极端嗜热古菌DNA修复核酸内切酶的研究进展

极端嗜热古菌由于生活在高温环境,其基因组DNA面临着严重的挑战,因此,它们如何维持其基因组稳定是本研究领域最为关注的科学问题之一。极端嗜热古菌具有与常温微生物相似的自发突变频率,暗示着它们比常温微生物具有更加有效的DNA修复体系进行修复高温所造成的基因组DNA损伤。目前,极端嗜热古菌DNA修复的分子机制尚不清楚。核酸内切酶在DNA修复途径中发挥着重要的作用。基因组序列显示极端嗜热古菌编码多种DNA修复核酸内切酶,但是其研究尚处于初期阶段。本文综述了极端嗜热古菌DNA修复核酸内切酶Nuc S、Endo V、Endo Q、XPF和Hjc的研究进展,并对今后的研究提出了展望。     

极端嗜热古菌核酸内切酶Ⅲ的研究进展

胸腺嘧啶乙二醇(thymine glycol,Tg)是常见的氧化性DNA损伤碱基之一。DNA中的Tg能够分别阻止DNA聚合酶和RNA聚合酶进行DNA复制和转录,导致相应的生物学过程终止,进而会引起细胞的死亡,因此DNA中的Tg需要被修复。核酸内切酶Ⅲ(endonuclease Ⅲ,EndoⅢ)是一种双功能DNA糖苷酶,能够切除DNA中的Tg,从而启动碱基切除修复途径进行修复DNA中的Tg。细菌、古菌和真核生物的基因组序列中均存在有EndoⅢ蛋白的编码基因。目前,源自于细菌和真核生物的EndoⅢ已有较多的研究,而古菌EndoⅢ的研究相对较少。基于目前已有的极端嗜热古菌EndoⅢ的研究报道,本文综述了极端嗜热古菌EndoⅢ的研究进展,并展望了今后的研究方向。     

Sulfolobus acidocaldarius DNA聚合酶IV跨越损伤合成能力的酶学特征

[目的]以嗜酸嗜热硫化叶菌Sulfolobus acidocaldarius的DNA聚合酶IV （Saci_0554）为例,表征其跨越模板上损伤碱基的DNA合成效果。[方法]将DNA聚合酶IV （SacpolIV）在大肠杆菌中进行重组表达,经亲和层析纯化得到SacpolIV蛋白;利用人工合成的带有不同损伤的寡核苷酸片段作为模板DNA,用尿素变性聚丙烯酰胺凝胶电泳技术,鉴定SacpolIV在体外跨越各种损伤碱基进行跨损伤合成的催化能力。[结果]SacpolIV重组蛋白能够不同程度地跨越嘌呤和嘧啶损伤,跨越能力的高低取决于损伤碱基与正常碱基形成氢键的能力。本研究还发现,SacpolIV能够在DNA链中掺入核糖核苷酸,但掺入核糖核苷酸的效率低于脱氧核糖核苷酸。[结论]本研究证实SacpolIV具有很强的跨越损伤合成能力,能够跨越多种氢键配对能力减弱的损伤碱基,为其在细胞内的跨越损伤合成功能提供了生化证据。     

Sulfolobus acidocaldarius DHH超家族核酸酶Saci0542的酶学特征研究

【目的】以嗜酸嗜热硫化叶菌Sulfolobus acidocaldarius的DHH超家族核酸酶（Saci0542）为例,研究其核酸外切酶活性特点,为阐明其在DNA代谢中的具体功能提供生化基础。【方法】将嗜酸嗜热硫化叶菌DHH超家族核酸酶Saci0542基因在大肠杆菌中重组表达,经亲和层析纯化得到电泳纯的重组蛋白;利用荧光标记的寡核苷酸作为底物,用尿素变性聚丙烯酰胺凝胶电泳技术,鉴定Saci0542的酶学特征。【结果】重组表达的DHH超家族核酸酶Saci0542具有典型的单链核酸特异性的3’-5’外切酶活性。进一步酶学特征表征结果如下:酶活性依赖于二价金属离子Mn²⁺,而Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等二价金属离子对活性没有明显的促进作用;Saci0542在pH5.5–10的广泛范围内均表现出较高酶活性;高于200 mmol/L的NaCl强烈抑制酶活性;最适反应温度为50–55℃;末端磷酸基团抑制3’-5’外切酶活性。【结论】本研究证实,Saci0542是一种Mn²⁺依赖型3’-...     

嗜酸嗜热古菌Sulfolobus acidocaldarius编码尿嘧啶DNA糖苷酶表达，纯化与酶学特征

摘要:【目的】嗜高温微生物面临dC脱氨基生成dU损伤的巨大压力,鉴定嗜酸嗜热古菌S.acidocaldarius来源的尿嘧啶DNA糖苷酶(UDG)切除dU损伤的酶学活性。【方法】重组表达来源于S.acidocaldarius的IV和V型UDG,经亲和纯化得到电泳纯重组蛋白。然后利用人工合成的dU(deoxyuracil)修饰寡核苷酸片段作为底物,体外鉴定两种重组UDG 的酶学特性。【结果】来源于S.acidocaldarius的IV和V型重组UDG具有相似的酶学特性。IV型UDG催化效率更高,比活性是V型重组UDG的750倍左右。作为来自嗜热微生物 的蛋白,S.acidocaldarius的IV和V型UDG的最适反应温度为65－75℃。【结论】IV型UDG比V型UDG水解dU碱基和脱氧核糖之间糖苷键的能力更强。     

火球菌Pyrococcus furious瓣状核酸内切酶1的表达纯化及酶学特征

【目的】克隆表达和纯化火球菌Pyrococcus furious来源的瓣状核酸内切酶1基因pFEN1(PF1414),对该蛋白的活性和酶学特征进行鉴定和分析。【方法】将pFEN1在大肠杆菌中进行重组表达,经亲和层析纯化得到电泳纯蛋白;利用人工合成的荧光标记的寡核苷酸片段作为底物,用变性聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定pFEN1在体外的酶学特性以及与其他蛋白的相互作用。【结果】pFEN1重组蛋白能在大肠杆菌中进行高效表达;高于100 mmol/L的NaCl会抑制pFEN1的活性;pFEN1的核酸酶活性依赖于金属离子Mg~(2+)或Mn~(2+),且Mn~(2+)的催化效率优于Mg~(2+);来自嗜热古菌的pFEN1是一种耐高温蛋白,最适反应温度为60–65°C;增殖细胞核抗原(PCNA)能促进pFEN1的内切酶活性。【结论】本研究证实pFEN1是一种Mg~(2+)或Mn~(2+)依赖的核酸内切酶,且PCNA能促进该酶的活性。     

嗜热古菌Archaeoglobus fulgidus RecJ核酸酶的表达纯化及酶学特征

[目的]克隆表达嗜热古菌Archaeoglobus fulgidus(A.fulgidus)来源的RecJ核酸酶基因(ORF编号AF_0699,NCBI数据库基因登陆号为AF_RS03550),对该重组蛋白的核酸酶活性及酶学特征进行鉴定和分析.[方法]将A.fulgidus RecJ(AfuRecJ)核酸酶在大肠杆菌中...     

嗜热古菌Thermofilum adornatum来源的高温热激活β-葡萄糖苷酶TaBgl3的原核表达及酶学性质研究

【目的】β-葡萄糖苷酶，又称β-D-葡萄糖苷水解酶，属于纤维素酶类，是一种降解纤维素的关键限速酶。来源于嗜热古菌的β-葡萄糖苷酶已被广泛验证具有酸性高温等特性，已成为高温酶的研究热点之一。本文对尚未报道的来源于嗜热古菌中一种热丝菌（Thermofilum adornatum）的GH3家族的葡萄糖苷酶，进行了原核表达和酶学性质测定，以期找到更优的β-葡萄糖苷酶。【方法】从NCBI数据库中获得了嗜热古菌（T.adornatum）来源的GH3氨基酸序列，构建重组质粒p ET-30a（+）-TaBgl3，并在大肠杆菌（Escherichia coli） BL21（DE3）感受态细胞中诱导表达重组蛋白；采用磁珠纯化，研究其酶学性质。【结果】重组蛋白TaBgl3的分子量为77.0 kDa；酶学性质结果表明，其最适反应条件为80°C和pH 5.0，在70°C保温处理1–4 h，对TaBgl3的酶活力有促进作用，在最适温度80°C处理2 h后，其激活作用更加明显，能提高40%以上的酶活；其在pH 5.0–8.0下37°C保温1 h，仍具有60%以上的活性；底物为对硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷（p NP...     

嗜热毛壳菌内切β-葡聚糖酶的分离纯化及特性

探讨了液体发酵嗜热毛壳菌（Chaetomium thermophile)产生的内切β－葡聚糖酶的分离纯化及特性。粗酶液经硫酸铵分级沉淀,DEAE－Seplharose Fast Flow阴离子层析,Pheny1-Sepha-rose疏水层析,Sephacry1 S-100分子筛层析等步骤便可获得凝胶电泳均一的内切β－葡聚糖酶,经12．5％SDS－PAGE和凝胶过滤层析法分离纯化酶蛋白的分子量约为67．8kD的69．8kD。该酶反应的最适温度和pH分别为60℃和4．0－4．5在pH5.0条件下,该酶在60℃下稳定：70℃保温1h后,仍保留30％的活性;在80摄氏度的半衰期为25min,金属离子内切β－葡聚糖酶的活性影响较大,其中Na^ 对酶有激活作用;Fe^2 ,Ag^ ,Cu^2 ,Ba^2 ,Zn^2 等对酶有抑制作用。该酶对结晶纤维素有没水解能力。     

嗜热毛壳菌内切β-葡聚糖酶的分离纯化及特性

探讨了液体发酵嗜热毛壳菌(Chaetomium thermophile)产生的内切β葡聚糖酶的分离纯化及特性。粗酶液经硫酸铵分级沉淀、DEAE\|Sepharose Fast Flow阴离子层析、Pheny1\|Sepharose疏水层析、Sephacry1 S\|100分子筛层析等步骤便可获得凝胶电泳均一的内切β\|葡聚糖酶。经125%SDS\|PAGE和凝胶过滤层析法分别测得所分离纯化酶蛋白的分子量约为67.8kD和69.8kD。该酶反应的最适温度和pH分别为60℃和40～45在pH50条件下,该酶在60℃下稳定;70℃保温1h后,仍保留30%的活性;在80℃的半衰期为25min。金属离子对内切β\|葡聚糖酶的活性影响较大,其中Na+对酶有激活作用;Fe2+、Ag+、Cu2+、Ba2+、Zn2+等对酶有抑制作用。该酶对结晶纤维素没有水解能力。     

Recombinant expression, purification, and characterization of XorKII: a restriction endonuclease from Xanthomonas oryzae pv. oryzae

An endonuclease from Xanthomonas oryzae pathovar oryzae (Xoo) KACC10331, XorKII, was recombinantly produced in Escherichia coli by applying the stationary state induction method, which was necessary to prevent the unwanted lysis of E. coli cells. XorKII was purified by immobilized metal affinity chromatography on an FPLC system. The yield was 3.5 mg of XorKII per liter of LB medium. The purified recombinant XorKII showed that it recognized and cleaved to the same site as PstI. It behaved as a dimer as evidenced by the size exclusion chromatography. The specific activity of the purified XorKII was determined to be 31,300 U/mg. The enzyme activity was monitored by cleaving lambda DNA or YEp24 plasmid as substrates. The enzyme was the most active at 10 mM Tris–HCl pH 7.0, 10 mM MgCl₂, 1 mM dithiothreitol at 37 °C. XorKII was easily inactivated by heating at 65 °C for 5 min, but retained most of the original activity after incubation at 37 °C for 24 h.     

Purification, characterization and crystallization of pyrroline-5-carboxylate reductase from the hyperthermophilic archeon Sulfolobus Solfataricus

The gene SSO0495 (proC), which encodes pyrroline-5-carboxylate reductase (P5CR) from the thermoacidophilic archeon Sulfolobus solfataricus P2 (Ss-P5CR), was cloned and expressed. The purified recombinant enzyme catalyzes the thioproline dehydrogenase with concomitant oxidation of NAD(P)H to NAD(P)⁺. This archeal enzyme has an optimal alkaline pH in this reversible reaction and is thermostable with a half-life of approximately 30 min at 80 °C. At pH 9.0, the reverse activation rate is nearly 3-fold higher than at pH 7.0. The homopolymer was characterized by cross-linking and size exclusion gel filtration chromatography. Ss-P5CR was crystallized by the hanging-drop vapor-diffusion method at 37 °C. Diffraction data were obtained to a resolution of 3.5 Å and were suitable for X-ray structure determination.     

低温几丁质酶基因在乳酸克鲁维酵母中的重组表达及酶学性质表征

【目的】通过构建假交替单胞菌(Pseudoalteromonassp.DL-6)低温几丁质酶(chitinaseA,chi A;chitinase C,chi C)的重组乳酸克鲁维酵母菌株、纯化重组蛋白并对其进行酶学性质表征,为低温几丁质酶潜在工业化生产几丁寡糖奠定理论基础。【方法】人工合成密码子优化的几丁质酶基因,构建重组乳酸克鲁维酵母表达质粒(p KLAC1-chi A、p KLAC1-chi C)并用电脉冲法转化到乳酸克鲁维酵母中,实现低温几丁质酶的可溶表达。利用镍柱亲和层析纯化得到高纯度的重组几丁质酶。【结果】成功构建产低温几丁质酶的重组乳酸克鲁维酵母并纯化获得高纯度的重组几丁质酶。经SDS-PAGE分析在110 k Da与90 k Da附近出现符合预期大小的蛋白条带。铁氰化钾法测得Chi A和Chi C的酶活分别为51.45 U/mg与108.56 U/mg。最适反应温度分别为20°C和30°C,最适p H分别为8.0和9.0。在低于40°C,p H 8.0–12.0时,Chi A和Chi C重组酶较稳定。Chi A和Chi C对胶体几丁质以及粉状底物α-几丁质与β-几丁质具有明显的降解活性,且具有一定协同降解能力。【结论】首次实现假交替单胞菌来源的低温几丁质酶在乳酸克鲁维酵母中的重组表达、纯化、酶学性质及其降解产物分析,为其他低温几丁质酶的研究提供借鉴意义。     

杀鱼假交替单胞菌C923几丁质酶基因PpchiC的克隆表达与酶学性质

【背景】某些假交替单胞菌可分泌几丁质酶,在降解利用几丁质为水产动物提供营养、免疫、抗病等方面有着重要潜力。【目的】克隆杀鱼假交替单胞菌(Pseudoalteromonas piscicida)C923的一个几丁质酶基因,实现其在大肠杆菌中的异源表达,并对重组几丁质酶的酶学性质进行研究。【方法】从菌株C923测序的基因组中注释到一个几丁质酶家族基因PpchiC,设计引物克隆该基因后进行生物信息学分析;构建载体进行异源表达并从温度、时间与诱导剂浓度进行表达优化;对表达蛋白进行最适温度与pH等酶学性质研究,同时比较了重组菌破碎后上清与沉淀及纯化的酶蛋白对几丁质的降解效应。【结果】基因PpchiC长1350bp,编码450个氨基酸,PpchiC蛋白理论分子量为48.76kDa,等电点为4.78,不稳定系数为29.08。结构域分析发现该蛋白含有一个类型Ⅲ几丁质结合域和一个糖苷水解酶18家族(glycosyl hydrolase 18,GH18)的催化域;PpchiC蛋白含有GH18家族几丁质酶的保守催化基序DxxDxDxE、YxR和[E/D]xx[V/I]。16℃、0.25mmol/L IPTG、诱导12h为其最优化表达条件,PpchiC在50℃、pH8.0时表现出最大酶活性;以胶体几丁质为底物时,PpchiC的K_m值为2.58mg/mL、V_max值为5.04mg/(mL·min)。降解结果表明,菌体的沉淀与上清及从上清中纯化的酶蛋白均有着较好的几丁质降解效应。【结论】杀鱼假交替单胞菌C923基因PpchiC编码GH18家族的几丁质酶,能被大肠杆菌高效表达且降解几丁质效应明显,这为PpchiC及菌株C923的应用提供了参考依据。     

优化的绿色荧光蛋白在超嗜热嗜酸古菌冰岛硫化叶菌中的表达与应用

【目的】开发可用于在极端嗜热嗜酸模式泉古菌冰岛硫化叶菌(Sulfolobus islandicus)中进行高效表达的eCGP123(enhanced consensus green protein variant 123)荧光蛋白,并用作S.islandicus的细胞内蛋白定位工具。【方法】绿色荧光蛋白突变体eCGP123具有极高的热稳定性、耐酸性和可逆的荧光特性等。本研究主要对eCGP123的基因根据S.islandicus密码子偏好性进行优化与合成,在大肠杆菌(Escherichia coli)中表达并研究其蛋白性质;通过在eCGP123的C末端分别融合具有不同细胞内定位的蛋白(包括E.coli来源的Fts Z和S.islandicus来源的Ups E、PCNA1和SiRe_1200等),构建eCGP123及其融合蛋白的表达菌株,用激光共聚焦显微镜分析eCGP123及其融合蛋白在E.coli和S.islandicus活细胞中的亚细胞定位。【结果】我们确认了在E.coli中表达并纯化密码子优化后的e CGP123具有与野生型绿色荧光蛋白相同的吸光值和较高的热稳定性。细胞学分析显示细胞分裂相关蛋白FtsZ和Si Re_1200分别主要定位于E.coli和S.islandicus分裂细胞的中间;鞭毛组分蛋白Ups E呈点状均匀分布,可能定位于细胞膜上;DNA复制滑动夹亚基PCNA1呈区域性点状分布,暗示了DNA复制区域的位置。蛋白的亚细胞定位与预期结果基本吻合。【结论】绿色荧光蛋白e CGP123可以作为报告蛋白,应用于S.islandicus细胞的蛋白定位分析中,可作为该模式菌株中功能基因研究的重要工具,但需要进一步优化条件。     

High-level expression and characterization of Fusarium solani cutinase in Pichia pastoris

High-level extracellular production of Fusarium solani cutinase was achieved using a Pichia pastoris expression system. The cutinase-encoding gene was cloned into pPICZαA with the Saccharomyces cerevisiae α-factor signal sequence and methanol-inducible alcohol oxidase promoter by two different ways. The additional sequences of the c-myc epitope and (His)₆-tag of the vector were fused to the C-terminus of cutinase, while the other expression vector was constructed without any additional sequence. P. pastoris expressing the non-tagged cutinase exhibited about two- and threefold higher values of protein amount and cutinase activity in the culture supernatant, respectively. After simple purification by diafiltration process, both cutinases were much the same in the specific activity and the biochemical properties such as the substrate specificity and the effects of temperature and pH. In conclusion, the high-level secretion of F. solani cutinase in P. pastoris was demonstrated for the first time and would be a promising alternative to many expression systems previously used for the large-scale production of F. solani cutinase in Saccharomyces cerevisiae as well as Escherichia coli.     

Proteomic characterization of archaeal ribosomes reveals the presence of novel archaeal-specific ribosomal proteins

Protein synthesis occurs in macromolecular particles called ribosomes. All ribosomes are composed of RNA and proteins. While the protein composition of bacterial and eukaryotic ribosomes has been well-characterized, a systematic analysis of archaeal ribosomes has been lacking. Here we report the first comprehensive two-dimensional PAGE and mass spectrometry analysis of archaeal ribosomes isolated from the thermophilic Pyrobaculum aerophilum and the thermoacidophilic Sulfolobus acidocaldarius Crenarchaeota. Our analysis identified all 66 ribosomal proteins (r-proteins) of the P. aerophilum small and large subunits, as well as all but two (62 of 64; 97%) r-proteins of the S. acidocaldarius small and large subunits that are predicted genomically. Some r-proteins were identified with one or two lysine methylations and N-terminal acetylations. In addition, we identify three hypothetical proteins that appear to be bona fide r-proteins of the S. acidocaldarius large subunit. Dissociation of r-proteins from the S. acidocaldarius large subunit indicates that the novel r-proteins establish tighter interactions with the large subunit than some integral r-proteins. Furthermore, cryo electron microscopy reconstructions of the S. acidocaldarius and P. aerophilum 50S subunits allow for a tentative localization of the binding site of the novel r-proteins. This study illustrates not only the potential diversity of the archaeal ribosomes but also the necessity to experimentally analyze the archaeal ribosomes to ascertain their protein composition. The discovery of novel archaeal r-proteins and factors may be the first step to understanding how archaeal ribosomes cope with extreme environmental conditions.