草酸脫羧酶促進草酸鈣結晶溶解的體外研究

賀俊斌，龍 寒，林日輝，梁宇薇，陳陽陽，高 華，黃奇良

（1.廣西民族大學海洋與生物技術學院，廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室，廣西 南寧 530006；2.廣西民族大學化學化工學院，化學與生物轉化過程新技術廣西高校重點實驗室，廣西 南寧 530006）

草酸脫羧酶促進草酸鈣結晶溶解的體外研究

賀俊斌1，龍 寒1，林日輝2,*，梁宇薇1，陳陽陽1，高 華1，黃奇良2

（1.廣西民族大學海洋與生物技術學院，廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室，廣西 南寧 530006；2.廣西民族大學化學化工學院，化學與生物轉化過程新技術廣西高校重點實驗室，廣西 南寧 530006）

在體外實驗條件下，考察了加酶量、反應pH值、反應溫度及其產物甲酸根等因素對草酸脫羧酶催化草酸降解從而促進草酸鈣結晶重新溶解過程的影響。結果表明，在10 mL反應體系中，添加4 U草酸脫羧酶，反應pH 3.0，反應溫度為37 ℃，反應進行1 周（168 h），可使近5%的草酸鈣結晶重新溶解；實驗結果表明，草酸降解產物甲酸根對草酸脫羧酶促進草酸鈣結晶溶解產生抑制作用。

草酸脫羧酶；草酸鈣；溶解

泌尿系結石是泌尿外 科的常見病和多發病，該病的主要特點是臨床治愈后具有明顯的復發傾向，大約25%～75%的患者在初次發病后的10～20 a內會再次發生結石，給患者帶來了極大的痛苦。研究表明，泌尿系結石中大約有70%～80%為草酸鈣結石[1-2]。目前，雖然這類疾病可通過物理、化學方法，如化學藥物治療、體外沖擊波碎石術、輸尿管鏡碎石術、經皮腎鏡取石術等[3]方法治療，并取得一定療效，但物理化學方法對人體副作用較大、治療費用昂貴，且結石復發率高。因此，尋求較溫和的治療方法，減輕結石病患者的痛苦顯得尤為重要。生物酶具有高效性、專一性和溫和性等作用特點，且已經有服用某種酶制劑進行降解人體內的草酸鹽以預防治療草酸鹽結石癥的報道[4-5]。因此，利用可分解草酸的酶制成酶制劑，以預防治療草酸鈣結石癥已成為重要的研究方向。

草酸脫羧酶（oxalate decarboxylase，Oxdc，EC 4.1.1.2）是一種包含Mn2+的均一聚合酶，催化草酸轉化為甲酸和CO2（圖1），屬cupin蛋白超家族，是植物、微生物中草酸代謝降解的主要催化酶之一[6]。該酶最早由Shimazono[7]發現于白腐菌中，它主要來源于黑曲霉、核盤菌、金針菇和褐腐菌等真菌[8]，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）在低pH值條件下也能誘導合成Oxdc[9]，動物中只在豚鼠（天竺鼠）的肝臟中發現該酶[10]。基于Oxdc廣泛的微生物來源、對底物的高度特異性以及酶促反應的高效性等特點，將該酶應用于農業、食品、工業生產、醫療等領域中的草酸鹽降解獲得了廣泛的關注[11-12]。

圖1 Oxdc催化草酸的脫羧反應Fig.1 Decarboxylation of oxalic acid catalyzed by oxalate decarboxylase

溶解與結晶是一個反應平衡，只要不斷移除或破壞溶質分子，就可以使平衡向溶解方向移動。為了探討Oxdc催化草酸降解對草酸鈣結晶重新溶解的促進作用，本實驗在體外模擬尿液環境，采用來源于Bacillus subtilis 的Oxdc處理草酸鈣結晶物，通過電感耦合等離子體原子發射光譜法[13-14]（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）測定反應體系中Ca2+濃度的變化，評價Oxdc在體外促進草酸鈣結晶溶解的能力及影響因素，以期為Oxdc酶制劑應用于防治草酸鈣結石癥提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

基因工程菌E. coli BL21（DE3）/pET32a/YvrK廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室保存；LB培養基組成：1 L培養基含蛋白胨10 g、酵母提取物5 g、NaCl 10 g；LB固體培養基添加18 g瓊脂粉。

草酸鉀、甲酸脫氫酶（formate dehydrogenase，FDH） 美國Sigma公司；氨芐青霉素 美國Amresco公司；異丙基硫代-β-D-半乳糖苷（isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside，IPTG） 德國Merck公司；煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD） 瑞士Roche公司；其他試劑均為國產分析純。模擬尿液：配制pH 4.0的醋酸鹽緩沖液，添加尿液中的主要成分[15]：NaCl、枸櫞酸三鈉、Na2SO4、NaH2PO4、MgSO4、KCl、NH4Cl。

HisTrap HP親和柱和凝膠成像系統 美國Bio-Rad公司；快速蛋白液相色譜系統 美國通用公司；TU-1901紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器公司；CR-22G高速冷凍離心機 日本日立公司；Sigma 1-13高速臺式離心機 美國Sigma公司；超低溫冰箱 美國Beckman公司；4 ℃冰箱 中國海爾集團；JY92-Ⅱ超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；電子天平梅特勒-托利多儀器有限公司；iCAP 6300型電感耦合等離子體發射光譜儀 美國Thermo Scientific公司。

1.2 方法

1.2.1 Oxdc的制備與酶活力檢測

Oxdc的制備參考文獻[16-17]方法，培養發酵基因工程菌E. coli BL21（DE3）/pET32a/YvrK，添加IPTG至終濃度0.4 mmol/L，誘導表達4 h后，離心收集菌體，以pH 8.0磷酸鹽緩沖液重懸菌體，超聲破碎，收集上清即為粗酶液，用快速蛋白質液相色譜系統AKTA-FPLC對粗酶液進行純化。使用AKTA-FPLC系統對Oxdc粗酶液進行純化前，預先用 0.45 μm孔徑水性濾膜對Oxdc粗酶液進行抽濾，去除部分顆粒雜質。方法：1）平衡，在親和柱上樣前先用緩沖液A過柱，平衡至基準線基本形成一條直線；2）上樣，將預處理的粗酶液在冰浴條件下以1 mL/min流速過柱，蛋白質即吸附在親和柱上；3）洗脫，親和柱先用A液洗脫80 mL，含A液90%、B液10%的混合緩沖液洗脫40 mL，再將B液體積分數從10%升至100%進行線性洗脫。具體溶液配制：A液，配制50 mmol/L pH 8.0磷酸鹽緩沖液，加入咪唑至終濃度20 mmol/L，NaCl至終濃度0.5 mol/L，調節pH值至8.0；B液，配制50 mmol/L pH 8.0磷酸鹽緩沖液，加入咪唑至終濃度500 mmol/L，NaCl至終濃度0.5 mol/L，調節pH值至8.0。收集出峰的對應管即為Oxdc純化酶。

Oxdc的酶活力測定參考文獻[18]方法。酶活力單位（ U）定義為：每分鐘催化轉化草酸產生1 μmol甲酸的酶量為一個酶活力單位。

蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定，以牛血清白蛋白作為標準。實驗測得Oxdc純化酶活力為14.33 U/mL，蛋白質含量為2.26 mg/mL。

1.2.2 標準溶液的制備及標準曲線的繪制

Ca標準儲備液：準確稱取甲酸鈣結晶0.130 1 g（精確至0.000 1 g），放入100 mL容量瓶中，用上述模擬尿液定容。標準工作液：配制不同濃度的Ca標準溶液，供電感耦合等離子體發射光譜儀測定。

以模擬尿液作為零點，測定系列濃度的Ca2+標準溶液，以Ca2+濃度為橫坐標，信號強度為縱坐標，建立標準曲線。結果表明，在譜線373.69 nm波長處進行測定，Ca靈敏度高，無其他光譜干擾；Ca2+的濃度在0.005～2.56 mmol/L范圍內時，線性關系良好，其回歸方程為：y=288 301x+6 882.5，相關系數為0.999 0。

1.2.3 Oxdc溶解草酸鈣結晶的實驗

1.2.3.1 加酶量對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

準確稱取25 mg（精確至0.000 1 g）草酸鈣結晶置于錐形瓶中，加入10 mL模擬尿液，再分別加入1、2、4 U Oxdc，混勻后，37 ℃恒溫振蕩進行溶解反應，設計3 組平行實驗，定時取樣檢測體系中Ca2+濃度的變化，取平均值。

1.2.3.2 反應pH值對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

準確稱取25 mg（精確至0.000 1 g）草酸鈣結晶置于錐形瓶中，加入10 mL模擬尿液，調節pH值分別至2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.5、6.5，分別加入4 U Oxdc，混勻后，37 ℃恒溫振蕩進行溶解反應1 周，并做空白對照實驗（不加Oxdc）；設計3 組平行實驗，測定體系中Ca2+的濃度，取平均值。

1.2.3.3 反應溫度對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

準確稱取25 mg（精確至0.000 1 g）草酸鈣結晶置于錐形瓶中，加入10 mL模擬尿液，加入4 U Oxdc，混勻后，分別在30、33、35、37、40 ℃條件下恒溫振蕩進行溶解反應1 周，并做空白對照實驗（不加Oxdc），設計3 組平行實驗，測定體系中Ca2+的濃度，取平均值。

1.2.3.4 反應產物對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

準確稱取25 mg（精確至0.000 1 g）草酸鈣結晶置于錐形瓶中，加入10 mL模擬尿液，分別加入0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mmol/L的甲酸鈉，再分別加入4 U Oxdc，混勻后，37 ℃恒溫振蕩進行溶解反應1 周；并做空白對照實驗（不加Oxdc），設計3 組平行實驗，測定體系中Ca2+的濃度，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同加酶量對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

圖2 加酶量對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響Fig.2 Effect of Oxdc dosage on the dissolution of calcium oxalate crystals

如圖2所示，添加不同酶量的Oxdc對催化草酸鈣結晶溶解的速率有很大的影響。隨Oxdc用量的增加及反應時間的延長，催化草酸鈣結晶溶解產生的Ca2+增多；添加1 U Oxdc的催化反應在96 h前Ca2+濃度呈現逐漸上升的趨勢，隨后基本保持平衡。添加2 U Oxdc的催化反應中，隨著反應時間的延長，體系中Ca2+的濃度逐漸上升，并在168 h后Ca2+濃度達到最大值0.89 mmol/L，相當于溶解了1.30 mg的草酸鈣結晶。添加4 U Oxdc的催化反應中，隨著反應時間的延長，草酸鈣結晶溶解的速率明顯加快，并在120 h時趨于平緩，反應進行168 h后，體系中Ca2+濃度達到最大值1.14 mmol/L，相當于溶解了1.67 mg的草酸鈣結晶。而不加Oxdc的空白對照組中Ca2+濃度基本保持不變，說明Oxdc可催化草酸鈣結晶進行進一步的溶解。

2.2 不同反應pH值對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

圖3 反應pH值對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響Fig.3 Effect of pH on the dissolution of calcium oxalate crystals

如圖3所示，在不同反應pH值的模擬尿液中進行Oxdc溶解草酸鈣結晶的反應，未加Oxdc的空白對照組在pH 2.5～4.5之間Ca2+濃度基本保持不變，之后隨著pH值的增加，草酸鈣結晶的溶解速率迅速減小，這可能是因為模擬尿液中的枸櫞酸鹽等相關成分影響了草酸鈣結晶的溶解，從而降低了體系中Ca2+的含量。而添加4 U Oxdc的反應體系中Ca2+濃度在pH 3.0時達到最大值（約1.08 mmol/L），隨后逐漸下降，并在pH 5.5時體系中Ca2+的濃度與未加Oxd c的空白對照組相比無明顯變化，這與Oxdc的酶活力相關，因為Oxdc進行催化反應的pH值偏酸性（最適pH 3.5），當pH＞4.5時酶促反應速率隨pH值升高而下降，pH 6.5時酶活力基本喪失。

2.3 不同反應溫度對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

圖4 反應溫度對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響Fig.4 Effect of temperature on the dissolution of calcium oxalate crystals

如圖4所示，隨著反應溫度的升高，添加4 U Oxdc的反應體系中Ca2+濃度呈現逐漸上升的趨勢，并在37 ℃時其溶解速率趨于平緩，而未加Oxdc的反應體系中Ca2+濃度基本保持不變。說明Oxdc在37～40 ℃條件下進行催化反應，可達到相對較高的酶活力，這與Oxdc在35～40 ℃條件下，既可達到相對較高的酶活力，又可避免高溫對酶結構破壞的結果一致[16]。

2.4 反應產物濃度對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響

Ox dc催化草酸鈣結晶轉化為甲酸鈣和CO2，其催化反應速率在某種程度上受產物的抑制作用[19]。研究表明，產物甲酸根可能與Oxdc結構中的錳離子結合位點結合，從而抑制Oxdc的酶活性[20]。產物影響Oxdc溶解草酸鈣結晶 反應的結果如圖5所示，隨著體系中甲酸根的增多，未加Oxdc的空白對照實驗中Ca2+濃度逐漸下降，這是由于甲酸根對草酸鈣結晶具有較強的聚集作用，從而減小草酸鈣結晶的溶解性；而添加4 U Oxdc的反應體系中Ca2+濃度也隨著產物甲酸根的增多而減小，并在甲酸根達到0.8 mmol/L時Ca2+濃 度達到最小值，隨后趨于平衡，說明催化反應體系中添加的甲酸根與產物甲酸根達到一定濃度時會對Oxdc的結構產生 影響，當添加的甲酸根達到0.8 mmol/L時，Oxdc的酶活力可能基本喪失，草酸鈣結晶溶解的速率降低，這與添加200 μg Oxdc于10 mL pH 4.2的醋酸鹽緩沖液中進行草酸鈣結晶溶解反應5 d后，體系中再添加10 U FDH和1 U NAD+進行將甲酸鹽轉化為碳酸氫鹽，從而減小產物抑制作用，增加草酸鈣結晶溶解速率的結果一致[21]。

圖5 反應產物對Oxdc溶解草酸鈣結晶的影響Fig.5 Effect of reaction product on the dissolution of calcium oxalate crystals

3 結 論

本實驗在體外模擬尿液體系中采用來源于Bacillus subtilis的Oxdc進行了草酸鈣結晶重溶解的實驗，通過測定催化反應體系中Ca2+的濃度變化，評價了Oxdc在體外溶解草酸鈣結晶的能力及影響因素。結果表明，隨著加酶量的增加，Oxdc催化草酸鈣結晶溶解的速率加快，添加4 U Oxdc進行催化草酸鈣結晶溶解168 h后，可溶解約6.68%的草酸鈣結晶，而未加Oxdc的空白對照組中溶解了約1.8%的草酸鈣結晶。考察影響因素研究發現，當模擬尿液pH值為3.0，反應溫度在37～40 ℃條件下，Oxdc催化草酸鈣結晶溶解的速率最快；而產物甲酸根是影響Oxdc催化草酸鈣結晶溶解速率的重要因素，當反應體系中產生的甲酸根達到一定濃度時，Oxdc的結構可能受到影響，因而影響了Oxdc的酶活性，減小了草酸鈣結晶溶解的速率。因此，Oxdc催化草酸鈣結晶溶解的過程中，應通過添加其他分解甲酸根的酶或替代品，減少產物抑制酶活性的作用，以提高草酸鈣結晶溶解的速率。此外，來源于Bacillus subtilis的Oxdc催化草酸分解的Km為15 mmol/L[20]，在上述實驗中獲得的最大反應速率未達到該酶真正的最大反應速率。因此，對來源于Bacillus subtilis的Oxdc進行突變改造或化學修飾，降低反應Km，改善其催化性能是后續研究的重要工作之一。本實驗為Oxdc應用于防治草酸鈣結石癥提供了理論基礎。

[1] ASPLIN J R. Hyperoxaluric calcium nephrolithiasis[J]. Endocrinology and Metabolism Clinics of North America, 2002, 31(4): 927-949.

[2] COE F L, EVAN A, WORCESTER E. Kidney stone disease[J]. Journal of Clinical Investigation, 2005, 115(10): 2598-2608.

[3] 楊壽佐. 泌尿系結石治療新進展[J]. 臨床合理用藥雜志, 2011(32): 130-131.

[4] SHENOY B C, CACHERO T G, SHIN J, et al. Crystallized oxalate decarboxylase and methods of use: US, 8142775[P]. 2012-03-27.

[5] GRUJIC D, S ALIDO E C, SHENOY B C, et al. Hyperoxaluria is reduced and nephrocalcinosis prevented with an oxalate-degrading enzyme in mice with hyperoxaluria[J]. American Journal of Nephrology, 2009, 29(2): 86-93.

[6] 趙樹田, 張士青. 草酸代謝酶的研究進展[J]. 上海交通大學學報: 醫學版, 2007, 27(10): 1274-1277.

[7] SHIMAZONO H. Oxalic acid decarboxylase, a new enzyme from the mycelium of wood destroying fungi[J]. Journal of Biochemistry, 1955, 42(3): 321-340.

[8] M?KEL? M R, HILDéN K, LUNDELL T K. Oxalate decarboxylase: biotechnological update and prevalence of the enzyme in filamentous fungi[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010, 87(3): 801-814.

[9] TANNER A, BORNEMANN S. Bacillus subtilis YvrK is an acidinduced oxalate decarboxylase[J]. Journal of Bacteriology, 2000, 182(18): 5271-5273.

[10] MURTHY M, TALWAR H S, NATH R, et al. Oxalate decarboxylase from guinea-pig liver[J]. IRCS Medical Science-Biochemistry, 1981, 9(8): 683-684.

[11] 曹茂新, 洪楓, 朱利民. 草酸脫羧酶及其應用[J]. 中國生物工程雜志, 2005, 25(B04): 170-175.

[12] 舒佳賓, 官春云. 草酸脫羧酶的性質及應用[J]. 中國油料作物學報, 2012, 34(1): 109-113.

[13] 胡友波, 李東剛, 孫長華. 電感耦合等離子體發射光譜法分析小麥粉制品中的K、Na、Ca、Mg、Al、Ti[J]. 化學分析計量, 2011(1): 29-31.

[14] 郭琳, 趙懷穎, 溫宏利, 等. 電感耦合等離子體發射光譜法同時測定鹵水中鋰鈉鉀鈣鎂硼硫氯[J]. 巖礦測試, 2012, 31(5): 824-828.

[15] BURNS J R, FINLAYSON B. A proposal for a standard reference artificial urine in in vitro urolithiasis experiments[J]. Investigative Urology, 1980, 18(2): 167-169.

[16] 林日輝, 許麗莉, 農勉, 等. 重組草酸脫羧酶的表達及酶學性質研究[J].食品與發酵工業, 2011, 37(2): 57-61.

[17] 梁躍. 草酸脫羧酶的無載體固定化及化學修飾的研究[D]. 南寧: 廣西民族大學, 2012: 1-36.

[18] SVEDRUZIC D, LIU Y, REINHARDT L A, et al. Investigating the roles of putative active site residues in the oxalate decar boxylase from Bacillus subtilis[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2007, 464(1): 36-47.

[19] CLELAND W W. The kinetics of enzyme-catalyzed reactions with two or more substrates or products: III. Prediction of initial velocity and inhibition patterns by inspection[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Specialized Section on Enzymological Subjects, 1963, 67: 188-196.

[20] TANNER A, BOWATER L, FAIRHURST S A, et al. Oxalate decarboxylase requires manganese and dioxygen for activity. Overexpression and characterization of Bacillus subtilis YvrK and YoaN[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276(47): 43627-43634.

[21] THALJI N K, RICHARDS N G, PECK A B, et al. Enzymatic dissolution of calcium and struvite crystals: in vitro evaluation of biochemica l requirements[J]. Urology, 2011, 78(3): 713-721.

Oxalate Decarboxylase Promotes the in vitro Dissolution of Calcium Oxalate Crystals

HE Junbin1, LONG Han1, LIN Rihui2,*, LIANG Yuwei1, CHEN Yangyang1, GAO Hua1, HUANG Qiliang2
(1. Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Utilization of Microbial and Botanical Resources, School of Marine Sciences and Biotechnology, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China; 2. Key Laboratory of New Techniques for Chemical and Biological Conversion Process, School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

Crystallization of calcium oxalate in the urinary system is one of the important causes of urinary stones, and enzymatic degradation of oxalic acid for preventing calcium oxalate stones has become a research hotspot. Under in vitro experimental conditions, the factors that affect the re-dissolution of calcium oxalate crystals catalyzed by oxalate decarboxylase were studied. The results indicated that when 4 U of oxalate decarboxylase was added to the 10-mL reaction system which was subsequently allowed to react at pH 3.0 and 37 ℃ for a week, the re-dissolution rate of calcium oxalate crystals was approximately 5%. The experimental results showed that the degradation product formate produced an inhibitory effect on the re-dissolution of calcium oxalate crystals catalyzed by oxalate decarboxylase. This experiment provides a theoretical reference for the study of enzyme preparation to control calcium oxalate stones.

oxalate decarboxylase; calcium oxalate; dissolution

Q814

A

1002-6630（2015）19-0159-04

10.7506/spkx1002-6630-201519028

2014-10-22

教育部留學回國人員科研啟動基金項目（教外司留[2012]1707號）；廣西自然科學基金項目（2014jjAA20030）

賀俊斌（1992-），男，碩士研究生，主要從事生物化工研究。E-mail：hejunbin556298@163.com

*通信作者：林日輝（1972-），男，研究員，博士，主要從事化學與生物轉化研究。E-mail：rihuilin@aliyun.com