枯草芽孢桿菌BJ3-2賴氨酸脫羧酶基因yaaO的克隆與序列分析

唐 雪，蔡傳斌，羅信旭，周景瑞，吳擁軍*

（貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025）

假定的賴氨酸脫羧酶（lysine decarboxylase，LDC，EC 4.1.1.18）存在于大多數微生物中，如大腸桿菌（Escherichia coli）、蜂房哈夫尼菌（Hafnia alvei）、尸桿菌（Bacterium cadaveris）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）等。在微生物的合成途徑中，LDC可逆的將賴氨酸（lysine）通過脫羧反應生成尸胺[1-2]。該酶是誘導性胞內酶，需要磷酸吡哆醛（pyridoxal 5'-phosphate，PLP）為輔酶促進脫羧反應[3]。

尸胺（1,5-戊二胺）是一種多胺，是生物體內廣泛存在的具有生理活性的含氮堿[4]。它是微生物細胞內調節鐵離子濃度的“鐵親和系統”的主要組成成分，在關閉孔蛋白通道方面起著重要的作用，而且還是反芻獸新月單胞菌（Selenomonas ruminantium）、嗜堿性韋榮球菌（Veillonella alcalescens）、小韋榮球菌（V.parvula）和解脂厭氧弧菌（Anaerovibrio lipolytica）等一些嚴格厭氧的格蘭氏陰性菌的肽聚糖的組成成分之一。雖然尸胺是廣泛存在于生物體中的正常物質，對人體沒有直接毒害作用，但它也作為一種肉毒胺存在于腐敗物中，也會加強酪胺和組胺對人體解毒作用的影響[5]。

貴州水豆豉發酵是通過微生物自然富集發酵傳統工藝，發酵期間主要參與的微生物為食品級安全菌株枯草芽孢桿菌（B.subtilis）。但如果發酵環境控制不當，蛋白腐敗也是食品中尸胺的主要來源。豆豉發酵對象大豆富含高蛋白，為控制豆豉發酵過程中過量尸胺的產生，以實驗室前期獲得的豆豉發酵生產菌株B.subtilisBJ3-2為目標菌株[6]，根據GenBank中B.subtilis168標準菌株的yaaO基因序列設計同源引物，PCR擴增B.subtilisBJ3-2基因組DNA，T克隆得到賴氨酸脫羧酶基因yaaO，測序后與NCBI登錄的其他枯草芽孢桿菌yaaO序列進行同源性比對分析，分析LDC酶活性結構域和酶活性位點。從而通過控制LDC的表達，降低豆豉發酵過程中生物胺的含量，對于保障食品安全具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枯草芽孢桿菌（B.subtilis）BJ3-2：本實驗室前期分離保存；E.coliDH5α：北京全式金生物技術有限公司；基因組DNA提取試劑盒、pGEM-T載體、溶菌酶（lysozyme）、rTaq酶、T4DNA連接酶、DNA Marker、dNTPs：大連TaKaRa公司；E.Z.N.A.TM Gel Extraction Kit、E.Z.N.A.TM Plasmid Mini KitⅠ：美國Omega公司。

1.2 儀器與設備

C1000TM Thermal Cycler PCR儀、Universal Hood Ⅱ凝膠成像分析儀、PowerPac HC電泳儀：美國Bio-Rad公司；Mini-6K微型離心機：杭州奧盛儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 引物設計與合成

根據GenBank登錄的B.subtilis168菌株（登錄號為AL009126.3）的假定的賴氨酸脫羧酶基因yaaO序列，應用Primer Premier 5.0軟件設計特異性引物，引物序列：上游引物P1：5'-ATGAACACACCTTTATATAAAG-3'；下游引物P2：5'-TCATGATTTCTCCTCTTCT-3'；預計擴增片段長度為1 443 bp，由大連TaKaRa公司合成。

1.3.2B.subtilisBJ3-2基因組提取

活化B.subtilisBJ3-2菌株，分離單個菌落，用接種環挑取接種至5 mL的LB液體培養基，于37 ℃搖床140 r/min振蕩過夜培養。使用細菌基因組提取試劑盒提取B.subtilisBJ3-2基因組DNA。1%瓊脂糖電泳檢測基因組的完整性。

1.3.3 目的片段的擴增

以B.subtilisBJ3-2基因組為模板進行PCR擴增。PCR反應體系為10×PCR Buffer 2 μL、dNTPs 1.6 μL、DNA模板1 μL、上下游引物各0.5 μL、Taq酶0.1 μL 補ddH2O至20 μL。反應程序：94 ℃、5 min，94 ℃、40 s，45.5 ℃、40 s，72 ℃、90 s，30個循環，72 ℃、10 min，12 ℃保存。擴增產物在1%瓊脂糖凝膠電泳檢測。

1.3.4yaaO的克隆與測序

回收純化PCR產物，連接pGEM-T載體并轉化感受態細胞E.coliDH5α。經菌落和質粒PCR驗證后，將陽性重組質粒送至大連TaKaRa公司測序。

1.3.5yaaO序列分析

對yaaO基因的核苷酸及氨基酸Blast進行同源性分析。用BioXM2.6、DNAStar7.1、MEGA5、ClustalX1.81軟件對氨基酸保守結構域進行分析并繪制LDC遺傳進化樹。用Swiss-Model及Deep View Version4.1繪制yaaO蛋白三維結構及標注活性位點。

2 結果與分析

2.1 DNA提取及相關基因的PCR擴增

提取基因組經瓊脂糖電泳檢測，結果（圖1）顯示，提取的DNA濃度較高，結構完整，無顯著降解，可作為模板進行下一步目標基因的擴增。PCR擴增結果使用2%的瓊脂糖電泳進行檢測。如圖2所示，擴增出一條符合1 443 bp大小預期片段。

圖1 枯草芽孢桿菌BJ3-2基因組Fig.1 Genome of Bacillus subtilis BJ3-2

圖2 PCR擴增yaaO基因Fig.2 PCR amplification of yaaO

2.2 重組質粒的轉化與菌落PCR鑒定

對重組體進行菌落PCR檢測，從圖3可以看出，約在1 443 bp處有特異性條帶出現，與預期基因組PCR擴增yaaO基因的目的條帶大小相符，證明獲得了陽性的重組菌落。

2.3 陽性菌落的質粒PCR鑒定

將獲得的陽性重組菌落接種到液體培養基中進行增菌培養，并提取質粒，進行質粒PCR擴增，結果如圖4所示，約在1 443 bp處出現特異性條帶，所獲得的基因片段大小均與前期PCR擴增產物相吻合，說明目的基因已正確連接到pGEM-T載體內，重組質粒構建成功。將提取的質粒送生物公司測序，并命名為pGEM-yaaO。

圖3 菌落PCR鑒定重組子Fig.3 PCR rapid identification of yaaO gene from recombinant clones

圖4 質粒PCR鑒定Fig.4 PCR identification of plasmid

2.4 Bacillus subtilis BJ3-2賴氨酸脫羧酶的同源性分析及系統進化樹

使用DNAStar軟件對測序結果經行分析后表明，B.subtilisBJ3-2賴氨酸脫羧酶基因yaaO的ORF大小為1443bp，共編碼480個氨基酸，起始密碼子為ATG，終止密碼子為TGA。BioXM2.6軟件推測目的基因表達的蛋白質分子質量約為53.22 ku，G+C含量為43.59%，蛋白質等電點（pI）為6.23，其中酸性氨基酸19.8%，堿性氨基酸占13.5%。將基因序列提交至美國國家生物技術信息中心（national center of bio-technology information，NCBI）獲得基因登錄號KJ561349。

將所克隆的目的基因及推測表達的蛋白質序列在NCBI數據庫中進行同源性比對分析。結果表明，B.subtilisBJ3-2的yaaO基因與已報道枯草芽孢桿菌的yaaO基因序列和蛋白序列高度同源，都高達91%以上。與B.subtilis168菌株目的基因的基因序列高度同源達94%，yaaO氨基酸序列高度同源達96%。通過與其他枯草芽孢桿菌的（yaaO）的核苷酸序列比對，序列同源性最高的是Bacillussp.JS（yaaO），達到99%；與枯草桿菌其他種（yaaO）序列同源性也在91%以上。表明本實驗所克隆的目的基因為賴氨酸脫羧酶基因。

B.subtilisBJ3-2賴氨酸脫羧酶氨基酸序列與芽孢桿菌JS（Bacillussp.JS）同源性最高，為99%。與其他枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）假定的賴氨酸脫羧酶氨基酸序列同源性都高達91%以上。其中，與B.subtilisE1精氨酸/賴氨酸氨基酸同源性高達96%；與巴氏芽孢桿菌八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）的精氨酸/賴氨酸/鳥氨酸脫羧酶氨基酸序列同源性也高達96%；與B.subtilisMB73/2菌株轉氨酶第四家族蛋白（aminotransferase class-V family protein）同源性高達96%；與Bacillussp.BSC154同源性高達95%。

B.subtilisBJ3-2 LDC基因同B.subtilisBJ3-2的精氨酸脫羧酶（arginine decarboxylation，ADC）一樣，同屬于PLP依賴型脫羧酶家族的氨基酸保守結構域。作為大多數細菌磷酸吡哆醛（PLP）依賴型脫羧酶的代表——乳酸菌（Lactobacillussp.30a）鳥氨酸脫羧酶家族（ornithine decarboxylase family），具有Ⅲ型PLP型脫羧酶的活性位點、PLP結合位點以及二級結構特征。如圖5所示，選擇Lactobacillussp.30a的鳥氨酸脫羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）氨基酸序列和B.subtilisBJ3-2的ADC氨基酸序列，對照B.subtilisBJ3-2的LDC氨基酸序列進行比對。如圖6所示，選擇高度同源的枯草芽孢桿菌其他菌株LDC序列以及李斯特單核細胞增生菌EGD-e菌株（Listeria monocytogenesEGD-e）的LDC作為厚壁菌門代表，結構域不同的大腸桿菌（E.coliATCC 8739）LDC序列作為參比，增加LDC氨基酸序列所特有保守序列及酶活性位點推測的可靠性。

圖5 B.subtilis BJ3-2ADC/LDC和Lactobacillus sp.30a ODC的氨基酸多序列比對Fig.5 Amino acid sequence alignments of B.subtilis BJ3-2 ADC/LDC and Lactobacillus sp.30a ODC

賴氨酸脫羧酶作為精氨酸/賴氨酸/鳥氨酸脫羧酶家族成員之一，該家族又屬于吡哆醛磷酸鹽（PLP）依賴型天冬氨酸轉氨酶（aspartate aminotransferase，AST）超級大家族。從圖5和圖6對氨基酸脫羧酶結構域分析顯示：B.subtilisBJ3-2 LDC與B.subtilisBJ3-2 ADC一樣，屬于丙氨酸消旋酶家族，在序列的N端含有賴氨酸（單字母縮寫為K）的保守序列[AS]-V-[IV]-K-A[DN]-A-Y-G-H-G，幾乎在所有丙氨酸消旋酶的氨基酸序列存在[7]。且具有PLP依賴型脫羧酶家族的氨基酸保守結構域，即PLP活性位點，包括[FDSAW]、[RNNHKSVYNSA]、[S-X-H-K]，屬于典型的Ⅲ型PLP依賴型鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶家族成員。[FDSAW]是所有氨酸轉氨酶/氨基酸脫羧酶共有的保守結構域，與蛋白二級結構β-折疊有關。[S-X-H-K]序列中Lys（K）是PLP依賴型脫羧酶的活性位點，PLP通過與Lys氨基酸殘基形成醛亞胺鍵（席夫堿），使酶具有催化活性[8-9]。[RNNHKSVYNSA]序列中的His氨基酸殘基改變分子極性作用，是所有脫羧酶及一些其他PLP依賴型酶共有結構域，推測其與催化作用有重要關系[10]。

圖6 B.subtilis BJ3-2和其他細菌LDC/ODC的氨基酸多序列比對Fig.6 Amino acid sequence alignments of LDC/ODC of B.subtilis BJ3-2 and other bacteria

從圖6可以看出，B.subtilisBJ3-2 ADC、B.subtilisBJ 3-2 LDC與Lactobacillussp.30a ODC中還存在[PGHQGG]、[LGDL]、[GD]、[TYDG]、[SPFYPMYAALD]、[DPNK]、[YPPG]高度保守結構域，與賴氨酸脫羧酶家族推測的保守結構域[PGGXGTXXE]得到印證[11]。與圖7相比，[GD]、[TYDG]結構域沒有顯示出高度保守的結構特征，推測[GD]、[TYDG]結構域可能是鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶家族（Orn/Lys/Arg decarboxylase family）所特有的保守結構域，而[GSS]是兩圖對比所共有的結構域，劉艷敏[12]對枯草芽孢桿菌BJ3-2 與其他枯草芽孢桿菌ADC序列同Lactobacillussp.30a ODC 比對發現[PGEK]是B.subtilisBJ3-2 ADC特有的結構域，而[GVPATI]是B.subtilisBJ3-2 LDC與Lactobacillussp.30a ODC特有的結構域，推測該結構域為輔助因子，對鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶的不同代謝的調控具有重要意義。

圖7 不同細菌的精氨酸/鳥氨酸脫羧酶氨基酸序列遺傳進化樹Fig.7 Phylogenetic tree constructed with amino acid sequences of different bacteria LDC/ODC

從圖7遺傳圖譜可以看出，枯草芽孢桿菌LDC均屬于遺傳距離較近的同一進化分支。B.subtilisBJ3-2的與Bacillussp.JS的LDC的遺傳距離最近；與厚壁菌門金黃色釀膿葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和單核細胞增多性李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）EGD-e的LDC遺傳距離次之；與E.coliATCC 8739 LDC以及Lactobacillussp.30a ODC遺傳距離最遠。以上結果表明，B.subtilisBJ3-2與乳酸菌及其他厚壁菌門細菌的遺傳距離接近，具有PLP依賴型脫羧酶家族的氨基酸保守結構域，屬于典型的Ⅲ型PLP依賴型鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶家族（Orn/Lys/Arg decarboxylase family）成員。

2.5 Bacillus subtilis BJ3-2 LDC蛋白質三維結構預測

使用SWISS-MODEL在線分析[13]，輸入Bacillus subtilisBJ3-2 LDC氨基酸序列進行在線蛋白質三維結構預測。結果顯示，該蛋白質與數據庫里的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistantStaphylococcus aureus）的鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶家族蛋白質SAR0482同源性（identity）最高，為39.22%。Deep View Version1.3對該序列進行編輯，預測的蛋白質三維結構，如圖8所示，Ser-X-His-Lys是經典的脫羧酶的指紋圖譜序列[14]。

圖8 B.subtilis BJ3-2 LDC蛋白質三維結構Fig.8 B.subtilis BJ3-2 LDC three dimensional protein structure

3 結論

經多序列氨基酸比對，B.subtilisBJ3-2的LDC包含PLP依賴型脫羧酶家族的氨基酸保守結構域。轉氨酶的輔因子為磷酸吡哆素，通過磷酸吡哆醛（PLP）與磷酸吡哆胺（phosphopyridoxamine，PMP）的轉化，形成希夫堿中間產物，使一個氨基酸轉變為α-酮酸，另一個α-酮酸轉變為新的氨基酸[15]。通過對賴氨酸脫羧酶氨基酸的序列分析，推測其鳥氨酸/賴氨酸/精氨酸脫羧酶家族保守結構域和蛋白二級結構及酶催化活性位點。從其代謝途徑出發，通過分析LDC酶活性結構，為控制豆豉發酵過程中生物胺-尸胺含量，提供一定的理論基礎。

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