黃坤龍 蘇小運 姚斌
(中國農業科學院飼料研究所 農業部飼料生物技術重點開放實驗室,北京 100081)
生長抑素又名生長激素釋放抑制因子,是抑制動物生長的一類激素。1968年在綿羊下丘腦中發現[1],隨后被分離、提取并命名為生長抑素(Somatostatin,SS)[2]。一般認為,SS是一組在分子結構上密切相關和生物效應上相似的物質,并且所有哺乳動物SS的氨基酸序列都相同,沒有種屬差異,其中SS-14是SS的主要生物活性結構[3-4],它是分子量為1.639 kD的14肽。天然SS-14成環狀,在3位和14位半胱氨酸之間形成二硫鍵。除SS-14以外,還有SS-28和 SS-25等其它形式。
SS廣泛分布在動物機體的神經系統、外周神經系統、大腦皮層和消化道等。SS通過其受體(Somatostatin receptor,SSR)發揮作用實現對腦垂體功能的調節以及抑制胃的蠕動、胃酸分泌、腸道對糖類氨基酸以及電解質的吸收。實驗表明SS免疫可以中和體內SS,進而促進動物生長和提高生產性能。用SS抗體免疫幼虹鱒魚五周后,較對照組體重有所增加[5]。利用SS免疫豬[6]、羔羊和小牛,對其生長有一定的促進作用[7-10]。SS的免疫方式可以分為被動免疫和主動免疫[7-10],其中被動免疫為給動物注射SS抗血清,即注射抗體,動物直接對SS產生免疫力,但該法的缺點在于抗血清對動物作用時間短,需要不斷加強免疫及改善在動物生產性能上的應用。另外一種免疫方式是主動免疫,通過導入抗原物質來激發動物主動對外來SS抗原產生抗體,作用時間比較長,更具應用價值。
植物源性的飼料包含大量的木聚糖。木聚糖是一種雜聚多糖[11],其主鏈是由吡喃木糖通過β-1,4糖苷鍵連接而形成的,在主鏈的吡喃木糖環的2號和3號位有不同的取代基。這些取代基包括4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸殘基、α-L-阿拉伯糖殘基、O-乙酰基等,其中α-L-阿拉伯糖殘基上又可與阿魏酸和香豆酸等酯化[12-13]。木聚糖是半纖維素的主要成分,它對維持細胞纖維的凝聚力和細胞壁的完整性起著非常重要的作用,半纖維素是植物細胞壁的主要組成成分,也是自然界中除纖維素之外第二豐富的再生資源[14]。木聚糖酶能夠有效地降解木聚糖主鏈的β-1,4糖苷鍵,從而起到破壞植物細胞壁、促進營養物質釋放的重要作用。目前木聚糖酶研究最多的為GH10和GH11家族,GH10家族主要來源于細菌、真菌和植物,催化結構域為α螺旋和β折疊片層構成的八桶狀結構,有的木聚糖酶最適溫度達到100℃,而GH11家族則耐堿和耐熱性相對較差[15]。
在飼料里添加木聚糖酶可以有效地降低動物消化道中食糜的黏度、提高干物質的消化率和營養吸收,從而提高飼料的利用率。國內外大量的研究表明,在飼料里添加木聚糖酶能夠顯著提高動物的生產性能。汪敬等[16]在飼糧中添加富含木聚糖酶的酶制劑,使23-38 kg的生長肥育豬日增重和飼料轉化率分別提高8.4%和4.3%。可見,在單胃動物家畜的日糧中添加木聚糖酶能有效消除抗營養因子的負作用并提高飼料利用率和動物的生產性能。
SS-14是只有14個氨基酸的小肽,在體內穩定性較差,Spencer等[17]曾使用α-球蛋白和BSA作為載體蛋白進行了SS的偶聯成功制備了抗原,但制備成本高的問題卻沒有得到解決。Ding等[18]為了改善SS的代謝動力學,將人血清白蛋白(HSA)和兩拷貝SS-14融合表達,但HSA有585個氨基酸,相較于SS的14個氨基酸較多,SS氨基酸所占融合蛋白氨基酸比例2.3%,而且HSA只能單純的作為蛋白質來源,不能發揮其它作用;而木聚糖酶在飼料中廣泛添加,且具有很好的促生長作用。因此,本研究嘗試使用木聚糖酶和SS-14融合來制備SS的融合蛋白,具體為將嗜熱細菌Caldicellulosiruptor bescii來源的木聚糖酶CbXyn10C與SS進行融合表達,以期獲得具有SS抗原性與免疫原性的重組蛋白,且融合蛋白又保留木聚糖酶的活性,為提高飼料利用率和提高動物生長和生產性能提供新思路。
1.1.1 菌株、質粒和實驗動物 畢赤酵母(Pichia pastoris)GS115、表達質粒pPIC9和細菌C. bescii來源的木聚糖酶基因CbXyn10C由本實驗室保存;大腸桿菌Escherichia coliTrans1-Tl和質粒pEASY-T3購自北京全式金生物技術有限公司。20-25 g重、6周齡BALB/c雄性小鼠由北京維通利華實驗動物技術有限公司提供。
1.1.2 主要培養基 LB培養基:蛋白胨1%,酵母提取物0.5%,NaCl 1%,固體培養基另添加2%瓊脂粉;YPD培養基:酵母提取物1%,蛋白胨2%,葡萄糖2%;BMGY種子培養基:蛋白胨2%,酵母提取物1%,甘油1%,生物素4 mg/L,YNB 13.4 g/L;BMMY誘導培養基:蛋白胨2%,酵母提取物1%,生物素4 mg/L,YNB 13.4 g/L,甲醇0.5%;MD固體培養基:葡萄糖20 g/L,瓊脂糖20 g/L,YNB 13.4 g/L,生物素4 mg/L。
1.1.3 試劑和儀器 櫸木木聚糖(Beechwood xylan)購自Sigma公司;生物素購自國藥集團化學試劑有限公司;質粒小提試劑盒購自北京天根生化科技有限公司;DNA膠回收試劑盒購自OMEGA公司;Taq酶和限制性內切酶(EcoRI和NotI)購自Fermentas公司;限制性內切酶BglII 購自TaKaRa公司;T4 DNA連接酶購自New England Biolab公司;蛋白Marker購自北京GeneStar生物公司,PVDF膜(0.45 μm)購自Amersham Biosciences公司;生長抑素SS-14和針對SS-14的兔IgG多克隆抗體一抗(效價1∶64 000),由南京金斯瑞生物科技有限公司制備;二抗為羊抗兔IgG-HRP或羊抗鼠IgG-HRP,分別購自Sigma和北京陸橋技術股份有限公司;弗氏完全佐劑和不完全佐劑均為Sigma公司產品;DAB購自上海生工生物工程有限公司;引物由上海捷瑞生物工程有限公司合成;測序由北京擎科生物技術有限公司完成。其他試劑均為國產分析純。主要儀器如下:PCR擴增儀(美國Bio-Rad公司,型號T100),電轉儀(美國Bio-Rad公司,型號411 BR0167),凝膠成像系統(美國Bio-Rad公司,型號1708195),高速冷凍離心機(日本 HIMAC公司,型號CR2IGIII),酶標儀(美國Thermo公司,型號HIMFDG),水浴鍋(上海森信公司,型號DLL-8D),恒溫培養箱(北京利康公司,型號SPX-250),渦旋混合器(北京同正公司,型號HQ-60-II)。
1.2.1 表達載體pPIC9-CbXyn10C-SS的構建 本實驗室此前在大腸桿菌和畢赤酵母中均實現了CbXyn10C的重組表達[19]。以在畢赤酵母中進行工程表達的質粒pPIC9-CbXyn10C為模板,利用特異性引物CbXyn10C-F分別和CbXyn10C-R1、CbXyn10C-R2、CbXyn10C-R3進 行3輪PCR擴 增以獲得CbXyn10C-SS基因,具體方法如表1所示。PCR擴增程序為:95℃,5 min;95℃,30 s,60℃,30 s,72℃,75 s,30個 循 環;72℃,10 min。1%瓊脂糖凝膠電泳并切膠回收目的條帶。CbXyn10C-SS基因與酵母表達載體pPIC9,分別用EcoRI和NotI進行雙酶切,電泳、切膠回收目的片段,用T4連接酶連接、轉化大腸桿菌Trans1-T1并篩選得到重組質粒pPIC9-CbXyn10C-SS。
1.2.2CbXyn10C和CbXyn10C-SS蛋 白 在 畢 赤 酵母中的表達與純化 將pPIC9-CbXyn10C、pPIC9-CbXyn10C-SS分別用SacI單酶切以線性化質粒,電擊轉化GS115感受態細胞并涂布于MD平板,30℃培養3 d。挑取單克隆于BMGY培養基中培養2 d,更換至BMMY誘導培養基繼續培養2 d。12 000×g離心,收集培養液上清篩選產酶克隆。將高酶活轉化子在200 mL液體培養基中培養、誘導,同法收集培養液上清即為粗酶液,將其用10 kD的超濾膜包濃縮。濃縮后的酶液再對磷酸-檸檬酸緩沖液(100 mmol/L,pH7.5)超濾以脫鹽。將獲得的重組蛋白進行SDS-PAGE電泳驗證蛋白的大小及純度。

表1 PCR擴增獲得CbXyn10C-SS基因
1.2.3CbXyn10C-SS融合蛋白中生長抑素抗原性分析 將1.6 μg的CbXyn10C和CbXyn10C-SS蛋 白 分別進行SDS-PAGE電泳,將蛋白電轉移到PVDF膜上(轉印條件:25 V,1.5A,7 min),5%脫脂牛奶4℃過夜封閉。將PVDF膜與抗SS的一抗(500×稀釋)在37℃孵育2 h,PBST(10 mmol/L磷酸鹽緩沖液,pH7.4,0.05% Tween-20)中洗膜3次,每次10 min。再將膜與HRP標記的羊抗兔IgG在37℃孵育2 h,洗滌3次。最后將膜在含有DAB溶液中孵育,當見到顯色條帶時立即用蒸餾水沖洗膜以終止反應。
1.2.4CbXyn10C-SS融合蛋白中生長抑素免疫原性分析 取6只6周齡BALB/c雄性小鼠,將小鼠分為2組,每組3只,第1組免疫CbXyn10C-SS蛋白,剩余小鼠做對照組,編為第2組。免疫程序如下,首免:將CbXyn10C-SS用20 mmol/L PBS稀釋至2 mg/mL,取300 μL蛋白溶液與300 μL弗氏完全佐劑混合,利用微量乳化器乳化制成濃度為1 μg/μL的疫苗,200 μL/只,頸部、背部皮下多點注射。二免:14 d后進行二免,取2 mg/mL的CbXyn10C-SS 150 μL與150 μL弗氏不完全佐劑混合,利用微量乳化器乳化制成濃度為1 μg/μL的疫苗,100 μL/只,皮下多點注射。三免:14 d后進行三免,方法同二免。三免7 d后斷尾采血,3 000×g離心5 min以收集血清,ELISA法檢測抗體效價,如效價符合要求則三免后8 d眼眶采血收集每只小鼠血清,-20℃保存備用。使用斑點免疫(Dot-blot)方法對小鼠血清中針對SS-14的抗體進行檢測,方法如下:將倍比稀釋的SS-14(1 μg、0.5 μg、0.25 μg和0.125 μg)分 別點樣至PVDF膜上,室溫晾干,將膜在5%脫脂牛奶中于37℃封閉1 h。將封閉好的膜與2 000×稀釋的一抗在37℃下孵育2 h。使用PBST洗滌膜3次,每次10 min;再將膜與2 000×稀釋的HRP標記的兔抗鼠IgG孵育2 h,PBST洗滌3次,每次10 min;將膜浸泡于DAB溶液中直到出現斑點,用蒸餾水沖洗膜以終止反應。
1.2.5CbXyn10C和CbXyn10C-SS融合蛋白木聚糖酶比活的測定 將5 mg/mL的櫸木木聚糖分別與CbXyn10C-SS蛋白(0.1 μmol/L)在和CbXyn10C-SS融合蛋白(0.1 μmol/L)在0.1 mol/L磷酸-檸檬酸緩沖溶液中混合孵育,90℃ 和95℃反應10 min,加人1.5 mL二硝基水楊酸(DNS)[20],沸水浴煮5 min,冷卻后測定OD540,根據木糖對DNS的標準曲線計算酶活。酶活單位定義為:1個木聚糖酶活性單位(U)為以0.5%可溶性櫸木木聚糖為底物,在最適pH和最適溫度條件下每分鐘水解木聚糖生成1 μmol木糖所需的酶量。
1.2.6CbXyn10C與CbXyn10C-SS酶學性質分析 最適pH:將5 mg/mL的櫸木木聚糖和適當稀釋的酶液在不同緩沖液pH條件(100 mmol/L,Gly-HCl緩沖液:pH 2.0-3.0;檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液:pH 3.0-7.5;Tris-HCl緩 沖 液:pH 8.0;Gly-NaOH緩 沖 液:pH 9.0-10.0)下于80℃反應10 min。最適溫度:在最適pH(6.0)條件下將CbXyn10C、CbXyn10C-SS在不同溫度(40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃和100℃)下分別反應10 min,測定酶活。pH穩定性:將酶液稀釋至合適濃度在不同pH的緩沖液下37℃處理1 h后,在最適溫度和最適pH下測定剩余酶活。溫度穩定性:將酶液分別在80℃和90℃下孵育,定時取出樣品并在最適條件下測定殘余酶活。金屬離子和化學試劑對酶活的影響:在酶促反應體系中加入終濃度為5 mmol/L的不同金屬離子(Li+、Na+、K+、Pb+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Cr3+、Cu2+、Co2+、Zn2+、Ni+和Ca2+),在 該 酶的最適條件下測定酶活。動力學常數:以底物濃度為0.125-5 mg/mL、最適溫度和最適pH下分別測量CbXyn10C與CbXyn10C-SS的酶活,利用雙倒數作圖法計算得到KM、Vmax和kcat的值。
以本室所存質粒pPIC9-CbXyn10C為模板進行3輪PCR擴增,成功獲得CbXyn10C-SS融合基因。序列分析表明(圖1),CbXyn10C基因全長為1 020 bp,編碼339個氨基酸,理論分子量為39.23 kD,等電點為6.21。在CbXyn10C和SS-14之間設計了GGGGS的柔性連接肽(linker)序列。CbXyn10C-SS融合基因全長為1 077 bp,編碼358個氨基酸(圖1),SS氨基酸所占融合蛋白氨基酸比例4.0%;理論分子量大小為41.28 kD,等電點為6.73。對本研究中構建得到的重組質粒載體pPIC9-CbXyn10C-SS基因測序表明,CbXyn10C-SS融合基因以正確的閱讀框與酵母表達載體pPIC9的α因子信號肽序列的3'端融合,重組質粒的構建正確(圖2)。

圖1 CbXyn10C-SS的基因和所編碼融合蛋白的氨基酸序列
將構建的表達質粒pPIC9-CbXyn10C和pPIC9-CbXyn10C-SS用SacI線性化并切膠回收,分別轉化至畢赤酵母GS115感受態細胞,使用甲醇進行重組蛋白的誘導表達。在搖瓶中進行高酶活轉化子的培養,BMMY中培養48 h后離心得粗酶液濃度75 mg/L,粗酶液經過濃縮、脫鹽等處理后,通過SDSPAGE電泳驗證重組蛋白的分子量大小和純度(圖3-A)。可見,CbXyn10C和CbXyn10C-SS在畢赤酵母中得到了成功的重組表達。CbXyn10C的表觀分子量為40 kD,而CbXyn10C-SS的表觀分子量為42 kD。這與計算的結果基本一致。由于分子中含有SS-14分子,因此CbXyn10C-SS比CbXyn10C大~2 kD。

圖2 重組表達質粒pPIC9-CbXyn10C-SS示意圖
在將CbXyn10C-SS進行成功的重組表達后,首先需要驗證重組蛋白是否具有抗原性。因此,將CbXyn10C和CbXyn10C-SS首先通過SDS-PAGE電泳,再將其轉印到PVDF膜上,使用針對SS的抗體作為一抗、HRP標記的羊抗兔IgG為二抗進行免疫印跡操作。如圖3-B,在CbXyn10C-SS的目標位置處出現了單一條帶,而對照CbXyn10所在位置則沒有出現顯色條帶,這證明CbXyn10C-SS蛋白上的生長抑素仍然保留了良好的抗原性,可用于下一步實驗。

圖3 CbXyn10C-SS的重組表達和抗原性分析
將CbXyn10C-SS應用于畜禽的口服免疫,其首要條件是該融合蛋白需要具備一定的免疫原性。因此,將融合蛋白CbXyn10C-SS首先采用皮下和腹腔注射對小鼠進行了免疫,在三免后的第7天,使用ELISA法檢測到小鼠的血清中產生了針對融合蛋白CbXyn10C-SS的抗體,ELISA效價>1∶5 000,這表明木聚糖酶生長抑素的融合蛋白CbXyn10C-SS能夠刺激機體發生免疫反應。隨后使用斑點免疫法對融合蛋白刺激小鼠所產生的抗體中是否含有針對生長抑素的特異抗體進行了研究。將倍比稀釋的SS-14點于PVDF膜上,依次采用適當稀釋的免疫小鼠血清和HRP標記的羊抗鼠IgG作為一抗和二抗進行反應;以未免疫小鼠的血清作為陰性血清對照。由圖4可以看出:對于1.0-0.125 μg點膜的樣品,使用CbXyn10C-SS免疫小鼠的血清中存在抗體可特異的與SS發生結合,而相同條件下,在陰性血清對照則未能檢測到顯色反應(效果最佳),這說明CbXyn10C-SS蛋白對小鼠的皮下多點注射和腹腔免疫能使小鼠產生特異針對SS的抗體。

圖4 CbXyn10C-SS免疫小鼠血清針對生長抑素的斑點免疫實驗
本課題組前期研究發現木聚糖酶CbXyn10C具有較好的熱穩定性和pH穩定性;為了評估融合表達SS后重組酶性質,首先測定了CbXyn10C-SS的生化性質。CbXyn10C-SS的最適作用pH為6.0(圖5-AB),在pH 5.0-8.0時均具有較高酶活;它還具有較好的pH穩定性(圖5-A-B),在pH 3.0-12.0均能保持72.2% 以上的剩余酶活。可見,CbXyn10C-SS和未融合SS的CbXyn10C具非常相似的最適pH值和pH穩定性,說明C端融合SS沒有對其最適pH值和pH穩定性發生顯著影響。對最適溫度的研究表明,CbXyn10C-SS較CbXyn10C的最適溫度為95℃下降了5℃(圖5-C)。CbXyn10C在90℃穩定性相對較好(圖5-D),處理60 min仍能保持50%左右的酶活,而CbXyn10C-SS的熱穩定相對略差,處理60 min僅保持16%左右的相對酶活。但在80℃(制粒所用溫度)孵育30 min兩個酶的殘余酶活均沒有顯著下降,只在較長時間(60 min)孵育后,CbXyn10C-SS的酶活下降至~80%,而CbXyn10C的酶活仍然無顯著下降。實驗說明C端融合的SS短肽序列對于蛋白維持高溫下的結構穩定性存在一定的負面影響,但仍然能維持飼料制粒需求(80℃,5 min)。CbXyn10C與CbXyn10C-SS的比活分別為 437.2 U/mg和 349.7 U/mg。利用雙倒數法作圖計算,得到CbXyn10C的KM、Vmax和kcat值則分別為0.90 mg/mL、1 000 μmol/min·mg和653.8 s-1,而CbXyn10C-SS的KM、Vmax和kcat值分別0.58 mg/mL、526 μmol/min·mg和362.1 s-1。
和未融合表達SS的木聚糖酶相比,金屬離子和化學試劑的存在對于木聚糖酶CbXyn10C-SS活性的影響和CbXyn10C差別不大,但可見對絕大多數的金屬離子和化學試劑,CbXyn10C-SS的剩余酶活比例均略低于CbXyn10C,說明C端融合了SS對于CbXyn10C的整體結構有所影響,金屬離子和化學試劑對木聚糖酶的酶活有輕微的負面作用。β-巰基乙醇對兩個酶均具有顯著、相似程度的促進作用(圖6)。
SS的免疫方式主要包括被動免疫和主動免疫,主動免疫是通過導入抗原物質來激發動物主動對外源SS抗原產生抗體,作用時間比較長,因此相對具有更普遍的應用價值。SS主動免疫的方式主要包括注射、口服等形式[6,8,21],均可使機體產生抗體。注射免疫雖然有使用劑量小的優點,但可能會引起動物的應激反應,影響動物的正常生長,而口服免疫則可與飼料或水混合進行免疫,不存在這個問題,但口服免疫的缺點使用劑量大是其制約性瓶頸,即需要大量SS蛋白。目前,人工合成SS成本過高,不利于生產中廣泛利用,貢長慧等[22]在大腸桿菌中將SS與LTB融合表達出現包涵體,需破碎與純化增加成本,雖然Ding等[18]將人血清白蛋白(HSA)和兩拷貝SS-14融合表達,經高細胞密度發酵72 h,可達150 mg/L,但融合蛋白中SS所占比例低,且HSA在飼料中作為外源蛋白添加不經濟。
木聚糖酶是一種在飼料中已經得到廣泛應用的酶蛋白制劑。研究表明,其通過降低動物消化道中食糜的黏度、提高干物質的消化率和營養吸收,從而提高飼料的利用率。木聚糖酶和HSA均為蛋白,都可作為蛋白載體。此前,已有使用木聚糖酶作為載體融合表達其它基因例如抗菌肽基因的研究,但目前未見融合表達SS的報道。因此我們采用了耐熱性較好的熱泉細菌C. bescii來源的木聚糖酶CbXyn10C作為蛋白載體,將它的基因和SS-14融合構建質粒載體并轉化畢赤酵母進行高效表達。與未融合SS的木聚糖酶CbXyn10C相比,融合蛋白CbXyn10C-SS的最適作用pH均為6.0,pH穩定性幾乎沒有下降,在酸性條件下(pH 3.0-6.0)能保持72%以上的剩余酶活,堿性條件下(pH 7.0-12.0)也能保持84%以上的剩余酶活。雖然融合了SS之后,木聚糖酶的最適作用溫度由95℃ 下降到90℃;熱穩定性方面,從90℃熱處理60 min剩余50%左右的相對酶活下降到剩余16%左右的相對酶活,但80℃處理30 min,兩個酶的殘余酶活均無顯著下降,說明即使在C端融合了SS-14使得酶的熱穩定性略有下降,但仍足以滿足飼料制粒的要求[23-24]。
雖然搖瓶發酵中CbXyn10C-SS的表達量不高僅為75 mg/L,但本實驗室已經通過發酵罐高密度發酵予以解決,得到大量表達的重組融合蛋白。用于木聚糖酶-SS融合蛋白對于小鼠動物模型實驗以及在家畜、家禽飼喂實驗,以探索CbXyn10C-SS使用劑量對動物生長性能的影響。我們也注意到,當木聚糖酶的C端融合了SS短肽之后,木聚糖酶的酶活和熱穩定性略有下降,這可能是C端融合的SS短肽通過和木聚糖酶的核心結構部分氨基酸殘基的互作,從而對其完整性和穩定性有一定的負面影響,這可以在隨后的實驗中通過融合蛋白三維晶體結構的解析和定點突變等加以改進。
融合表達的CbXyn10C-SS既表現出SS的抗原性和免疫原性,又具有木聚糖酶的活性和良好的熱穩定性。木聚糖酶可以與SS融合表達而很好的保持了木聚糖酶的活性,同時SS的抗原性和免疫原性又沒有損失,那么其它飼料用酶[25],如植酸酶[26]、葡聚糖酶[26]、甘露聚糖酶[27]、淀粉酶[28]、纖維素酶[29]、果膠酶[30]等,是不是也可以與SS融合表達,既保持酶和飼料中底物的反應特性,又具有SS的免疫原性;同樣,其它功能性的多肽是不是也可以這樣使用,這些都有待于進一步的實驗探索。
本研究在探索飼用酶和功能肽的融合表達上進行了有益的嘗試,成功地將耐熱木聚糖酶CbXyn10C和SS-14進行了融合表達,融合蛋白CbXyn10C-SS具有抗原性且能刺激小鼠產生特異抗體,具有免疫原性;融合蛋白的理化、酶學性質和CbXyn10C非常相似,因此理論上同時具有木聚糖酶和生長抑素抗原的功能,在養殖業中具有潛在的應用價值。