上清液用冰水稀釋兩倍體積后用2 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至4.8,9 500 g離心20min,得到的沉淀即為粗提的7S球蛋白物。將其用蒸餾水洗滌后調(diào)節(jié)pH至7.0,4 ℃下透析脫鹽后凍干,-20 ℃保存,利用SDS-PAGE電泳進(jìn)行定性分析。
1.3.2 SDS-PAGE SDS-PAGE中所采用的濃縮膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,分離膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%[12]。
制膠所需試劑:30%丙烯酰胺單體貯備液;濃縮膠緩沖液,1.0 mol/L Tris-HCl,pH 6.80;分離膠緩沖液,1.5 mol/L Tris-HCl,pH 8.80;10%SDS;10%APS;TEMED。
樣品與Marker上樣量均為15 μL,樣品上樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 g/L。
電泳所需試劑:電泳緩沖液(0.125 mol/L Tris,1.25 mol/L甘氨酸,0.5% SDS);染色液(0.1%考馬斯亮藍(lán)R-250,φ=10%冰乙酸,φ=30%甲醇),過(guò)濾后使用;脫色液(φ=10%冰乙酸,φ=30%甲醇)。
1.3.3 重組α′-亞基的提取 參考許妍妍等[3]的方法,并稍有調(diào)整:將大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21在振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(培養(yǎng)條件為37 ℃,120 r/min)至菌液OD600值達(dá)到1.0后,加入誘導(dǎo)劑IPTG(0.2 mmol/L)誘導(dǎo)表達(dá)14 h,隨后菌液經(jīng)8 500 r/min、20 min離心后,棄去上清,所得到的沉淀即為菌體細(xì)胞。隨后加入平衡液(PBS:0.5 mol/L氯化鈉,20 mmol/L磷酸鈉緩沖液,0.02%疊氮化鈉,0.1 mmol/L PMSF,pH 7.4)重懸菌體之后利用超聲波細(xì)胞破碎儀進(jìn)行超聲破碎后(超聲條件為:超聲10 s,間隔2 s,每次5 min,循環(huán)8次,共40 min,4 ℃),后得到粗提的α′-亞基蛋白液,將其離心,所收集到的上清液可以采用截留分子質(zhì)量為10 ku的Millipore Amicon Ultra-15超濾離心管進(jìn)行一定程度的濃縮[13],-20 ℃保存?zhèn)溆谩@肧DS-PAGE對(duì)其進(jìn)行定性分析。
1.3.4 考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)及標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 參考程君生等[14]的方法,略有調(diào)整:用牛血清白蛋白(BSA)配置終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 g/L的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別吸取0、8、16、24、32、40 μL標(biāo)準(zhǔn)溶液于96孔板中,并加入超純水定容至每孔體積為40 μL,隨后向其中加入200 μL考馬斯亮藍(lán)染液(0.1%考馬斯亮藍(lán)G-250),室溫靜置3~5 min(不得出現(xiàn)氣泡)。用酶標(biāo)儀于595 nm處測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)反應(yīng)溶液的吸光值,根據(jù)所測(cè)定的結(jié)果繪制蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線。以此標(biāo)準(zhǔn)曲線為對(duì)照,來(lái)確定樣品中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.3.5 重組α′-亞基的純化條件的篩選 重組α′-亞基的純化用AKTA蛋白純化系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。取1 mL的樣品溶液(上樣前用孔徑為0.45 μm的水溶性濾膜過(guò)濾)注入到已用PBS平衡好的His Trap HP預(yù)裝柱上。先用10倍柱體積的PBS對(duì)柱子進(jìn)行沖洗,利用PBS中含有的氯化鈉將未與Ni2+親和層析柱特異性結(jié)合的雜蛋白洗脫下來(lái),于280 nm下檢測(cè)并分部收集蛋白峰,直至達(dá)到基線。隨后用含500 mmol/L咪唑[15]的PBS對(duì)樣品進(jìn)行0%~100%的線性洗脫[16],并收集相應(yīng)蛋白峰。
期間通過(guò)調(diào)整平衡液的流速來(lái)對(duì)重組α′-亞基的純化條件進(jìn)行篩選,將不同條件下收集得到的蛋白峰經(jīng)考馬斯亮藍(lán)法確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,通過(guò)SDS-PAGE電泳、Quantity One軟件進(jìn)行分析鑒定[10]。
1.3.6 重組α′-亞基的脫鹽 根據(jù)所收集蛋白峰的SDS-PAGE電泳分析結(jié)果,將重組蛋白含量較為單一的洗脫液收集起來(lái),采用超濾離心管進(jìn)行超濾濃縮(4 ℃下3 500 g離心30 min)。利用PBS以及超純水來(lái)對(duì)目的蛋白進(jìn)行脫鹽(重復(fù)離心6~8次),最后留在濾膜內(nèi)的液體即為純化后的重組蛋白,將其收集并于-20 ℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>
利用等電點(diǎn)沉淀法得到的天然7S球蛋白電泳得到的SDS-PAGE電泳圖如圖1。
1.天然7S球蛋白 Natural 7S globulin;M.Marker
天然7S球蛋白3種亞基的分子質(zhì)量分別為:α′-(76 ku),α-(72 ku)和β-(52~54 ku),通過(guò)與Marker進(jìn)行對(duì)比,Lane 1泳道中97.2 ku與66.4 ku 之間產(chǎn)生的2個(gè)條帶分別是α′和α亞基;而66.4 ku與44.3 ku之間產(chǎn)生的條帶是β亞基。將提取得到的天然7S球蛋白凍干,-20 ℃ 保存?zhèn)溆谩?/p>
大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá)后,經(jīng)超聲破碎、離心得到的上清液中含有粗提的重組蛋白α′-亞基。利用SDS-PAGE電泳對(duì)其進(jìn)行定性分析,如圖2所示。
M.Marker; 1.天然7S Natural 7S; 2.大腸桿菌工程菌pET-28a-α′-BL21經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)后,超聲破碎、離心所得的上清液 Supernatant ofEscherichiacoliengineering bacteria pET-28a-α′-BL21 after induction culture, ultrasonic crushing and centrifugation
圖2重組α′-亞基的提取
Fig.2SDS-PAGEanalysisofrecombinantα′-subunit
Lane 2泳道中有一個(gè)條帶介于97.2 ku與66.4 ku(即α′和α亞基之間),為重組的α′-亞基,因其缺少N-連接的糖基,在分子質(zhì)量上與天然的α′亞基有一定差異。因?yàn)榇蟛糠值碾s蛋白以及少部分的目的蛋白存在于沉淀中,因此上清液中雜蛋白較少,電泳條帶不多,而目的蛋白的量也有所降低。采用Quantity One軟件對(duì)條帶進(jìn)行光密度分析,純度為37.2%。
利用牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示。
由圖3可以看出,所得蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的R2=0.994 7,因此,可以用來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)定量分析。
在重組α′-亞基的純化過(guò)程中,通過(guò)調(diào)整平衡液流速來(lái)篩選影響α′-亞基純化的條件。本試驗(yàn)設(shè)置平衡液流速分別為5 mL/min、1 mL/min、0.5 mL/min,洗脫液流速為1 mL/min,洗脫體積為100 mL。
得到的洗脫結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6所示。
由圖4~6可以看出,隨著平衡液流速的減緩,平衡液洗脫下來(lái)的蛋白峰漸緩,與此同時(shí)洗脫液洗脫下來(lái)的蛋白峰越來(lái)越小,說(shuō)明其中含有目的蛋白的量越來(lái)越少。洗脫液出峰時(shí)間是當(dāng)洗脫液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%左右時(shí)開始,持續(xù)時(shí)間為1~2 個(gè)柱體積。將收集的蛋白峰通過(guò)超濾離心管濃縮后進(jìn)行脫鹽,隨后得到的SDS-PAGE電泳圖如圖7所示。
圖3 牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Bovine serum protein standard curve
由電泳圖可以看出,當(dāng)平衡液流速為5 mL/min時(shí),洗脫液線性梯度洗脫下來(lái)的蛋白峰在SDS-PAGE電泳圖中,顯示出了單一條帶,通過(guò)與Marker進(jìn)行對(duì)比,得知單一條帶為的重組α′-亞基。而當(dāng)平衡液流速為1 mL/min以及0.5 mL/min時(shí)的電泳條帶均有雜蛋白出現(xiàn)。
采用Quantity one軟件對(duì)電泳條帶進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)平衡液流速為5 mL/min、1 mL/min、0.5 mL/min時(shí),洗脫液所得的蛋白峰中,目的蛋白的純度分別為89.1%、20.4%、10.9%。Lane 4(平衡液流速為5 mL/min)的峰值結(jié)果如圖8所示。
由峰值結(jié)果可以看出,Lane 4中目的蛋白的峰值最高,說(shuō)明其中目的蛋白的量最大。此外的一些雜峰一部分是雜蛋白造成的,另一部分則是由于電泳條帶背景值過(guò)高造成的。
綜合以上結(jié)果可知,當(dāng)平衡液流速為5 mL/min時(shí),采用線性洗脫所得目的蛋白的純度明顯最高。平衡液流速的增加會(huì)減少目的蛋白在平衡過(guò)程中的損失,從而增加了目的蛋白在洗脫蛋白峰中的比例,使其純度升高。而從純化過(guò)程中所得的蛋白峰來(lái)看,仍有一部分的目的蛋白存在于平衡液平衡柱子時(shí)所得的蛋白峰中。分析原因可能是重組蛋白在大腸桿菌中的高表達(dá)會(huì)形成不可溶、無(wú)生物活性的包涵體[17],而包涵體的形成是細(xì)胞內(nèi)表達(dá)最大的問(wèn)題[18],一部分的目的蛋白形成包涵體,無(wú)法與親和標(biāo)簽有效結(jié)合[19],從而導(dǎo)致其在平衡過(guò)程中被洗脫下來(lái),使目的蛋白有一定程度的損失。與此同時(shí),本研究中的目的蛋白的表達(dá)形式屬于細(xì)胞內(nèi)的可溶性表達(dá),在目的蛋白的提取過(guò)程中,由于細(xì)胞破碎,導(dǎo)致宿主蛋白、內(nèi)毒素等[20]同時(shí)被提取出來(lái),因此,待純化的樣品中除了目的蛋白,還存在一定的雜蛋白[21],會(huì)在后期純化過(guò)程中影響純化效果。
圖4 平衡液流速為5 mL/min的蛋白洗脫峰Fig.4 The elution peak of PBS flow rate of 5 mL/min
圖5 平衡液流速為1 mL/min的蛋白洗脫峰Fig.5 The elution peak of PBS flow rate of 1 mL/min
圖6 平衡液流速為0.5 mL/min的蛋白洗脫峰Fig.6 The elution peak of PBS flow rate of 0.5 mL/min
M.Marker; 1、5.陽(yáng)性工程菌株pET-28a-α′-BL21的空白對(duì)照Blank control of the positive engineering strain pET-28a-α′-BL21;2、6.純化后(平衡液流速為0.5 mL/min)樣品與待純化樣品Samples(purified liquid flow rate of 0.5 mL/min) and samples to be purified; 3、7.純化后(平衡液流速為1 mL/min)樣品與待純化樣品Sample(sample flow rate 1 mL/min) and the sample to be purified;4、8.純化后(平衡液流速為5 mL/min)樣品與待純化樣品Sample(sample flow rate 5 mL/min) and the sample to be purified
圖7重組α′-亞基純化電泳圖
Fig.7Electrophoresisofrecombinantα′-subunitpurificationresults
本研究利用陽(yáng)性工程菌pET-28a-α′-BL21經(jīng)誘導(dǎo)后得到目的蛋白α′-亞基,采用AKTA蛋白純化系統(tǒng)利用Ni2+親和層析柱通過(guò)調(diào)整平衡液流速,再用洗脫液梯度洗脫的方法將純化條件進(jìn)行優(yōu)化。
圖8 Lane 4的峰值背景結(jié)果Fig.8 Peak results of Lane 4
結(jié)果表明:當(dāng)用平衡液平衡Ni2+親和層析柱的過(guò)程中,不同的平衡液流速對(duì)洗脫峰中目的蛋白的含量以及質(zhì)量有顯著影響,當(dāng)平衡液流速為5 mL/min時(shí),可以減少平衡過(guò)程中目的蛋白的損失,提高目的蛋白的純化效果,最終目的蛋白的得率為26.7%,純度為89.1%,含量達(dá)到毫克級(jí)別,可用于之后的性質(zhì)分析。因此,可以采用流速為5 mL/min 的平衡液平衡Ni2+柱,之后再用線性梯度洗脫的方法來(lái)得到較高純度的目的蛋白。
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IsolationandPurificationofRecombinantα′-Subunitof7SGlobulin
YU Shaojing1,XU Yanyan2, YUAN Yanqiu1, ZHOU Xingjie1, JI Mengying1and LUAN Guangzhong1
(1.College of Food Science & Engineering, Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China;2.Kaifeng Food and Drug Detection Center,Kaifeng Henan 475000,China)
To isolate and purify the recombinant β-conglycinin α′-subunit, recombinant α′ subunit was well expressed by anE.coliengineering bacteria pET-28a-α′-BL21 with the inducing of isopropyl thiogalactoside(IPTG). After ultrasonic crushing and centrifugation, the recombinant protein was further purified by the Ni2+affinity chromatography column through AKTA protein purification system. The results showed that the purity of target protein reached to 89.1% when the Ni2+column was equilibrated with balance buffer at the flow rate of 5 mL/min.
β-conglycinin; α′-Subunit; Recombinant protein; Isolation; Purification
2017-05-12
2017-09-19
Sino-Japanese Cooperation Projects Value Promotion of Products from Minor Crops in the Undeveloped Areas of China(No.K332021107); Northwest A&F University International Cooperation Fund Project(No.X2015030).
YU Shaojing, female, master student. Research area:soybean processing technology.E-mail: 1150778345@qq.com
LUAN Guangzhong, male, associate professor.Research area:soybeans,grain and oil processing technology.E-mail: qlgz@nwsuaf.edu.cn
成敏ResponsibleeditorCHENGMin)
日期:2017-12-21
網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171221.1651.030.html
2017-05-12
2017-09-19
中日合作項(xiàng)目(K332021107);西北農(nóng)林科技大學(xué)國(guó)際合作基金項(xiàng)目(X2015030)。
余少璟,女,碩士研究生,研究方向?yàn)榇蠖股罴庸ぜ夹g(shù)。E-mail:1150778345@qq.com
欒廣忠,男,副教授,研究方向?yàn)榇蠖辜凹Z油深加工技術(shù)。E-mail:qlgz@nwsuaf.edu.cn
TS201
A
1004-1389(2017)12-1853-07