GH46家族殼聚糖酶酸堿耐受性的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的鑒定

程伊夢(mèng) ，孫慧慧，劉 淇，趙 玲，曹 榮

1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071

2. 中國(guó)海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003

殼聚糖是由甲殼素經(jīng)過(guò)部分脫乙酰作用得到的具有獨(dú)特功能特性的天然陽(yáng)離子聚合物，由D-氨基葡萄糖通過(guò)β-1,4糖苷鍵連接而成[1]。作為自然界中唯一的堿性陽(yáng)離子多糖，殼聚糖具有很好的吸附性和黏性，可以應(yīng)用于食品、材料等領(lǐng)域，但由于其相對(duì)分子量較大，不易溶于水，只能溶于某些酸性溶液中，限制了殼聚糖的有效利用[2]。殼寡糖是殼聚糖進(jìn)一步水解產(chǎn)生的聚合度介于2～20的低分子氨基寡糖[3]，由于其鏈長(zhǎng)較短和游離的氨基而易溶于水。殼寡糖具有多種生物活性，如抗氧化[4-5]、抗腫瘤[6-7]和抗菌[8-9]等，廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[4,10-12]。殼寡糖可通過(guò)化學(xué)法、物理法和酶法制備獲得[13]。與高污染的化學(xué)法和高成本的物理法相比，通過(guò)酶法制備殼寡糖對(duì)環(huán)境友好、產(chǎn)率高且產(chǎn)物聚合度可控，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[14]。

殼聚糖酶 (EC 3.2.1.132) 是一類特異性水解殼聚糖中的β-1,4糖苷鍵，形成不同聚合度殼寡糖的水解酶，廣泛分布于細(xì)菌、真菌、病毒以及植物等生物群中，在降解殼聚糖、制備殼寡糖中發(fā)揮著重要作用[15-20]。酶制劑是工業(yè)生物技術(shù)快速發(fā)展的基石，設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的酶制劑是工業(yè)生物技術(shù)時(shí)代需要攻克的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[21]。但目前開(kāi)發(fā)的殼聚糖酶常常具有穩(wěn)定性差、效率低、成本高等缺陷，僅依靠天然酶分子勢(shì)必?zé)o法滿足工業(yè)發(fā)展的迫切需求；此外工業(yè)生產(chǎn)中的高溫、偏酸等環(huán)境對(duì)殼聚糖酶的穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。因此通過(guò)鑒定并改造影響殼聚糖酶穩(wěn)定性的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，獲得高效穩(wěn)定的新型殼聚糖酶對(duì)我國(guó)殼寡糖工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的升級(jí)具有重要意義。

根據(jù)蛋白質(zhì)中氨基酸序列的相似性，將不同物種來(lái)源的殼聚糖酶分成不同的蛋白質(zhì)家族。目前發(fā)現(xiàn)的殼聚糖酶歸屬于6個(gè)糖苷水解酶 (Glycoside hydrolase, GH) 家族，包括 GH5、GH7、GH8、GH46、GH75和GH80[16]。其中GH46家族的殼聚糖酶受到的關(guān)注最多，已有大量殼聚糖酶在真核或原核系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)重組表達(dá)，對(duì)該家族中殼聚糖酶的基本性質(zhì)、催化特點(diǎn)及酶解產(chǎn)物分析的研究均有所涉及[2,17-20,22-24]。目前已報(bào)道的大多數(shù)GH46家族的殼聚糖酶，其最適溫度為30～50 ℃，最適pH為5～7[16]。也有少數(shù)具有良好的熱穩(wěn)定性或酸堿耐受性等特殊性質(zhì)，如來(lái)自芽孢桿菌 (Bacillus sp.)CK4的殼聚糖酶在80 ℃的半衰期為90 min[25]；來(lái)自芽孢桿菌DAU101的殼聚糖酶其最適pH為7.5[26]，說(shuō)明這些酶中可能存在某些特殊的氨基酸位點(diǎn)使其與大多數(shù)已報(bào)道的殼聚糖酶不同。本研究選取了來(lái)自芽孢桿菌DAU101的殼聚糖酶為模板，以實(shí)驗(yàn)室已報(bào)道的來(lái)源于芽孢桿菌MD-5的殼聚糖酶Csn-BAC[2]為研究對(duì)象，綜合同源建模和序列比對(duì)的方法，選取了可能影響該家族殼聚糖酶酸堿耐受性的氨基酸位點(diǎn)進(jìn)行鑒定，以期為該家族殼聚糖酶穩(wěn)定性的改造提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌株和質(zhì)粒

感受態(tài)細(xì)胞大腸桿菌Escherichia coli BL21 (DE3)[天根生化科技 (北京) 有限 公司]；質(zhì)粒pET-28a(+) 由本實(shí)驗(yàn)室保藏。

1.1.2 主要試劑

引物合成 (青島派森諾基因生物技術(shù)有限公司)；PCR產(chǎn)物純化及質(zhì)粒提取試劑盒 [天根生化科技 (北京) 有限公司]；卡那霉素 (Kanamycin,Kan)、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷 (Isopropyl-beta-D-thiogalactopyranoside, IPTG) (Solarbio公司)；標(biāo)準(zhǔn)分子量蛋白Marker、DNA聚合酶KOD-Plus-Neo [東洋紡 (上海) 生物科技有限公司]；T4 DNA連接酶、限制性內(nèi)切酶BamH?、HindIII、DpnI(ThermoFisher Scientific公司)；殼聚糖 [脫乙酰度(Degree of deacetylation, DDA), 95%, Macklin公司]；殼寡糖標(biāo)準(zhǔn)品 (聚合度1～6，青島博智匯力生物科技有限公司)。

1.1.3 培養(yǎng)基

Luria-Bertani (LB) 培養(yǎng)基：蛋白胨 10 g·L-1、酵母提取物 5 g·L-1、氯化鈉 (NaCl) 10 g·L-1、瓊脂粉 15 g·L-1(固體培養(yǎng)基時(shí)加入)，121 ℃ 滅菌 20 min。

1.1.4 儀器與設(shè)備

低溫高速離心機(jī)、PCR儀 (Eppendorf公司)；DYY-6C型電泳儀 (北京市六一儀器廠)；JY92-IIN超聲波細(xì)胞破碎儀 (寧波新芝生物科技公司)；恒溫培養(yǎng)箱 (上海喆圖科學(xué)儀器公司)；Haier生物冰箱 (青島海爾)；DW-86L386立式超低溫保存箱(青島海爾特種電器)。

1.2 序列分析

從美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心 (National Center for Biotechnology Information，NCBI，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) 下載殼聚糖酶Csn-BAC (Gen-Bank: CP021911.1) 的序列，同時(shí)下載GH46家族中已詳細(xì)報(bào)道酶學(xué)性質(zhì)的殼聚糖酶序列，其中包括來(lái)源于芽孢桿菌DAU101的殼聚糖酶 (GenBank:ABC66094) 序列，然后使用Clustal X算法對(duì)Csn-BAC及所選序列進(jìn)行多序列比對(duì)[27]。并選擇蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù) (Protein Data Bank, PDB) 中同源性較高的殼聚糖酶為模板，在SWISS-MODEL (https://www.swissmodel.expasy.org/) 在線網(wǎng)址上進(jìn)行同源建模，并將輸出的模型在PyMOL軟件上進(jìn)行分析。

1.3 定點(diǎn)突變

Csn-BAC作為野生型酶[2]，使用基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (Polymerase Chain Reaction, PCR)的方法進(jìn)行定點(diǎn)突變。用于突變的引物序列見(jiàn)表1。經(jīng)限制性內(nèi)切酶DpnI酶切后，轉(zhuǎn)化至大腸桿菌BL21(DE3) 感受態(tài)細(xì)胞中，利用LB-Kan平板進(jìn)行篩選，挑取轉(zhuǎn)化子進(jìn)行測(cè)序以驗(yàn)證突變情況。

表1 定點(diǎn)突變引物Table 1 Primers for directed evolution

1.4 蛋白表達(dá)及純化

將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至大腸桿菌BL21 (DE3) 感受態(tài)細(xì)胞后，接種至添加了 Kan (50 μg·mL-1) 的LB培養(yǎng)基中，于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至光密度 (OD600) 為0.6～0.8，用 IPTG (0.1 mmol·L-1) 進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)，并于30 ℃繼續(xù)培養(yǎng)15 h。將所得菌液超聲破碎后，使用ProteinIso?Ni-NTA Resin色譜柱 (北京全式金生物技術(shù)有限公司) 純化His標(biāo)簽標(biāo)記的蛋白，并以 NPI-200緩沖液 [200 mmol·L-1咪唑、50 mmol·L-1磷酸二氫鈉 (NaH2PO4)、300 mmol·L-1NaCl，pH 8] 洗脫目標(biāo)蛋白，然后在4 ℃下用10 kD截止膜超濾除鹽，得到的蛋白質(zhì)用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳 (SDS-PAGE) 進(jìn)行分析。蛋白質(zhì)濃度用Bradford法測(cè)定[28]。

1.5 活性測(cè)定

以膠體殼聚糖 (10 g·L-1, 95% DDA) 為底物，加適量的酶液和磷酸鹽緩沖液 (pH 7)，在37 ℃下反應(yīng)10 min，于100 ℃水浴10 min終止反應(yīng)后，用改良的3,5-二硝基水楊酸試劑法 (DNS)[17]測(cè)定還原糖的量，并于520 nm處測(cè)定吸光值。1個(gè)單位的酶活 (U) 定義為每分鐘每生成1 μmol的還原糖所需要的酶量。

1.6 酶學(xué)性質(zhì)分析

1.6.1 最適溫度和 pH

利用pH 7的磷酸鹽緩沖溶液，將所得突變體分別在30～70 ℃進(jìn)行酶促反應(yīng)，確定酶的最適反應(yīng)溫度。將膠體殼聚糖置于不同pH (3～10) 的緩沖液中，所用緩沖體系分別為：檸檬酸鹽緩沖溶液 (pH 3～6)、磷酸鹽緩沖溶液 (pH 6～8)、Tri-HCl緩沖溶液 (pH 8～9) 和甘氨酸緩沖溶液 (pH 9～10)，在最適溫度下測(cè)定突變體酶活，確定pH對(duì)其酶活的影響。

1.6.2 溫度和 pH 穩(wěn)定性

利用pH 7的磷酸鹽緩沖溶液，分別在30～70 ℃孵育1 h后，在最適反應(yīng)溫度下測(cè)定突變體酶活，確定溫度對(duì)其穩(wěn)定性的影響。將膠體殼聚糖置于不同pH (3～10) 的緩沖液中，所用緩沖體系同1.6.1，于室溫孵育1 h后，在最適溫度下測(cè)定突變體酶活，確定pH對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

1.7 動(dòng)力學(xué)分析

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，用純化的酶 (100 μL) 和不同濃度的殼聚糖 (500 μL) 在37 ℃下反應(yīng)5 min，然后加入375 μL DNS溶液終止反應(yīng)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。使用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法在底物質(zhì)量濃度介于1～10 mg·mL-1內(nèi)測(cè)定了包括米氏常數(shù)(Km)、催化常數(shù) (Kcat) 和催化效率(Kcat/Km) 在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Csn-BAC突變位點(diǎn)的選擇

由于殼聚糖酶Csn-BAC的蛋白結(jié)構(gòu)尚未解析，因此采用同源建模的方法預(yù)測(cè)其蛋白結(jié)構(gòu)?；谛蛄斜葘?duì)的結(jié)果，選取了來(lái)源于枯草芽孢桿菌(B. subtilis) MY002的殼聚糖酶CsnMY002 ( PDB ID:7C6C)[29]為模板 (與Csn-BAC的序列相似性為96.28%)，利用SWISS-MODEL在線網(wǎng)址 (https://swissmodel.expasy.org/) 對(duì)Csn-BAC進(jìn)行同源建模，并在PyMOL軟件上進(jìn)行可視化分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。將從NCBI下載的殼聚糖酶序列與Csn-BAC的序列進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)圖1-c。結(jié)合模擬的結(jié)構(gòu)與序列比對(duì)，最終選取了4個(gè)點(diǎn) (其中P68和H234靠近底物結(jié)合口袋，A137和A203則遠(yuǎn)離結(jié)合口袋，位于表面)，并按照來(lái)自芽孢桿菌DAU101殼聚糖酶的序列進(jìn)行了定點(diǎn)突變 [V1 (P68A)、V2 (A137G)、V3(A203M)和 V4 (H234E)]。

圖1 Csn-BAC生物信息學(xué)分析Fig. 1 Bioinformatics analysis of Csn-BAC

2.2 突變體表達(dá)及純化

對(duì)突變體進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)，菌液離心后取上清液為粗酶液。將粗酶液利用鎳離子親和層析進(jìn)行純化，在NPI-200溶液中將目標(biāo)產(chǎn)物洗脫下來(lái)，并進(jìn)行SDS-PAGE分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。在35 kD附近有與野生型Csn-BAC大小相符的單一蛋白條帶，證明突變體成功表達(dá)，經(jīng)超濾濃縮后，可進(jìn)行后續(xù)分析和研究。

圖2 Csn-BAC突變體的SDS-PAGE分析Fig. 2 SDS-PAGE analysis of Csn-BAC variants

2.3 突變體酶活測(cè)定

突變體比酶活測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。在37 ℃、pH 7條件下，Csn-BAC及其突變體V1、V2、V3和V4的比酶活分別為258.32、241.08、270.44、291.22和291.65 U·mg-1。各突變體的水解活性與野生型Csn-BAC相比無(wú)較大差異。其中突變體V3、V4的活性為Csn-BAC的113%左右。突變體的比酶活高于來(lái)自曲霉 (Aspergillus sp.) W-2菌株的殼聚糖酶CsnW2 (34 U·mg-1)[30]、樹(shù)狀擬芽孢桿菌(Paenibacillus dendritiformis) 的殼聚糖酶Csn-PD(76.4 U·mg-1)[16]和丁核弧菌 (Butyribrio sp.) MC2013的殼聚糖酶BUT (146 U·mg-1)[31]，與根際細(xì)菌(Gynuella sunshinyii) 中的殼聚糖酶GsCsn46A相似 (260.39 U·mg-1)[32]，低于枯草芽孢桿菌 (B. subtilis) CH2菌株在畢赤酵母系統(tǒng)中表達(dá)的殼聚糖酶(338.08 U·mg-1)[33]、腎桿菌屬 (Renibacterium sp.)QD1殼聚糖酶Csn-A (1 575 U·mg-1)[34]和解淀粉芽孢桿菌 (B. amyloliquefaciens) ECU08的殼聚糖酶BaCsn46A (1 031.2 U·mg-1)[35]。

圖3 Csn-BAC突變體酶活分析Fig. 3 Enzyme specific activity analysis of Csn-BAC variants

2.4 突變體酶學(xué)性質(zhì)

2.4.1 最適溫度

突變體的最適溫度見(jiàn)圖4-a。突變體V1和V2的最適溫度與Csn-BAC相同，均在40 ℃時(shí)表現(xiàn)出最大活性，而V3、V4則升高至50 ℃。此外，Csn-BAC在70 ℃時(shí)已失活，而突變體在70 ℃時(shí)相對(duì)酶活仍有初始酶活的20%左右。與微生物的生長(zhǎng)相適應(yīng)，大多數(shù)殼聚糖酶都是嗜溫酶，其最適溫度通常介于30～60 ℃。但仍有部分殼聚糖酶是冷適應(yīng)性酶，如來(lái)自魚(yú)腥藻 (Anabaena fertilissima)RPAN1菌株的殼聚糖酶最適反應(yīng)溫度為27 ℃[36]。

圖4 Csn-BAC突變體酶學(xué)性質(zhì)分析Fig. 4 Enzymatic property of Csn-BAC variants

2.4.2 溫度穩(wěn)定性

突變體的溫度穩(wěn)定性見(jiàn)圖4-b。Csn-BAC在50 ℃孵育1 h后，其相對(duì)酶活保持在87.53%，突變體V1—V4則分別為58.74%、60.73%、58.16%和52.08%。相較于Csn-BAC，突變體整體而言對(duì)熱更為敏感。但在較高溫度下，如70 ℃時(shí)，V3和V4的熱穩(wěn)定性稍有提升。本結(jié)果表明，203和234兩個(gè)位點(diǎn)突變后可能對(duì)其在較高溫度下保持穩(wěn)定性有益。耐高溫的酶在工業(yè)生產(chǎn)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但除極端環(huán)境微生物和部分真菌來(lái)源的殼聚糖酶較為耐熱外[29,37]，多數(shù)野生型GH46家族是熱敏性的殼聚糖酶。Zhou等[38]研究發(fā)現(xiàn)來(lái)源于海洋細(xì)菌假交替單胞菌屬 (Pseudoalteromonas sp.) 的殼聚糖酶CsnM在30 ℃孵育1 h后，殘余酶活僅為25.4%；Ma等[39]發(fā)現(xiàn)源自海洋芽孢桿菌屬的殼聚糖酶CsnQ同樣在30 ℃之后穩(wěn)定性急劇下降。

2.4.3 最適 pH

突變體的最適pH見(jiàn)圖4-c—圖4-f。突變體V1和V2的最適pH與Csn-BAC相同，均在pH 7的磷酸鹽緩沖溶液中表現(xiàn)出最大活性，而V3、V4則更適應(yīng)pH 9的甘氨酸緩沖溶液。與許多殼聚糖酶相同，弱酸性溶液對(duì)Csn-BAC及其突變體活力均有抑制作用[17,20,40]。目前已報(bào)道的所有家族的殼聚糖酶其最適pH介于4～8[41]，且多數(shù)殼聚糖酶在偏酸性條件下表現(xiàn)出最優(yōu)的水解活性，最適pH為9的酶很少見(jiàn)。Gupta等[36]報(bào)道了來(lái)自魚(yú)腥藻RPAN1菌株的殼聚糖酶在pH 7.5時(shí)顯示出最大活性；Guo等[20]研究了來(lái)自白色鏈霉菌 (Streptomyces albolongus) ATCC27414的殼聚糖酶Csn21c，其最適反應(yīng)pH為8；Liang等[42]則報(bào)道過(guò)殼聚糖酶CS038分別在pH 6和10時(shí)顯示出最大活性。此外，突變體V1在pH 5的相對(duì)活性由Csn-BAC的約20%提至約50%，結(jié)合殼聚糖溶液的弱酸性特質(zhì)，這可能有助于該酶在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。

2.4.4 pH 穩(wěn)定性

突變體的pH穩(wěn)定性見(jiàn)圖4-g—圖4-j。突變體V1、V2對(duì)pH的變化較為敏感，在Tris-HCl緩沖液中，突變體V1、V2在pH 8孵育1 h后仍可保持83%以上的活性，在pH 9時(shí)卻僅剩余5%～10%，這些突變體對(duì)不同pH的同一緩沖液的活性差異與Csn-BAC類似[2]。而V3和V4在pH 6～10孵育1 h后仍能保持60%以上的相對(duì)酶活，其pH穩(wěn)定性優(yōu)于野生型Csn-BAC (Csn-BAC在pH 9～10時(shí)失活)。與之相似的是殼聚糖酶Csn21c[20]，其同樣在pH 6～10較為穩(wěn)定 (殘余酶活＞60%)；馬帥等[43]報(bào)道的殼聚糖酶BsCsn46在pH 4.5～10的緩沖液中孵育30 min后仍能保持90%以上殘余酶活；此外，另外一個(gè)來(lái)自曲霉TCCC45017的殼聚糖酶在pH 8孵育1 h后，殘余酶活仍能保持70%[44]。

2.5 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

突變體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。Csn-BAC和突變體V3的Km分別為7.25和7.27 mg·mL-1，與殼聚糖酶Csn21c (7.43 mg·mL-1)[20]相似。而突變體V1、V2、V4的Km分別為 3.68、3.13和 3.16 mg·mL-1，與殼聚糖酶 CvCsn46 (3.06 mg·mL-1) 較為接近[45]，與Csn-BAC相比下降明顯，表明酶與底物的親和力增強(qiáng)，其中突變體V2和V4的Kcat/Km約為Csn-BAC的1.7倍左右，催化效率有所增加。

表2 Csn-BAC及其突變體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Reaction kinetic parameters of chitosanase Csn-BAC and its mutants

3 結(jié)論

本研究選取了GH46家族中來(lái)源于芽孢桿菌的殼聚糖酶Csn-BAC為研究對(duì)象，以來(lái)自芽孢桿菌DAU101的殼聚糖酶為模板，根據(jù)同源建模和序列比對(duì)的結(jié)果，篩選了4個(gè)可能影響其酸堿耐受性的位點(diǎn)進(jìn)行鑒定，其中P68和H234兩個(gè)位點(diǎn)靠近底物結(jié)合口袋，而另外兩個(gè)位點(diǎn)則位于蛋白表面。結(jié)果顯示，所得的突變體中其熱穩(wěn)定性均出現(xiàn)了不同程度的降低，但203和234兩個(gè)位點(diǎn)突變后對(duì)其在較高溫度下保持穩(wěn)定性有益；而突變體的酸堿耐受性有了明顯提升，突變體V3和V4的最適pH由最初的7升至9，且在pH 6～10時(shí)表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。因此，本研究鑒定了4個(gè)影響GH46家族殼聚糖酶酸堿耐受性的關(guān)鍵氨基酸，其可能分布在蛋白空間結(jié)構(gòu)的結(jié)合口袋附近或表面，同時(shí)獲得了2個(gè)酸堿耐受性明顯提高的突變體，且本研究驗(yàn)證了該策略在鑒定并改造影響殼聚糖酶穩(wěn)定性的關(guān)鍵氨基酸方面是一種有效的方法。