精氨酸脱亚胺酶活性以及瓜氨酸转化研究

目前,L-瓜氨酸的主要生产方法为化学法水解L-精氨酸.利用精氨酸脱亚胺酶可以直接转化L-精氨酸获得L-瓜氨酸,条件温和、效率高、环境友好,因而在工业化生产中具有很好的应用前景.本研究将优化后的单增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)精氨酸脱亚胺酶(ADI)基因序列分别克隆到相应的载体pET-21a、pWB980及pAO815中,并分别转化大肠杆菌BL21(DE3)、枯草芽胞杆菌WB600及毕赤酵母GS115中构建表达菌株.发现大肠杆菌能高效表达ADI.经过5L发酵罐验证,发酵后酶活力单位可达200 000～270 000 U·L-1.经过验证,该酶可以很好地应用于L-瓜氨酸生产.在7 920～17 600 U· L-1的ADI存在条件下,5.5h内,可使95％的浓度为94～258 g·L-1的精氨酸转化为瓜氨酸.该方法具备良好的工业化应用前景.     

生理pH条件下精氨酸脱亚胺酶的分子改造研究

精氨酸脱亚胺酶（arginine deiminase,EC 3.5.3.6,ADI）因其可作为精氨酸营养缺陷型肿瘤细胞的靶向治疗药物而受到广泛关注. 目前,支原体来源的重组ADI处于肝癌和黑素瘤的三期临床研究阶段. 作为药用酶,当前报道的ADI在体内生理条件下普遍存在酶活低、半衰期短、底物亲和性弱等局限性.本研究结合随机突变及基于理性设计的定点突变两种方法,对研究室前期自主筛选得到的变形假单胞菌Pseudomonas plecoglossicida来源的ADI经一轮定向进化后所获优势突变株M314(A128T/H404R/I410L)进行分子改造.通过对随机突变法获得的1480个突变株进行96孔板高通量筛选,得到优良突变株M173(A128T/H404R/I410L/K272R);同时,基于同源序列比对及ADI蛋白三维结构同源建模,采用PyMOL软件理性预测和分析其活性中心及附近保守区域氨基酸位点对蛋白功能的影响,选择了6个位点D78E、L223I、P230I、S245D、A275N、R400M分别在M314的基础上进行定点突变,最终获得优势突变株M04(A128T/H404R/I410L/S245D). 通过对突变株的酶学性质以及动力学参数分析发现：生理pH值下,突变株M173的酶比活（12.32 U/mg）在M314（9.02 U/mg）的基础上提升3659%,Kcat/Km提高5236%;而突变株M04的最适pH由6.5升高至7.0,更接近体内生理pH,其比酶活（14.66 U/mg）较M314提升62.53 %,Kcat/Km提高了37.12%. 综上结果,本研究结合两种分子改造方法成功地对该ADI在生理pH条件下的酶活和酶学性质进行了改良,并为蛋白质的分子改造策略提供了理论基础和实验依据.     

精氨酸脱亚胺酶发酵过程特性研究

精氨酸脱亚胺酶有较好的体内体外肿瘤生长抑制作用。通过对粪肠球菌（Enterococcus faecalis）NJ402菌株产精氨酸脱亚胺酶的发酵特性的研究,建立起代谢物的过程变化与精氨酸脱亚胺酶产生机理的内在联系。NJ402菌株生长过程中碳源物质代谢产生乳酸导致发酵体系pH的下降,而培养基中L-精氨酸的脱亚胺作用有利于发酵体系pH的稳定和菌体生长。进一步的研究表明,低pH生长环境有利于NJ402菌株产精氨酸脱亚胺酶,且精氨酸脱亚胺酶的产生与能量代谢无关。NJ402菌株产精氨酸脱亚胺酶受底物L-精氨酸的诱导,但该诱导作用受菌体生长体系pH的调控,即精氨酸脱亚胺酶的产生是低pH生长环境与L－精氨酸共同作用的结果。     

粪肠球菌精氨酸脱亚胺酶酶学性质研究

经硫酸铵分级沉淀、Q-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、SephadexG-75凝胶柱层析从NJ402自溶细胞超声破碎液中提纯得到精氨酸脱亚胺酶(ADI), 纯化倍数为34.5, 活力回收率为31.4％, 经SDS-PAGE以及Native-PAGE测定结果表明, ADI亚基分子量约为46 kD, 该酶非变性情况下的分子量约为190 kD左右, 该酶为同四聚体结构。酶学性质研究结果表明：ADI催化最适温度和最适pH分别为50℃和6.5, 在45℃以下和pH 5~8之间有很好的稳定性。ADI是L-型脱亚胺酶, 具有严格的光学选择性, 适当浓度的Mn2+、Mg2+、Co2+对ADI催化活力的促进作用较大, 高浓度的Zn2+和Co2+对酶有一定程度的抑制作用, L-瓜氨酸对酶无抑制作用而L-鸟氨酸却表现出较强的抑制作用。ADI在最佳催化条件下作用于L-精氨酸的米氏常数为3.2686 mmol/L, 最大反应速度为2.44 μmol/min。     

精氨酸脱亚胺酶在大肠杆菌中的分泌型表达

将变形假单胞菌的精氨酸脱亚胺酶(ADI)编码基因arc A克隆至具有阿拉伯糖启动子的分泌型表达载体pBAD/gⅢB中,经鉴定得到重组质粒pBAD-ADI。将重组质粒转化大肠杆菌TOP10F'后进行诱导表达,分别考察了不同诱导物L-arabinose浓度、诱导温度、诱导时间对重组蛋白表达的影响,最适诱导条件为L-arabinose浓度0.002%(w/v),25℃下诱导5 h,全细胞的酶活为68 mU/mL(指单位发酵液体积,下同)。采用Osmotic Shock法使ADI从胞周质释放出来,经检测分泌到胞周质的重组蛋白活性为53 mU/mL,细胞内的酶活为34 mU/mL。SDS-PAGE分析显示,重组蛋白大小约为46 kD。     

变形假单胞菌精氨酸脱亚胺酶基因序列分析及其表达载体构建

通过分子克隆手段获得了变形假单胞菌(Pseudomonas plecoglossicida CGMCC2039)精氨酸脱亚胺酶(arginine deirninasa,简称ADI)基因序列,并将扩增的ADI基因片段插入表达载体pET28a中,构建了ADI的重组表达载体.核苷酸序列分析显示该基因开放阅读框为1254 bp,编码417个氨基酸.Blast分析显示它与其他假单胞茵属菌种具有很高的同源性.SDS-PAGE结果显示出分子量大小为48.5 kDa的明显的蛋白质特异性条带,并具有酶活.该载体的构建为该基因在大肠杆菌中的表达、纯化和抗肿瘤活性研究奠定了基础.     

组蛋白脱乙酰化酶—1保守氨基酸中组氨酸定点突变的建立

为了研究蛋白脱乙酰化酶－１（ＨＤＡＣ１）保守氨基酸中组氨酸的定点突变对其功能的影响,需要建立ＨＤＡＣ１保守组氨酸定点突变的突变子。在克隆野生型ＨＤＡＣ１ｃＤＮＡ的基础上,利用Ａｌ－ｔｅｒｅｄ ＳｉｔｅⅡ体外突变系统对ＨＤＡＣ１保守氨基酸中的３个组氨酸位点进行突变,并用全自动测序鉴定。结果分别获得了ＨＤＡＣ１的Ｈ１４０Ｆ、Ｈ１７８Ｆ、Ｈ１７９Ｆ的定点突变子,为进一步研究ＨＤＡＣ１保守氨基酸定点突变对     

粪肠球菌精氨酸脱亚胺酶酶学性质研究

经硫酸铵分级沉淀、Q-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、SephadexG-75凝胶柱层析从NJ402自溶细胞超声破碎液中提纯得到精氨酸脱亚胺酶(ADI),纯化倍数为34.5,活力回收率为31.4%,经SDS-PAGE以及Native-PAGE测定结果表明,ADI亚基分子量约为46 kD,该酶非变性情况下的分子量约为190 kD左右,该酶为同四聚体结构.酶学,胜质研究结果表明:ADI催化最适温度和最适pH分别为50℃和6.5,在45℃以下和pH 5～8之间有很好的稳定性.ADI是L-型脱亚胺酶,具有严格的光学选择性,适当浓度的Mn2 、Mg2 、Co2 对ADI催化活力的促进作用较大,高浓度的Zn2 和Co2 对酶有一定程度的抑制作用,L-瓜氨酸对酶无抑制作用而L-鸟氨酸却表现出较强的抑制作用.ADI在最佳催化条件下作用于L-精氨酸的米氏常数为3.2686 mmol/L,最大反应速度为2.44 μmol/min.     

青霉素酰化酶活性中心的定点突变

对Ｅ．ｃｏｌｅ ＡＴＣＣ １１１０５的青霉素酰化酶（ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｎ Ｇ ａｃｙｌａｓｅ,ＰＧＡ）活性中心的Ｓｅｒ２９０分别进行了定点突变和和化学修饰,将活性中心的Ｓｅｒ２９０改变成Ｃｙｓ或Ｓｅｃｙｓ,ＰＧＡ水解活力均大为下降,但仍保留部分活性。其对底物６－硝基（３－苯乙酰氨基）苯甲酸（６－ｎｉｔｒｏ－３－ｐｈｅｎｙｌａｃｅｔａｍｉｄｏ ｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄ,ＮＩＰＡＢ）的ｋｃａｔ分别从１     

肽基精氨酸脱亚胺酶4(PADI4)对RA的影响

类风湿关节炎(RA)是一种病因和发病机制尚不清楚的自身免疫疾病,一般认为是由多种遗传因素和环境因素共同作用的结果。遗传因素中以组织相容性白细胞抗原HLA最为重要,另外作为非HLA的肽基精氨酸脱亚胺酶4(PADI4)也参与了RA的发病。PADI4是一种翻译后修饰酶,可在钙离子存在的情况下将精氨酸残基转化为瓜氨酸残基,瓜氨酸化后的蛋白质往往改变其分子构象,从而导致其生化活性亦发生改变。在不用种族的人群中,PADI4基因多态性与RA的易感性不尽相同。PADI4在RA患者血清中含量明显升高,在机体内产生自身抗PADI4抗体,并且PADI4瓜氨酸化多种蛋白质引起机体自身的免疫反应参与RA的发生与发展。近些年来的其他研究表明PAID4也参与了肿瘤、溃疡性结肠炎、多发性硬化症的发病。尽管针对PADI4的研究已经取得了很多重大进展,但是仍然存在很多悬而未决的问题等待科研工作者进一步的研究和证实。     

精氨酸脱亚氨酶的表达、纯化和活性研究

目的：建立精氨酸脱亚氨酶的高效表达菌种和纯化工艺路线。方法：人工合成编码支原体精氨酸脱亚氨酶（arginine deiminase, ADI）的基因,构建pBV220-ADI原核表达载体,转染大肠杆菌DH5α中并诱导表达目的蛋白,离子交换层析和分子筛层析法纯化目标蛋白。采用体外精氨酸降解试验测定纯化产物活性。结果：成功构建了原核表达载体pBV220-ADI,基因侧序正确。转化大肠杆菌DH5α后筛选到高水平表达目的蛋白的菌株,目标蛋白以包含体形式存在于胞浆内,表达水平超过全菌体蛋白的35%。采用盐酸胍溶解包含体、低温条件下稀释和透析的方法进行复性。顺次采用阳离子交换和凝胶过滤层析对复性液进行纯化,最终获得纯度达到95%的活性产物。活性测定表明,纯化的ADI比活性为80IU/mg。结论：成功构建了ADI的高效表达菌种,建立了目标物质的分离纯化方法。     

用DREAM技术进行全长质粒快速定点突变

利用“设计限制酶辅助突变”(Designed Restriction Enzyme Assisted Mutagenesis, DREAM)进行全长质粒快速定点突变。根据突变位点附近氨基酸靶序列, 以简并密码子进行逆向推导, 这样在不改变氨基酸序列的前提下可以得到数目巨大的隐性突变体(Silent mutants), 这些突变体中包含大量的限制性酶切位点, 选择合适的酶切位点设计引物, 用Phusion超保真DNA聚合酶扩增全长质粒的DNA序列, 得到的PCR产物用T4多聚核苷酸激酶添加5￠磷酸基团后进行平末端连接, 转化大肠杆菌受体菌后用设计的酶切位点进行快速筛选。本研究用该方法成功地纠正了长约8 kb的质粒pcDNA3.1-pIgR中的突变碱基, 从而获得了多聚免疫球蛋白受体(pIgR)的野生型氨基酸序列。以上结果表明: 利用DREAM技术将限制性酶切位点引入目的基因而不改变目的蛋白质的氨基酸序列, 使突变体的筛选简单化; 配合使用高保真和高效率的Phusion DNA聚合酶可以进行长达8 kb的全长质粒的快速突变; 该方法无需使用定点突变试剂盒和特殊的受体菌, 同时避免了核酸杂交以及同位素的使用。     

定点突变提高苯丙氨酸羟化酶的热稳定性

嗜热菌中,蛋白质存在Ala替换Gly以及Arg替换Lys的趋势。为了提高紫色色杆菌来源的苯丙氨酸羟化酶的热稳定性,将该酶中所有Gly突变成Ala,Lys突变成Arg,筛选获得热稳定性提高的突变体,并进行组合突变,对突变酶的酶学性质进行研究。结果表明,突变酶K94R和G221A在50℃的半衰期分别为26.2 min、16.8 min,比原始酶(9.0 min)分别提高了1.9倍、0.9倍,同时组合突变酶K94R/G221A在50℃处理1 h后仍保留65.6%的酶活,比原始酶(8.6%)高出6.6倍。圆二色谱结果显示原始酶和突变酶K94R、G221A及K94R/G221A的T_m值分别为51.5℃、53.8℃、53.1℃和54.8℃。蛋白三维结构模拟推测突变体热稳定性提高机理为:突变体K94R中Arg94与Ile95之间形成额外氢键,稳定其所在的柔性区域;突变体G221A中Ala221与Leu281产生疏水作用,稳定酶分子C-端柔性区。该研究结果为蛋白质热稳定性改造提供了参考,也为苯丙氨酸羟化酶在功能性食品领域的应用奠定了基础。     

定点突变改造提高纺锤形赖氨酸芽孢杆菌氨基甲酸乙酯水解酶稳定性

氨基甲酸乙酯(Ethyl carbamate,EC)是一种存在于发酵食品和酿造酒精饮料中的潜在致癌物质。利用生物酶法去除食品饮料中的EC是一种较为安全有效的方法。本研究以来源于赖氨酸芽孢杆菌Lysinibacillus fusiformis SC02的氨基甲酸乙酯水解酶为研究对象,采用计算机辅助设计突变位点,构建了其不稳定区域Q328位点的饱和突变体。通过酶学性质分析发现,突变体Q328C和Q328V在40℃下的半衰期分别提高了7.46和1.99倍,Q328R在高温下也有比原酶更好的耐受性。此外,突变体Q328C对乙醇的耐受性和酸耐受性也有所提高。对氨基甲酸乙酯水解酶分子改造的结果表明,通过改造其不稳定区域Q328位点,可以提高酶的热稳定性及对酸和乙醇的耐受性。     

定点突变提高土曲霉Aspergillus terreus脂肪酶的催化活性

本研究旨在利用理性设计的方法来提高来源于土曲霉Aspergillus terreus的酸性脂肪酶ATL的催化活力。通过同源比对,选择脂肪酶盖子区域和底物结合口袋域中的位点进行定点突变,得到8种ATL的突变脂肪酶。结果发现,盖子区域突变酶ATLLid与底物结合口袋域突变酶ATLV218W的催化活性显著提高。ATLLid和ATLV218W对底物对硝基苯酚月桂酸酯p-nitrophenyl laurate(p-NPL)的催化活性最高,k_(cat)值较ATL分别提高了39.37倍和50.79倍,k_(cat)/K_m值较ATL分别提高了2.85倍和8.48倍。与ATL相比,ATLLid和ATLV218W的热稳定性略有下降,最适p H为5.0,p H 4.0–8.0具有较好的稳定性,说明突变未对ATL的嗜酸耐酸特性产生影响。通过同源建模模拟及分子对接技术分析底物p-NPL与酶分子间的相互作用,解析了ATLLid和ATLV218W催化活性提高的机理。     

Mapping the antigenic determinants and reducing the immunogenicity of trichosanthin by site-directed mutagenesis

Summary Trichosanthin (TCS) is a type I ribosome-inactivating protein (RIP) possessing multiple pharmacological properties. One of its interesting properties is to inhibit human immunodeficiency virus (HIV) replication but its strong immunogenicity has limited the repeated clinical administration. To map the antigenic determinants and reduce the immunogenicity of TCS, two potential antigenic sites (YFF81–83 and KR173–174) were identified by computer modeling, and then three TCS mutants namely TCS_{YFF81–83ACS}, TCS_{KR173–174CG}, and TCS_YFF-KR were constructed by site-directed mutagenesis. The RI activity and DNase-like activity of the three constructed TCS mutants were similar to natural TCS but with much lower immunogenicity. Results suggested that the two selected sites are all located at or near the antigenic determinants of TCS. In toxicity studies, the LD₅₀ of the three TCS mutants was not different from natural TCS. These findings would be useful in designing a better therapeutic agent for AIDS.Qunxing An and Sanhua Wei equally contribute to this work.