海洋细菌Cellulophaga sp.QY3ι——卡拉胶酶的研究

摘要

卡拉胶酶是一类能够专一性降解卡拉胶分子中β-1,4糖苷键的糖水解酶，根据其降解底物的不同主要分为κ-、ι-和λ-卡拉胶酶。根据序列和结构的特征，ι-卡拉胶酶被归属为糖水解酶82家族（GH82），目前已经发现了九种ι-卡拉胶酶，但只有四种进行了部分的性质研究。关于该家族酶的结构与功能研究目前还处于起步阶段，只有和催化相关的部分氨基酸残基有所报道。因此新ι-卡拉胶酶的发现和深入研究不仅可以丰富GH82家族ι-卡拉胶酶资源，而且对GH82家族酶的结构与功能阐释有重要意义。
　　来自Cellulophaga sp. QY3的ι-卡拉胶酶CgiA的研究工作是在本实验室前期工作的基础上继续进行的。首先研究了CgiA降解不同类型底物的降解方式。CgiA降解非胶态底物时表现为随机内切酶的特点，而降解胶态底物时采用持续性降解的方式，在GH82家族的ι-卡拉胶酶中属于首次报道。
　　其次，利用同源模建的方法获得了 CgiA的三维结构。结合荧光辅助碳水化合物电泳分析表明，CgiA降解ι-卡拉胶的终产物为新ι-卡拉四糖和新ι-卡拉二糖，最小降解底物为新ι-卡拉六糖。该酶的催化腔大小为八（-4~+4）六糖在催化腔中占据-4~+2位点。
　　利用序列标识图（sequence logo）的方式展示出 GH82家族催化腔中与底物相距6?以内的氨基酸残基。从 GH82家族催化腔的保守分析可以明显看出催化腔-1和+1位点处的残基保守性高于其他位点。根据氨基酸残基的保守性及残基在结构中的空间位置，我们选择了六个位点(G228，Y229，R254，R314，K335和K480)进行突变实验。
　　通过 GH82家族多个底物结合位点的突变及性质比较，验证了功能残基的保守性与其重要性是正相关的。根据突变前后酶活力变化，米氏常数变化及高级结构分析，证明了催化腔-1，+1位点处 G228, Y229，R254和 R314是该酶与底物结合相关的残基。其中G228, Y229和R254在GH82家族中完全保守，因此推测它们为该家族最重要的与底物结合相关的残基。GH82家族最重要的两个底物结合残基（Y229和 R254）是与底物的硫酸根直接作用的，推测这是该家族酶专一性降解ι-卡拉胶的关键。这是首次对 GH82家族ι-卡拉胶酶的底物结合残基的研究，进一步阐释了该家族的底物专一性机制。
　　接下来，利用简并PCR和Sitefinding PCR成功从Cellulophaga sp. QY3中克隆得到了一种新的ι-卡拉胶酶 CgiB的编码序列。该基因含有一段长度为1383bp的ORF编码框，编码得到461aa的蛋白序列。CgiB归属于GH82家族，除了一个未进行表达和研究的序列，与其相似度最高的蛋白序列是来自Zobellia galactanovora DsiJT的CgiA2，相似度仅为32％。
　　对重组酶 CgiB的性质研究表明：该酶的最适反应条件为45℃、pH6.5磷酸盐缓冲液；在低于40℃条件下存放1h该酶还能保留70%的活性；在pH6.0-9.6的缓冲体系中存放较稳定；Na+和K+对酶活力有促进作用，CuCl2, SDS和EDTA都非常显著的抑制了酶活性，而一些二价金属离子，如Mg2+, Fe2+及Mn2+对酶活力有明显的促进。
　　利用凝胶色谱分析酶解产物随时间的变化可知该酶是一种典型的内切酶，降解主产物四糖在终产物中约占80%。利用二级质谱技术鉴定出酶解主产物为新ι-卡拉四糖，表明该酶通过断裂卡拉胶分子中的β-1,4糖苷键实现对ι-卡拉胶的降解。CgiB具有与已报道的ι-卡拉胶酶不同的性质特点，不仅丰富了ι-卡拉胶酶的资源，而且对卡拉寡糖的制备和纯化具有重要意义。

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前言

1 卡拉胶

2 卡拉胶寡糖

3 卡拉胶酶

4 蛋白质的结构与功能研究

第一章 Cellulophaga sp. QY3中ι-卡拉胶酶CgiA的研究

第一节 ι-卡拉胶酶CgiA的降解方式研究

第二节 ι-卡拉胶酶CgiA的催化腔特征研究

第三节 ι-卡拉胶酶CgiA重要残基的功能研究

第二章 Cellulophaga sp. QY3中ι-卡拉胶酶CgiB的研究

第一节 Cellulophaga sp. QY3中ι-卡拉胶酶CgiB的基因克隆

第二节 ι-卡拉胶酶CgiB重组表达、分离纯化及酶学性质的研究

参考文献

附录

个人简历及发表的学术论文