魏 貞,韓彩靜,高云娜,樊占青,王亞南,王哲人,閔偉紅
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130118)
北京棒桿菌天冬氨酸激酶(Corynebacterium pekinenseaspartate kinase,CpAK)是一種新型的單體別構(gòu)酶[1],受蘇氨酸(Thr)和賴氨酸(Lys)的協(xié)同反饋抑制[2],致使天冬氨酸族氨基酸難以大量積累。與北京棒桿菌不同的是,AK在其他生物體內(nèi)有不同的存在形式和抑制機(jī)制,擬南芥(Arabidopsis thaliana)含有3 種單功能AK(AKI、AKII和AKIII)和2 種雙功能AKHSDH(I和II)[3-4],其中AKI受Lys和甲硫氨酸(Met)的抑制[5-7];大腸桿菌中含有1 種單功能AKIII和2 種雙功能AK-HSDHI、AK-HSDHII[8-9],AK-HSDHI受Thr抑制[10],AK-HSDHII受L型Met阻遏,而AKIII受Lys抑制[11]。谷氨酸棒桿菌AKII以協(xié)同方式被Lys和Thr抑制[12]。
由于AK在代謝途徑中受協(xié)同反饋調(diào)節(jié),因此通過解除反饋抑制提高下游代謝產(chǎn)物產(chǎn)量成為研究熱點(diǎn)。目前對(duì)AK的改造主要通過質(zhì)粒重組[13-14]、基因敲除[15]、定點(diǎn)突變[16-19]等方式進(jìn)行,其中定點(diǎn)突變技術(shù)應(yīng)用較普遍。Chen Zhen等[16]分析了谷氨酸棒桿菌AK調(diào)節(jié)域中的關(guān)鍵性殘基位點(diǎn),利用定點(diǎn)突變技術(shù)對(duì)酶定向改造,從而削弱了Thr和Lys的協(xié)同反饋抑制作用。也有研究篩選出谷氨酸棒桿菌AK中抑制劑結(jié)合位點(diǎn)和底物結(jié)合位點(diǎn)周圍的關(guān)鍵殘基,獲得了解除Lys和Thr反饋抑制且酶活力提高的突變株R169Y、R169P、T379L和A380I,為優(yōu)化AK代謝途徑和構(gòu)建多突變體優(yōu)良菌株提供參考和依據(jù)[1,17-18]。
目前對(duì)CpAK的改造主要集中在抑制劑位點(diǎn)[18-23],對(duì)其底物結(jié)合位點(diǎn)和ATP結(jié)合位點(diǎn)的改造鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。AK催化反應(yīng)機(jī)理是將ATP的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物使底物磷酸化,因此ATP對(duì)酶活性具有重要作用[24]。Li Changcheng等[25]報(bào)道在銅綠假單胞菌AK中對(duì)ATP結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行雙突變,D182/R184A酶活力降低到60%,證明ATP結(jié)合口袋對(duì)酶活力有重要影響。本研究選取ATP周圍的關(guān)鍵位點(diǎn)Tyr198和Asp201,對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變,采用高通量篩選獲得酶活力提高并解除反饋抑制的突變株,以期為解除AK反饋抑制提供可參考的理論依據(jù)。
重組大腸桿菌(pET-28a-AK/BL21)由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)室提供;大腸桿菌BL21(DE3) 北京鼎國昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司。
質(zhì)粒抽提試劑盒、Taq酶、核酸電泳Marker、DpnI酶大連TaKaRa公司;十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)試劑盒 北京鼎國昌盛生物技術(shù)有限公司;非變性鎳柱及柱料 美國GE公司;引物合成和測序由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。
LB液體培養(yǎng)基:1%蛋白胨,1%氯化鈉,0.5%酵母浸粉,溶解于去離子水后,用2 mol/L NaOH溶液調(diào)pH值至中性,121 ℃滅菌20 min;LB固體培養(yǎng)基在此基礎(chǔ)加1.8%瓊脂粉。
梯度聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀 德國Eppendorf公司; Spectra Max 190酶標(biāo)儀美國Molecular Devices公司;超聲破碎儀 寧波新芝生物科技有限公司;Z36HK低溫高速離心機(jī) 德國Hermle公司;蛋白印記轉(zhuǎn)膜儀 美國Bio-Rad公司;SE260蛋白電泳儀、瓊脂糖凝膠成像儀 美國GE公司。
1.3.1 引物設(shè)計(jì)及定點(diǎn)飽和突變
利用Primer 5.0軟件對(duì)位點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,雙突變體上游引物F-y198n/d201m:5’-CGGCATAGCGGTATTCACACCGT CAACG-3’;下游引物R-y198n/d201m:5’-CGTTGACG GTGTGAATACCGCTATGCCGC-3’。按照說明書提取質(zhì)粒pET-28a-AK,以pET-28a-AK為模板對(duì)其進(jìn)行全質(zhì)粒擴(kuò)增,反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性1 min;94 ℃變性1 min,56 ℃退火1 min,72 ℃延伸10 min,18 個(gè)循環(huán),72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。
1.3.2 擴(kuò)增產(chǎn)物消化及轉(zhuǎn)化
1.3.1 節(jié)中PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖核酸電泳驗(yàn)證成功后用DpnI酶消化,反應(yīng)體系為PCR產(chǎn)物2 μL、10×T Buffer 2 μL、DpnI酶0.3 μL、ddH2O 15.7 μL,37 ℃水浴2 h。
取1~2 μL消化產(chǎn)物加入BL21感受態(tài)細(xì)胞,冰浴30 min,42 ℃熱激42 s,再冰浴5 min后加入800 μL LB液體培養(yǎng)基,37 ℃、180 r/min振蕩培養(yǎng)2 h,6 000 r/min離心5 min,棄700 μL上清液,將剩余上清液與菌體吹打混勻后涂布LB固體培養(yǎng)基,37 ℃過夜培養(yǎng)。
1.3.3 突變株高通量篩選及AK基因驗(yàn)證
挑取單菌落于LB液體培養(yǎng)基(含50 μg/mL卡那霉素)中擴(kuò)大培養(yǎng),加入終濃度為1 mmol/L異丙基硫代-β-D-半乳糖苷(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside,IPTG)誘導(dǎo)表達(dá)后進(jìn)行高通量篩選,方法見文獻(xiàn)[20],選取酶活力提高較高的突變株于5 mL LB液體培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng),37 ℃、180 r/min培養(yǎng)12 h。以菌液為模板,用克隆引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系及條件見文獻(xiàn)[26],PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖核酸電泳驗(yàn)證,驗(yàn)證成功的菌株送至生工生物工程(上海)股份有限公司測序。
1.3.4 AK誘導(dǎo)表達(dá)及蛋白純化
菌株活化后以2%接種量轉(zhuǎn)入100 mL LB液體培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng),加入誘導(dǎo)劑IPTG(終濃度1 mmol/L)誘導(dǎo)8 h,4 ℃、8 000 r/min離心10 min,棄去上清液收集菌體。粗酶液制備方法及純化方法參照文獻(xiàn)[23],粗酶液和純化液經(jīng)SDS-PAGE和Western blot進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)步驟參考文獻(xiàn)[1]。
1.3.5 AK活力測定及動(dòng)力學(xué)分析
反應(yīng)速率V定義為1 min內(nèi)1 mg酶的催化能力,單位為U/(mg·min),其中1 mL酶活力測定反應(yīng)體系參考文獻(xiàn)[18],在反應(yīng)體系其他條件不變的情況下,改變底物濃度(分別為0.5、1、3、5、7、9、10、12、14、16 mmol/L)于540 nm波長處測其吸光度,并計(jì)算AK比活力,通過Origin 8.5軟件中的Hill方程V=VmaxSn/(Kn+Sn)進(jìn)行非線性擬合。
1.3.6 AK酶學(xué)性質(zhì)分析
1.3.6.1 最適溫度
反應(yīng)體系不變的情況下,在不同溫度(15、20、25、26、28、30、35、40、45、50 ℃)反應(yīng)30 min,每組樣品3 次平行,最高酶活力定義為100%。
1.3.6.2 最適pH值
反應(yīng)體系不變的情況下,調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中Tris-HCl緩沖液pH值(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0),每組樣品3 次平行,最高酶活力定義為100%。
1.3.6.3 穩(wěn)定性
在最適溫度和最適pH值下,將AK純化酶液加入反應(yīng)體系中反應(yīng)30 min后測定酶活力,此時(shí)酶活力定義為100%,以后每隔1 h檢測酶活力,每組樣品3 次平行。
1.3.6.4 底物抑制劑對(duì)AK活力的影響
在反應(yīng)體系中加入不同底物抑制劑Lys、Thr、Met、Lys+Thr、Lys+Met、Thr+Met、Lys+Thr+Met(終濃度分別為0.2、1.0、5.0、10.0 mmol/L),以檢測抑制劑對(duì)AK活力的影響,每組樣品3 次平行,不添加底物抑制劑的對(duì)照組相對(duì)酶活力定義為100%。
采用Clustal X 1.81進(jìn)行同源序列比對(duì),比對(duì)結(jié)果用軟件ESPript 3.0進(jìn)行修飾,并利用PyMOL軟件對(duì)AK模型進(jìn)行分析,Tyr198位點(diǎn)和Asp201位點(diǎn)均為保守位點(diǎn)且位于ATP周圍,如圖1A、B所示。在前期研究基礎(chǔ)中,對(duì)CpAK突變體A380I利用Gromacs軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬(53A6力場描述蛋白質(zhì)和配體,配體參數(shù)由PRODRG2.5服務(wù)器提供),通過分子動(dòng)力學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)殘基Tyr198與ATP之間的氫鍵占有率增加,其中ATP∶N5與Tyr198∶O之間氫鍵占有率由42.48%增加到54.35%,Tyr198∶CD1與ATP∶C10之間氫鍵占有率由0%增加到31.97%,從而與ATP交互作用增強(qiáng),因此推測Tyr198位點(diǎn)是ATP周圍的關(guān)鍵位點(diǎn)[1]。通過模型空間結(jié)構(gòu)比對(duì)(圖1C),CpAK Asp201位點(diǎn)對(duì)應(yīng)于甲烷球菌AK(Methanococcus jannaschiiAK,MjAK)(PDB:2hmf)Asp239位點(diǎn),而MjAK Asp239位點(diǎn)參與催化反應(yīng)。設(shè)想Asp201位點(diǎn)對(duì)于酶活力提高有重要作用[27]。因此在本研究中選取Tyr198和Asp201位點(diǎn)作為定點(diǎn)飽和突變位點(diǎn)。

圖1 ATP結(jié)合位點(diǎn)的篩選Fig.1 Selection of ATP binding sites
以質(zhì)粒pET-28a-AK為模板,在Y198N/D201M的引物作用下進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變PCR擴(kuò)增,如圖2A所示,在7 000 bp附近有條帶,初步證明突變成功。PCR產(chǎn)物經(jīng)消化酶DpnI處理后導(dǎo)入到大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞中,通過高通量篩選獲得高AK活力菌株,對(duì)菌液進(jìn)行PCR驗(yàn)證,在1 000~2 000 bp之間有單一明顯條帶,其與目的基因CpAK長度1 266 bp相符,表明目的基因AK實(shí)現(xiàn)了大量復(fù)制(圖2B)。測序結(jié)果如圖2C所示,AK氨基酸序列中198位點(diǎn)由Tyr突變成Asn,201位點(diǎn)由Asp突變成Met,即表明雙突變體Y198N/D201M構(gòu)建成功。

圖2 突變體Y198N/D201M的構(gòu)建Fig.2 Construction of mutant Y198N/D201M

圖3 SDS-PAGE(A)及Western blot(B)結(jié)果Fig.3 Results of SDS-PAGE (A) and Western blot (B)
對(duì)WT和突變體菌株分別進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)及非變性鎳柱純化,將獲得的AK粗酶液和AK純化液進(jìn)行SDS-PAGE及Western blot電泳驗(yàn)證,結(jié)果如圖3所示。在48 kDa左右處均有明亮單一條帶,表明AK蛋白在誘導(dǎo)劑IPTG的作用下成功表達(dá)。

圖4 WT和Y198N/D201M的動(dòng)力學(xué)分析Fig.4 Kinetic analysis of WT and mutant Y198N/D201M

表1 WT AK及Y198N/D201M動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of WT AK and mutant Y198N/D201M
單體AK的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合Hill方程V=VmaxSn/(Kn+Sn),是典型的別構(gòu)酶。Km值表示酶促反應(yīng)的初速率為最大速率Vmax一半時(shí)的底物濃度,單位一般為mmol/L或者μmol/L,Km只與酶的性質(zhì)有關(guān),而與酶濃度無關(guān)。Vmax表示在一定酶量下的最大反應(yīng)速率,即酶完全被底物飽和時(shí)的反應(yīng)速度,與酶濃度呈正比[28]。n值表示希爾系數(shù),代表協(xié)同性,其中n<1表示負(fù)協(xié)同反應(yīng):一旦一個(gè)配體分子結(jié)合到酶上,酶對(duì)其他配體的親和力就會(huì)減小;n=1表示非協(xié)同反應(yīng):酶對(duì)于一個(gè)配體分子的親和力并不取決于是否有配體分子已結(jié)合到其上;n>1表示正協(xié)同反應(yīng):一旦一個(gè)配體分子結(jié)合到酶上,酶對(duì)其他配體的親和力就會(huì)增大[29]。
對(duì)WT和突變體AK純化液分別進(jìn)行酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析,結(jié)果如圖4和表1所示。WT AKn值為1.91,表明AK呈正協(xié)同性,突變體Y198N/D201M AK的n值為1.58,n值降低,表明突變后AK的正協(xié)同性降低;突變后AK的Km值由3.58 mmol/L降至2.37 mmol/L,表明突變使得AK與底物親和力增強(qiáng);Y198N/D201M AK的Vmax為65.19 U/(mg·min),較WT AKVmax(3.57 U/(mg·min))提高到18.26 倍。
2.5.1 溫度對(duì)AK活力的影響
由圖5A可知,WT AK最適溫度為25 ℃,突變體Y198N/D201M AK最適溫度為28 ℃,突變后最適溫度提高3 ℃,說明突變有效改善了AK的最適溫度。WT AK溫度敏感性高,可適溫度區(qū)間較小,當(dāng)溫度高于35 ℃時(shí),AK活力急劇下降,而突變體Y198N/D201M AK在15~45 ℃溫度范圍內(nèi),相對(duì)酶活力仍保持在55%以上,說明突變后酶耐高溫性能增強(qiáng)。

圖5 WT和Y198N/D201M的酶學(xué)性質(zhì)表征Fig.5 Enzymatic properties of WT and mutant Y198N/D201M
2.5.2 pH值對(duì)AK活力的影響
由圖5B可知,WT AK最適pH值為8.0,突變后AK最適pH值由8.0降低至7.5,同時(shí),耐受pH值區(qū)間也變廣,在pH 6.5~8.5范圍內(nèi)相對(duì)酶活力保持在70%以上,這將有利于菌株氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)。
2.5.3 AK穩(wěn)定性
在最適溫度和最適pH值的基礎(chǔ)上,測定酶的穩(wěn)定性,如圖5C所示。WT AK的半衰期為4.66 h,而Y198N/D201M AK的半衰期為5.32 h,較WT AK延長了0.66 h。在6 h時(shí),突變體保持40%酶活力,直到10 h酶活力仍保持在20%以上,顯著高于WT AK(6 h時(shí)約保持20%酶活力,10 h時(shí)酶活力不到10%),表明突變體AK穩(wěn)定性更好。
2.5.4 底物抑制劑對(duì)AK活力的影響

表2 不同底物抑制劑條件下WT和Y198N/D201M的相對(duì)酶活力Table 2 Relative activity of WT and mutant Y198N/D201M in the presence of different substrate inhibitors%
從表2可知,WT AK受Lys和Thr反饋抑制,隨抑制劑Lys或Thr濃度的增加抑制作用逐漸增強(qiáng),當(dāng)抑制劑Lys或Thr濃度為10 mmol/L時(shí),WT AK的相對(duì)酶活力分別為40.60%和44.47%,抑制率分別約為60%和55%。當(dāng)Met單獨(dú)存在時(shí),對(duì)酶的抑制作用較弱,抑制率為20%~30%。當(dāng)2 種抑制劑同時(shí)存在時(shí),Lys+Thr抑制率最強(qiáng)達(dá)到約72%,Lys+Met或Thr+Met最大抑制率約為48%和40%,說明AK主要受Lys和Thr的抑制,這與文獻(xiàn)報(bào)道一致[30]。當(dāng)3 種抑制劑同時(shí)存在時(shí),最大抑制率約為62%。突變后,在不同濃度抑制劑存在下,突變體Y198N/D201M AK均被明顯激活,特別是在10 mmol/L的Lys+Met、Thr+Met、Lys+Thr+Met存在時(shí),Y198N/D201M AK相對(duì)酶活力分別為117.67%、113.80%和115.66%,除5 mmol/L的底物抑制劑Lys+Thr+Met外,AK激活作用隨著抑制劑濃度增大而增強(qiáng),呈現(xiàn)明顯的劑量依賴關(guān)系。這與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果(Km和n值減小,Vmax增大)一致,亦說明本研究選取的Tyr198和Asp201為影響酶活力的關(guān)鍵位點(diǎn)。
張芷睿等[22]對(duì)CpAK抑制劑結(jié)合位點(diǎn)Gln316位點(diǎn)進(jìn)行突變,突變體Q316P較WT提高8.53 倍,并通過軟件分析發(fā)現(xiàn)突變后抑制劑對(duì)AK抑制作用減弱,但未對(duì)突變株酶活力提高機(jī)制進(jìn)行探討。Min Weihong等[17]對(duì)CpAK通過虛擬篩選得出R169是一個(gè)抑制劑結(jié)合、底物結(jié)合和催化反應(yīng)的重要位點(diǎn),因此通過定點(diǎn)飽和突變對(duì)其進(jìn)行改造,其中R169Y酶活力提高4.71 倍,亦未對(duì)突變株酶活力提高機(jī)制進(jìn)行探討。Han Caijing等[1]對(duì)抑制劑結(jié)合位點(diǎn)A380進(jìn)行突變,獲得了酶活力提高11.32 倍的突變株A380I,用分子動(dòng)力學(xué)模擬探討突變株酶活力提高機(jī)制:對(duì)抑制劑結(jié)合位點(diǎn)突變后能通過別構(gòu)調(diào)控調(diào)節(jié)酶與ATP親和力,其中Tyr198與ATP之間的氫鍵占有率增加,親和力增強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)在Han Caijing等[1]研究基礎(chǔ)上,對(duì)ATP結(jié)合關(guān)鍵殘基位點(diǎn)Tyr198及催化位點(diǎn)Asp201進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變成功篩選獲得酶活力提高到18.26 倍的雙突變株,較對(duì)抑制劑結(jié)合位點(diǎn)的突變,酶活力顯著提高。對(duì)抑制劑結(jié)合位點(diǎn)突變后,AK通過別構(gòu)調(diào)控影響酶與ATP親和力,從而調(diào)節(jié)酶活力,說明ATP結(jié)合位點(diǎn)對(duì)酶活力提高具有重要作用,因此本研究對(duì)ATP結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行突變,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其酶活力提高較大,進(jìn)一步說明ATP結(jié)合位點(diǎn)的重要性,與Han Caijing[1]和Li Changcheng[25]等報(bào)道一致。

圖6 突變前后ATP與Asp之間的變化Fig.6 The change between ATP and Asp before and after the mutation
文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)抑制劑結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行突變,能有效減弱抑制劑的抑制[17-23],而在本研究中對(duì)ATP結(jié)合位點(diǎn)突變后對(duì)抑制劑有不同程度減弱甚至在高濃度下有激活作用。這可能是由于對(duì)ATP結(jié)合位點(diǎn)突變后引起了ATP結(jié)合口袋重排,致使底物Asp與ATP連接更緊密,由弱的范德華力轉(zhuǎn)變成更強(qiáng)的作用力(圖6A、B),穩(wěn)定了底物Asp的結(jié)合,從而與AK相互作用增強(qiáng),動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明Km由WT的3.58 mmol/L減少到2.37 mmol/L,與上述結(jié)論相符。抑制劑Lys是底物Asp的競爭性抑制劑[19],當(dāng)?shù)孜顰sp與AK相互作用增強(qiáng)時(shí),抑制劑Lys不足以與底物Asp競爭,從而減弱了抑制劑的抑制,所以由Lys參與的抑制劑組合下激活作用較明顯,這與表1數(shù)據(jù)相符。AK作為一個(gè)別構(gòu)酶,對(duì)ATP結(jié)合位點(diǎn)的突變?nèi)绾握{(diào)控抑制劑Lys的結(jié)合,從而減弱反饋抑制,仍需要進(jìn)一步研究。
推測突變體Y198N/D201M酶活力提高的原因可能是:1)Y198位點(diǎn)由環(huán)狀氨基酸突變后不含環(huán),可能消除了Tyr與ATP之間雜環(huán)的排斥作用,突變后兩者之間的作用力變強(qiáng)(圖6C、D);2)D201位點(diǎn)由酸性氨基酸(D)突變成非極性氨基酸(M),側(cè)鏈殘基變長,與ATP接觸面積增大能更好地催化ATP(圖6C、D);3)突變后致使底物Asp與ATP的連接更緊密,易于催化反應(yīng)的進(jìn)行。
本研究對(duì)北京棒桿菌中AK基因Tyr198和Asp201位點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變,并通過高通量篩選成功獲得酶活力顯著提高的AK雙突變體Y198N/D201M。酶動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示:突變體Y198N/D201M AK的Vmax較WT AK提高到18.26 倍,且增強(qiáng)了其與底物Asp的親和力。酶學(xué)性質(zhì)研究表明:Y198N和D201M突變使得AK最適反應(yīng)溫度由25 ℃增至28 ℃,最適pH值由8.0降至7.5,半衰期由4.66 h延長至5.32 h,表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性;同時(shí),解除底物抑制劑Lys+Met、Thr+Met、Lys+Thr+Met對(duì)AK活力的反饋抑制作用,為優(yōu)化AK在棒桿菌代謝途徑中的作用提供參考和依據(jù)。