钝齿棒杆菌的代谢改造：L-鸟氨酸与L-瓜氨酸合成菌株的构建

【目的】对一株产L-精氨酸的钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)SYPA5-5进行代谢工程改造,构建L-鸟氨酸和L-瓜氨酸合成菌株,并考察其发酵生产相应氨基酸的性能。【方法】分别敲除菌株SYPA5-5鸟氨酸氨甲酰转移酶(Ornithine carbamoyltransferase,OTC)的编码基因argF和精胺琥珀酸合成酶(Argininosuccinate synthase,ASS)的编码基因argG,构建能够合成L-鸟氨酸及L-瓜氨酸的重组菌株SYPA5-5△argF和SYPA5-5△argG;考察不同营养条件对上述重组菌株生长和相应氨基酸积累的影响。【结果】添加0.3 g/L L-精氨酸可满足SYPA5-5△argF的生长及L-鸟氨酸积累所需,L-鸟氨酸产量可达21.5 g/L;添加L-精氨酸有利于SYPA5-5△argG的生长,但不利于L-瓜氨酸的积累;不添加L-精氨酸时,L-瓜氨酸产量可达15.2 g/L,同时积累6.8 g/L的L-谷氨酸。【结论】分别敲除L-精氨酸生产菌株SYPA5-5的argF及argG基因,可实现L-精氨酸合成途径的中间代谢物L-瓜氨酸和L-鸟氨酸的积累,拓展了该菌株的工业应用范围。     

原核细胞精氨酸生物合成途径的研究进展

原核生物的精氨酸生物合成包含8个酶系,起始于乙酰谷氨酸激酶催化的谷氨酸的乙酰化。到第五步乙酰基团脱离,乙酰谷氨酸通过3个酶的作用,进一步合成乙酰化中间产物。鸟氨酸被氨甲酰基化生成瓜氨酸,天冬氨酸介入后形成精氨琥珀酸,最后形成终产物精氨酸。主要就精氨酸生物合成途径、合成过程中主要酶系及反馈抑制蛋白的作用机制进行了概述。此外,提出了目前精氨酸代谢研究中存在的问题及未来的研究方向。     

钝齿棒杆菌N-乙酰鸟氨酸转氨酶的克隆表达分析及其重组菌的精氨酸发酵

N-乙酰鸟氨酸转氨酶 (EC 2.6.1.11,ACOAT) 是钝齿棒杆菌Corynebacterium crenatum精氨酸合成途径中的第4个酶,催化底物N-乙酰谷氨酸半醛生成产物N-乙酰鸟氨酸。为研究N-乙酰鸟氨酸转氨酶在钝齿棒杆菌中精氨酸合成中的作用,考察其酶学性质,对培养基成分和发酵过程工艺条件的优化提高精氨酸产量提供依据。从精氨酸高产菌株钝齿棒杆菌SYPA 5-5染色体扩增获得ACOAT编码基因argD,全长1 176 bp,编码390个氨基酸,在Escherichia coli BL21(D     

内源性代谢分子——精氨酸/一氧化氮调节机体生理功能北大核心CSCD

精氨酸是人体中功能最多的氨基酸,作为多种内源性代谢产物如多胺、鸟氨酸、一氧化氮(nitric oxide,NO)等的前体物质,它在人体正常稳态的调节中中具有重要的生理功能。其中NO通过其特殊的理化性质及代谢过程在人体各个系统中担当着要角色。NO自被发现以来一直活跃在生命科学的前沿领域。但直到目前,NO的生理及病理作用仍然有许多问题有待更加深入地研究。本文对精氨酸/NO代谢途径及其中间代谢产物对机体正常生理功能、自稳态调节做一个简要的综述。     

钉螺氮代谢产物的研究

日本血吸虫中间宿主钉螺在30℃时排出尿素和氨量分别为9.88±1.87及6.24±2.66μmol/g/24h比在15℃时排出的6.51±1.24及2.68土0.31μmol/g/24h的多;饥饿钉螺徘出尿素和氨的量比饱食钉螺多。7×10~(-5)mol/L溴乙酰胺使钉螺排出尿素和氨的量减少,钉螺在无光条件下尿素排出量增加。钉螺具有合成尿素的鸟氨酸氨甲酰转移酶、精氨酸酶及精氨酸代琥珀酸合成酶与裂解酶。钉螺排出尿素多于排出的氨应属于排尿素的动物。     

精氨酸代谢途径抗酸关键基因对乳酸乳球菌Lactococcus lactis NZ9000胁迫抗性的影响

【目的】寻找精氨酸代谢途径中与酸胁迫相关的关键作用因素。【方法】通过在Lactococcus lactis NZ9000中分别过量表达来源于Lactobacillus casei Zhang的精氨酰琥珀酸合成酶(ASS)和精氨酰琥珀酸裂解酶(ASL)改变精氨酸代谢提高酸胁迫抗性。【结果】与对照菌株对比,重组菌株在环境胁迫下表现了较高的生长性能、存活率和发酵性能。生理学分析发现,酸胁迫环境下,重组菌株细胞有较高的胞内NH4+、ATP含量和H+-ATPase活性,并显著提高了精氨酸脱亚胺酶(ADI)途径中的氨基酸浓度。进一步的转录分析发现,天冬氨酸合成、精氨酸代谢相关的基因转录水平上调。【结论】在L.lactis NZ9000中过量表达ASS或ASL可以引发精氨酸代谢流量的上调,进而提高了细胞的多种胁迫抗性。精氨酸合成途径广泛存在于多种微生物中,为微生物,尤其是工业微生物提高胁迫抗性提供了新思路。     

钝齿棒杆菌GlnK在氮代谢调控及L-精氨酸合成中的功能

【目的】钝齿棒杆菌是重要的氨基酸生产菌株,本研究针对氮代谢PⅡ信号转导蛋白GlnK展开相关功能研究,分析其在钝齿棒杆菌氮代谢调控及L-精氨酸合成中的作用。【方法】以GlnK蛋白为研究对象,通过基因敲除等遗传方法获得过表达、敲除及敲弱glnK的重组钝齿棒杆菌,研究GlnK对NH_4~+吸收的影响,通过RT-qPCR和酶活测定,从转录水平和蛋白水平上揭示GlnK对氮代谢和L-精氨酸合成相关基因表达水平及酶活的影响,通过5-L发酵罐发酵产L-精氨酸研究GlnK对L-精氨酸合成的影响。【结果】过表达glnK能明显促进NH_4~+的吸收,而敲除glnK后则会抑制NH_4~+的摄取;RT-qPCR和酶活测定发现,相比于野生型菌株Cc5-5,glnK过表达菌株Cc-glnK中与铵吸收相关的基因,表达量平均上调约4.58倍,L-精氨酸合成基因簇中基因的表达水平平均上调1.50倍。Cc-glnK中氮代谢相关蛋白的酶活平均提高46.97%;L-精氨酸合成途径上7个关键酶的酶活平均提高30.00%;5-L发酵罐发酵各重组菌株结果表明,Cc-glnK菌株的产量可达49.53 g/L,产率为0.516 g/(L·h),相比于出发菌株Cc5-5,其L-精氨酸产量提高了28.65%。【结论】过表达GlnK能促进NH_4~+的吸收及利用,并通过影响L-精氨酸合成途径上关键基因的表达水平,提高关键酶的酶活,最终提高L-精氨酸的产量。本研究为后续探索钝齿棒杆菌氮代谢调控机制及代谢工程改造钝齿棒杆菌生产L-精氨酸提供了一种新的策略。     

arg-13可能参与鸟氨酸在粗糙脉孢霉线粒体的过膜转运(英文)

arg-13为精氨酸代谢途径里的一个渗露型突变。经研究发展了该突变的严格选择方法。该法省略了基本培养基的氮源而加上相似浓度的鸟氨酸与赖氨酸。此法在严紧山梨糖/葡萄糖条件下能强烈抑制arg-13突变株生长,但在斑点试验条件下允许arg-13突变株生长。由于鸟氨酸是通过线粒体合成和由细胞质至线粒体的过膜转运而积累,我们构建了arg-4,arg-13双突变株,其中arg-4阻断了线粒体鸟氨酸合成。在斑点试验条件下,arg-4,arg-13双突变株能利用鸟氨酸作为唯一氮源与精氨酸合成前体,但受赖氨酸与刀豆氨酸强烈抑制。具正常鸟氨酸转运功能的arg-4单突变株在鸟氨酸基本培养基的生长只受微弱的赖氨酸抑制。已有报道arg-13为嘧啶合成代谢途径里pyr-3(CPSACT~ )突变的部分抑制基因,序列分析表明arg-13编码一线粒体转运酶。本文数据提示arg-13在线粒体鸟氨酸过膜转运过程中起主要作用。arg-13突变株仍携带一定的线粒体鸟氨酸转运功能并受碱性氨基酸赖氨酸、刀豆氨酸抑制,可能为另一线粒体碱性氨基酸转运酶介导。     

代谢相关酶过表达对CHO细胞瞬时表达anti-hLAG3的影响

为提高CHO细胞重组蛋白表达量,对比研究了过表达代谢相关酶丙酮酸羧化酶(PYC2)、苹果酸酶Ⅱ(MDH2)、丙氨酸转氨酶1(ALT1)、鸟氨酸转氨甲酰酶(OTC)、氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ(CPS Ⅰ)和代谢相关蛋白牛磺酸转运蛋白(TAUT)及透明颤菌血红蛋白(VHb)对ExpiCHO-S瞬时表达anti-hLAG3的影响...     

葡萄酒苹果酸-乳酸菌精氨酸代谢研究概况

葡萄酒苹果酸-乳酸菌的精氨酸代谢会导致葡萄酒中氨基甲酸乙酯含量的增加,从而严重影响葡萄酒的饮用安全性。近年来研究表明,葡萄酒苹果酸-乳酸菌的精氨酸代谢途径是精氨酸脱亚氨基酶途径(Arginine deiminasepathway,简称ADI途径)。系统分析苹果酸-乳酸菌的ADI途径、精氨酸转运机制、ADI途径酶的调节等方面的研究进展,阐明葡萄酒苹果酸-乳酸菌的精氨酸代谢对酿造优质葡萄酒具有重要的理论和实际意义。     

链霉素生物合成中胍基来源的证明

在鏈霉菌的发酵中,加入精氨酸、鳥氨酸和瓜氨酸,有促进鏈霉素合成的作用。应用同位素C~(14)O_2做試驗,証明鏈霉菌細胞能固定C~(14)O_2于鏈霉胍胍基的碳原子上,鳥氨酸促进C~(14)O_2的参入,但精氨酸却呈冲淡C~(14)O_2参入的作用。鏈霉菌細胞悬液与鳥氨酸和C~(14)O_2保温,产生C~(14)-精氨酸。C~(14)-精氨酸經精氨酸酶作用,分解为鳥氨酸,后者沒有放射性活力,說明仅精氨酸的胍基的碳原子是标記的。鏈霉菌細胞抽出液中有鳥氨酸轉氨基甲酰酶的存在,但沒有测得精氨酸合成酶的活力。在鏈霉菌的細胞丙酮干粉中測得轉脒酶的活力,但不能以鏈霉胍或鏈霉胺作为酶的底物。作者們认为鏈霉菌細胞有鳥氨酸代謝循环系統的存在。鳥氨酸,CO_2和NH_3合成瓜氨酸,再由瓜氨酸轉变为精氨酸,后者經轉脒酶的作用,复轉变为鳥氨酸,这个循环的作用不断地供給了链霉素鏈霉胍部分的胍基的来源。     

过量表达钝齿棒杆菌柠檬酸合酶编码基因prpC2对L-精氨酸合成的影响

钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)SYPA5-5是诱变选育的一株高产精氨酸菌株。柠檬酸合酶作为TCA途径的关键酶,对细胞胞内氨基酸代谢流调节有重要作用。在钝齿棒杆菌SYPA5-5中过量表达同源的柠檬酸合酶(citrate synthase)基因prp C2,研究其对精氨酸及副产物合成的影响。重组菌C.crenatum SYPA5-5/p DXW-10-prp C2胞内柠檬酸合酶比酶活提高了5.37倍,使L-精氨酸产量在5L发酵罐中达到44.7g/L,与对照相比提高了23.1%。同时,有机酸测定分析TCA循环的精氨酸前体柠檬酸及异柠檬酸的量有所提高,且赖氨酸合成前体草酰乙酸量减少,氨基酸测定分析L-精氨酸发酵中最主要的副产物L-赖氨酸浓度由原来的5.96g/L降到1.21g/L,降低了80%。     

检测瓜氨酸和非对称二甲基精氨酸的化学发光方法

非对称二甲基精氨酸（ADMA）是内源性一氧化氮合酶抑制剂,被公认是一种与心血管疾病、糖尿病、性功能障碍和肾功能衰竭等多种疾病密切相关的危险因子. 本文通过化学发光法检测瓜氨酸或ADMA经鸟氨酸氨基甲酰转移酶（ArcB）和氨基甲酰磷酸激酶（ArcC）偶联生成的ATP,并对该方法检测的灵敏度和动态范围进行了初步评价.1）从绿脓杆菌中克隆了鸟氨酸氨基甲酰转移酶和氨基甲酰磷酸激酶,转化大肠杆菌实现高效可溶性表达,用镍柱亲和纯化得到融合蛋白,TLC薄层层析法定性和测氨法定量验证了融合蛋白活性.2）用化学发光法检测了瓜氨酸或ADMA经相应酶偶联反应后的产物ATP,并且对实验进行了优化,结果表明两者都能在偶联酶作用下催化释放ATP,相应的底物浓度检测下限为01 μmol/L,检测结果接近正常生理血清中ADMA的浓度,且远低于正常生理血清中瓜氨酸浓度. 用正常尿液样品检测结果表明,该方法可行,为下一步血清和血浆样品的检测奠定了基础.     

钝齿棒杆菌精氨酸琥珀酸酶编码基因argH的克隆表达及其重组菌发酵产精氨酸研究

钝齿棒杆菌（Corynebacterium crenatum）SYPA是本实验室筛选获得的一株高产精氨酸生产菌株。精氨酸琥珀酸酶（AL）是精氨酸合成过程中的最后一个酶,催化底物精氨酸琥珀酸生成产物精氨酸。为进一步提高精氨酸产量,本文以钝齿棒杆菌基因组为模板,扩增得到其编码基因argH,全长为1434 bp,编码476个氨基酸,理论蛋白分子量大小为50.8 kDa,其与C. glutamicum ATCC 13032比对其同源性为99.4%,相差10 bp,3个氨基酸。将其在E.coli BL21(DE3)及C. crenatum SYPA中成功表达。利用载体pET-28a上的6×His?Tag选用Ni柱亲和层析纯化AL,纯化后获得的重组蛋白的比酶活达156.9mU/mg蛋白,总回收率为72.3%,对该酶的部分酶学性质进行了初步研究,并发现产物精氨酸对其具有反馈抑制作用。成功构建钝齿棒杆菌重组穿梭表达质粒pJC1-tac-argH并将其通过电击转化法转入C.crenatum SYPA中,加强其代谢途径中AL蛋白表达量,并对其发酵产精氨酸做了初步分析。结果表明与出发菌株相比,转化子在精氨酸琥珀酸酶酶活增强了66.8%的基础上精氨酸产量达40.9 g/L,比出发菌株产量的35.8 g/L提高了约14.2%。     

日本血吸虫精氨酸转氨酶及鸟氨酸转氨酶的研究

从人工感染的家兎中取得日本血吸虫成虫,制成匀浆后在37℃测定鸟氨酸转氨酶活力,底物L-鸟氨酸及α-酮戊二酸的浓度各为0.017M,pH8.O。测定结果用微克分子/ 毫克氮/小时表示,测得酶活力的平均值雄虫为33.9,雌虫为29.0。此酶的最适pH为8.O—8.2。在对此测定中合抱虫的鸟氨酸转氨酶活力为谷氨酸丙酮酸转氨酸活力的1.5倍,谷氨酸草酰乙酸转氨酶活力的2.4倍。当用鸟氨酸分别与α-酮戊二酸、丙酮酸、草酰乙酸及乙醛酸进行测定时,测得的酶活力比值依次为100:6.2:1.8:4.2。磷酸吡哆醛能增高酶活力,羟胺则使之降低。氯化铜及对氯汞苯甲酸具有很强的抑制作用,在2×10~(-5)M的浓度下前者抑制78.5%,后者抑制31.6%。正缬氨酸及缬氨酸对此酶的抑制作用是竞争性的,当底物鸟氨酸的浓度减低时,抑制作用增强。南瓜子氨酸的抑制是非竞争性的,在O.017M的浓度下抑制酶活力29.5%。酒石酸锑钾(10~(-3)M)及呋喃丙胺(10~(-4)M)对酶活力无影响。在日本血吸虫中测不出精氨酸转氨酶的存在,以精氨酸为底物作转氨酶测定时所产生的谷氨酸是由于精氨酸酶和鸟氨酸转氨酶相继作用的结果。     

嗜盐四联球菌arc operon多拷贝基因在精氨酸代谢中的作用

【背景】嗜盐四联球菌(Tetragenococcus halophilus)是一类存在于发酵食品中的耐盐乳酸菌,研究其精氨酸(arginine,Arg)代谢对解析食品发酵过程中氨基甲酸乙酯(ethyl carbamate,EC)前体积累机制和保障食品安全具有重要意义。【目的】研究酱醪来源嗜盐四联球菌精氨酸脱亚氨基(arginine deiminase,ADI)途径的基因构成,揭示这些基因对菌株精氨酸代谢和氨基甲酸乙酯前体瓜氨酸(citrulline,Cit)利用与积累的影响。【方法】采用PCR扩增与测序分析不同菌株的ADI途径基因组成,通过比较ADI途径关键基因转录水平和关键酶活性,探究环境因素对嗜盐四联球菌代谢氨基酸能力的影响及各拷贝基因参与氨基酸代谢的功能。【结果】酱醪来源嗜盐四联球菌基因组中ADI途径基因类型主要有两大类：以菌株R23为代表含有完整arc操纵子(operon)基因且具有最多基因拷贝数;以菌株C3为代表缺失arcA和arcB但含有多拷贝arcB和arcC。基因组中有arcA的菌株才具有利用精氨酸能力,并通过利用精氨酸生成瓜氨酸。体系中精氨酸含量和乙醇与脂肪酸的存在均可影响嗜盐四联球菌利用精氨酸积累中间产物瓜氨酸。当精氨酸含量大于5 g/L或体系中含有乙醇与脂肪酸时,嗜盐四联球菌会利用精氨酸积累中间产物瓜氨酸。脂肪酸和乙醇对ADI途径的3个关键酶均有显著抑制作用,可使精氨酸脱亚氨基酶(arginine deiminase,ADI)、鸟氨酸氨甲酰基转移酶(ornithine transcarbamylase,OTC)和氨甲酰磷酸激酶(carbamate kinase,CK)的活性分别降低41.0%、46.4%和60.0%。嗜盐四联球菌中arcB转录水平分别是其拷贝arcB₁和arcB₂的10.5倍和29.8倍,arcC的转录水平分别是arcC₁、arcC₂、arcC₃的17.6、20.3、23.9倍,说明arcB和arcC在瓜氨酸代谢中起主要作用。【结论】精氨酸含量和乙醇加脂肪酸是影响嗜盐四联球菌代谢精氨酸能否积累瓜氨酸的关键环境因素。嗜盐四联球菌arc operon的多拷贝基因中,arcB和arcC基因在瓜氨酸代谢中起主要作用。     

课堂教学随笔:谷氨酰胺的氨基

氨基代谢是《生物化学》中"氨基酸代谢"教学的重要内容,谷氨酰胺氨基的去向和利用是其中的重点之一。谷氨酰胺既有α-氨基又有酰胺基,其代谢由不同的酶分别催化,涉及转氨酶、酰胺基转移酶、谷氨酰胺酶、转谷氨酰胺酶等。不同代谢酶作用的基团和机理不同,学生容易混淆它们的作用。本文拟通过讨论几种谷氨酰胺氨基相关代谢酶的作用特点,指导学生掌握谷氨酰胺氨基的代谢。     

氨甲酰磷酸不同合成途径在大肠杆菌中的比较

【背景】氨甲酰磷酸是生物合成代谢中精氨酸与嘧啶的重要前体物质,在工业微生物生产精氨酸与嘧啶及其衍生物中发挥关键作用。【目的】在大肠杆菌Escherichia coli BW25113中比较氨甲酰磷酸不同合成途径的催化效率。【方法】在大肠杆菌Escherichia coli BW25113中过表达鸟氨酸氨甲酰基转移酶(OTC)的基础上,分别过表达大肠杆菌自身的氨基甲酸激酶(CK)和氨甲酰磷酸合酶(CPSⅡ)并表征其反应效果。通过优化底物供应(调整底物浓度与引入L-谷氨酰胺合成酶)对CK与CPSⅡ的催化反应进行优化。【结果】在大肠杆菌中过表达OTC,建立细胞水平氨甲酰磷酸检测体系。在此基础上比较不同来源的CK,发现大肠杆菌来源的CK效果最好,50mmol/LNH4HCO3条件下全细胞催化9h得到2.95±0.15mmol/LL-瓜氨酸;过表达CPSⅡ时,50mmol/LL-谷氨酰胺催化9h得到3.16±0.29 mmol/L L-瓜氨酸。通过改变底物NH4HCO3浓度和引入外源L-谷氨酰胺合成酶(GS)等方式对CK与CPSⅡ的催化反应分别进行优化后,100 mmol/L NH4HCO3条件下,L-瓜氨酸浓度分别提高至4.67±0.55mmol/L和6.12±0.38mmol/L,且过表达GS后CPSⅡ途径可以利用NH3,不需要额外添加L-谷氨酰胺。【结论】引入L-谷氨酰胺合成酶后的CPSⅡ途径合成氨甲酰磷酸的能力优于CK途径,为精氨酸、嘧啶及其衍生物的合成提供了一种更加高效的策略。     

L-鸟氨酸发酵菌种的代谢工程研究进展

L-鸟氨酸是一种非蛋白类氨基酸参与尿素代谢及生物多胺类的合成,其对人体具有治疗肝脏疾病、增强免疫力等作用,被广泛应用于医疗、保健、食品等领域。工业上生产鸟氨酸主要有化学法、酶法及工业发酵法。其中,发酵法因其生产成本及环境保护等方面的优势而逐渐成为研究的焦点。本文归纳了近年来采用基因工程技术选育鸟氨酸高产菌种最新研究进展,重点讨论了产鸟氨酸谷氨酸棒杆菌的代谢工程改造策略,并对未来的研究方向进行了预测。     

可可、咖啡等植物中氨基甲酰磷酸合成酶家族基因鉴定和进化分析

氨基甲酰磷酸合成酶家族含有植物中氨基酸代谢以及嘌呤生物碱合成中重要基因;咖啡、可可、番茄等植物中含有丰富的嘌呤生物碱物质咖啡因。本研究从可可、咖啡、番茄等8个种子植物基因组中,系统鉴定得到了33条氨基甲酰磷酸合成酶家族基因。进化分析表明,此家族在种子植物中可分为4个亚家族。氨基甲酰磷酸合成酶处于亚家族Ⅰ,甲基巴豆酰基辅酶A羧化酶处于亚家族Ⅱ,而乙酰辅酶A羧化酶的不同亚基处于亚家族Ⅲ和Ⅳ。银杏中仅鉴定得到亚家族Ⅱ和Ⅳ的基因。而在单子叶植物中,不存在亚家族Ⅳ的基因。各基因均含有多个结构域,其中某些亚家族由基因融合形成。各基因分子量较大,且均具有亲脂性。本研究为氨基酸代谢和咖啡因等嘌呤生物碱合成机制提供了基因靶标以及进化学基础。