全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 6 期
微生物聚谷氨酸(γ-PGA)合成酶及
合成机理的研究进展
郑重 吴剑光 邱乐泉 钟卫鸿
(浙江工业大学生物与环境工程学院，杭州 310032)
摘 要: γ-PGA是一种可降解的、水溶性的，对人体无毒的生物高分子。目前发现多种微生物能合成 γ-PGA，包括芽孢
杆菌、古生菌和一种真核生物。γ-PGA合成基因可分为 capB、capC、capA、capE和 pgsB、pgsC、pgsA和 pgsE，其表达产物组成的
γ-PGA合成酶复合体与细胞膜结合，并消耗 ATP及底物谷氨酸进而合成 γ-PGA，其中 CapB-CapC(或者 PgsB-PgsC)主要负责
γ-PGA的聚合作用，而 CapA-CapE(或者 PgsA-PgsE)则作用于 γ-PGA 的转运。ComP-ComA、DegS-DegU、DegQ、SwrA 和 pgsB
上游的非编码区则对 pgsB、C、A和 E的表达起重要影响。
关键词: γ-PGA合成酶 合成基因 合成机制 基因调节
Study Progress on Poly-γ-glutamate Synthetase
and Synthesis Mechanism
Zheng Zhong Wu Jianguang Qiu Lequan Zhong Weihong
(College of Biological and Environmental Engineering，Zhejiang University of Tenchnology，Hangzhou 310032)
Abstract: Poly-γ-glutamate is a biodegradable，soluble，natural polymer that is non-toxic to humans，and synthesized by seceral
bacteias including bacillus，archaea and one eukaryote The gene required for γ-PGA contain four genes termed capB，C，A，E and pgsB，
C，A，E The synthetase，organized by the four responding expressed proteins，is anchored to the membrane and uses ATP and glutamate
as the substrates to synthesize γ-PGA And CapB-CapC(or PgsB-PgsC)could be a polymerase，while CapA-CapE(or PgsA-PgsE)
could be the transporter ComP-ComA，DegS-DegU，DegQ，SwrA and an untranslated region located on upstream of pgsB are required for
the expression of genes essential to the γ-PGA synthesis
Key words: Poly-γ-glutamate Synthetase γ-PGA gene Regulation of pgs
收稿日期:2010-03-17
基金项目:浙江省生物化工重中之重学科开放基金项目(200801)
作者简介:郑重，男，硕士研究生，研究方向:应用微生物学与基因工程;E-mail:zhengzhong295@ yahoo com cn
通讯作者:钟卫鸿，教授，E-mail:whzhong@ zjut edu cn
随着人们对生态环境和人体健康的日益关注，
近年来，越来越多的科学家开始专注于自然存在的
多聚物。而 γ-聚谷氨酸(poly-γ-glutamate，γ-PGA)
则成为生物多聚物研究中的热点。
γ-PGA是一种微生物合成的水溶性可生物降
解的氨基酸高分子聚合物，它由 D-谷氨酸或者 /和
L-谷氨酸通过 α-氨基和 γ-羧基形成肽键聚合而成
(图 1)［1］，相对分子质量一般在 10 kD － 1 000
kD［2］，有些能达到 1 000 kD 以上［3］，甚至能达到
2 000 kD以上［4］。γ-PGA具有很强的吸水能力，能
图 1 γ-PGA分子结构图
2010 年第 6 期 郑重等:微生物聚谷氨酸(γ-PGA)合成酶及合成机理的研究进展
够吸附一些重金属和放射性物质的水溶液，防止任
意扩散，所以人们同样看好它作为絮凝剂和重金属
及放射性物质的吸附载体［5］。同时 γ-PGA 还能作
为防冻剂、缓释剂载体、增稠剂、饲料添加剂、保湿剂
和酶固定化材料等［6］，它对人类无毒害作用，经过
纯化后，人们甚至可以直接食用。它的酯类衍生物
可替代一些生物不易降解的物质，有较大的前景，如
耐热性塑料和纤维薄膜等。
由于 γ-PGA上述的特点，20 世纪 90 年代以来，
日本、美国等一些发达国家对它的制备与应用的研
究十分活跃，开展了微生物发酵法生产 γ-PGA的研
究，并且如今已有不少企业进行了商业化生产，如日
本明治制果公司，中国台湾味丹公司等，中国大陆也
已经有了相应的 γ-PGA产品(海宁和田龙生物科技
有限公司生产的紫金港牌 γ-PGA)。
虽然 γ-PGA已经有了商业化产品，但是目前对
γ-PGA的合成机制及合成酶的研究并不多。综述
了 γ-PGA生产菌、合成酶基因和合成机理的研究进
展，希望能够为研究者的后续研究提供新的视角和
思路。
1 产 γ-PGA的微生物
γ-PGA最早发现于炭疽芽孢杆菌 Bacillus an-
thracis(1933 年) ，是该菌胞外荚膜的主要成分，结合
在细胞壁上，主要功能是保护细菌不受免疫系统的
影响，因此，γ-PGA是其致病性的重要原因，是一种
毒力因子。Kocianova等［7］在 2005 年发现表皮葡萄
球菌 Saphylococcus Epidermidis 同 样 也 能 合 成
γ-PGA，合成的 γ-PGA 结合在细胞壁上，可能是作
为一种保护屏障，使细菌免受噬菌体和抗体的入侵。
以上两种微生物所合成的 γ-PGA 都是结合在细胞
壁上，是其荚膜的主要组成部分，所以人为地将其分
为结合型 γ-PGA。
其他的 γ-PGA 产生菌所合成的 γ-PGA 都是游
离到环境中的，所以人为地将其分为游离型 γ-
PGA。产游离型 γ-PGA 的微生物绝大多数都是革
兰氏阳性的芽孢杆菌，包括 Bacillus licheniformis，Ba-
cillus megaterium，Bacillus pumilus，Bacillus subtilis，它
们能利用游离的 γ-PGA包裹有毒的重金属离子，抵
御不良生存条件［8］，同时 γ-PGA 还能作为营养物
质，在非常时期为微生物提供生存所需。还有 3 种
古生菌，Planococcus halophilus，Sporosarcina halophila
和 Natrialba asiatica，能利用合成的 γ-PGA，降低细
菌周围的盐浓度，改善生存环境［9］。另外，Weber
等［10］于 1990 年发现了惟一一种真核γ-PGA生产菌
Cnidaria。
综上所述，结合型 γ-PGA能够保护病原菌逃避
免疫系统，维持病原菌的毒力，而游离型 γ-PGA 则
能改善微生物生存环境，并为其储备碳氮源。
2 γ-PGA合成酶基因
目前对 γ-PGA合成酶基因有两种的命名法，即
cap和 pgs，是根据微生物合成的 γ-PGA的状态来区
分的。如果合成的 γ-PGA结合在细胞壁上，是结合
型的，就将该菌的 γ-PGA 合成酶基因命名为 cap 系
列(意为 capsule，cap) ，如果合成的 γ-PGA游离到微
生物周围的环境当中，是游离型的，就将该菌的 γ-
PGA合成酶基因命名为 pgs 系列(意为 polygluta-
mate synthase，即 pgs)。
迄今为止，有关 γ-PGA的合成基因的报道主要
集中在一些杆菌属的微生物中(如 B subtilis 168，
B subtilis Natto， B licheniformis， B anthracis 和
S epidermidis) ，其中对 Bacillus anthracis和 B subtilis
的 γ-PGA合成基因研究较为详细。
Green等［11］于 1985 年发现 Bacillus anthracis 的
γ-PGA合成基因存在于质粒 pXO2 上;而 Candela
等［12］在 2005 年发现该菌 γ-PGA合成中所必需的 4
个基因，capB，capC，capA 和 capE。而且，他们发现
在一株质粒缺失的 Bacillus anthracis中，不能合成 γ-
PGA，这证明了 capB，capC，capA 和 capE 是影响 γ-
PGA合成最主要的 4 个基因。
Ashiuchi等［13］在 1999 年报道了在 Bacillus sub-
tilis IFO 3336 中有 3 个基因参与了 γ-PGA 的合成，
分别命名为 pgsB、pgsC 和 pgsA(也有学者称其为
ywsC、ywtA 和 ywtB)。2001 年，他们在 B subtilis
(chungkookjang)中将 pgs 基因敲除，发现 pgs 敲除
菌株无法合成 γ-PGA，进而证明此 3 个基因是 γ-
PGA 合成最重要的 3 个基因［14］。Tarui 等［15］在
2005 年将 pgsB、pgsC 和 pgsA 3 个基因转入烟草中，
发现其可以合成 γ-PGA，这个现象也证明了之前的
论断。但是 Candela 等［9］于 2005 年在该 3 个基因
内发现了一小段开放阅读框，并命名为 pgsE(也有
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
研究者将其命名为 ywtC)。该段序列与 capE 同源
性很高，所以 pgsE极有可能参与 γ-PGA的合成。
序列分析证明，capBCAE 和 pgsBCAE 有很高的
相似度，4 个基因一同组成 γ-PGA 操纵子(operon)
(图 2)。
图 2 γ-PGA操纵子
3 γ-PGA可能的合成机理
γ-PGA的合成需要底物谷氨酸，底物的聚合，
聚合物的转运等过程，还涉及到 γ-PGA聚合酶基
因的调控。由于 capBCAE 和 pgsBCAE 的序列相似
度很高，而且 Candela 等［9］报道称微生物合成的 γ-
PGA属于结合型还是游离型，取决于另外的基因
capD /pgsS，所以推测结合型 γ-PGA 和游离型 γ-
PGA的合成机理相同。
3 1 底物谷氨酸的来源
γ-PGA合成所需的底物的来源可分为两部分，
内源底物和外源底物。内源底物是指由微生物通过
其他物质自身合成谷氨酸底物，已知的最广泛的途
径是通过葡萄糖经过糖酵解，生成丙酮酸，然后进入
TCA循环，然后通过 α-酮戊二酸转化成谷氨酸(图
3)。而外源底物是直接添加的 L或 D-谷氨酸。
图 3 γ-PGA可能的合成途径及调控示意图
一般外源添加的底物都为 L-谷氨酸，但是对应
合成的 γ-PGA的谷氨酸构型不尽相同，一般认为是
由 D-氨基酸转氨酶(transaminase)参与的间接途径，
实现由 L-到 D-谷氨酸的转化(图 3)。Ashiuchi等［16］
1998年从 Bacillus subtilis IFO333 中分离到了谷氨酸
消旋酶(racease) ，从而为 γ-PGA生物合成中 D-谷氨
酸的来源问题提供了新的答案。
虽然，目前各种 γ-PGA 生产菌选择哪条途径仍
有争议，但是多种 γ-PGA 生产菌，包括 Bacillus sub-
tilis IFO333［16］，B subtilis(chungkookjang)［14］，Bacil-
lus subtilis NX-2［17］，都是通过直接途径实现由 L-到
D-谷氨酸的转化，因为研究者发现这些微生物在合
成 γ-PGA时，谷氨酸消旋酶活性增高而氨基转移酶
的活性是降低的。
3 2 γ-PGA的聚合机制
在 20 世纪 70 年代，Troy［18］首先在一株产 D-γ-
PGA(即合成 PGA的底物均为 D-谷氨酸)地衣芽孢
杆菌 B licheniformis 中，推测了一种可能的合成机
制:首先，ATP 激活谷氨酸，然后由 ATP 脱去 ppi 形
成的 AMP，与谷氨酸在 γ 位结合，形成谷氨酰-γ-
AMP;然后该物质与一种带-SH的酶或者受体(比如
一些硫脂，暂以 A代称)结合，并随后异构化为谷氨
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2010 年第 6 期 郑重等:微生物聚谷氨酸(γ-PGA)合成酶及合成机理的研究进展
酰-A;然后谷氨酰连接到 γ-PGA片段上，并脱去 A，
完成 γ-PGA片段的延伸。
但是，Ashiuchi 等［14］于 2001 年在一株 Bacillus
subtilis中发现，该菌在合成 γ-PGA 时，ATP 水解形
成的是 ADP，而非 AMP，而由于 capB 的表达蛋白
CapB属于氨基连接酶［18］，他们提出了另一条合成
机制。首先 ATP 被 ATP 水解酶水解为 ADP 和 Pi，
然后磷酸基团结合到小分子 γ-PGA 的 C-末端，之
后 D-或者 L-谷氨酸的氨基端与 C 端磷酸化了的小
分子 γ-PGA发生亲核攻击，生成 Pi 并延伸 γ-PGA
链。但是该机制仍待证明，比如引物分子是否是小
分子 γ-PGA，其反应位置具体在何处等。
3 3 γ-PGA合成酶各组分的功能
目前，仍然不知道 γ-PGA合成酶如何催化合成
上述一系列反应。虽然已经得知 γ-PGA 合成的必
需基因(即 pgsBCAE 和 capBCAE) ，但是其合成的各
个蛋白(PgsBCAE 和 CapBCAE)的具体功能，仍待
考察。
在 γ-PGA生物合成过程中，可以人为将其分为
两个部分，γ-PGA 的聚合与 γ-PGA 的转运。1997
年，Eveland［19］对 CapB /PgsB 蛋白进行序列分析，发
现其拥有一段序列与 ATP酶相似度很高，可能含有
ATP酶的活性并含有 ATP结合位点(图 4)。Urush-
ibata［20］于 2002 年称，PgsB 能够在试管中单独催化
聚合 γ-PGA，但是 PgsB 的两种形式(33 kD 和 44
kD)必须同时存在，并且该酶很稳定，对变性剂有一
定抵御能力。但是 Ashiuchi 等［2］于 2003 年用 Uru-
shibata［21］的方法进行验证性试验，却发现没有 γ-
PGA。以上试验，说明 PgsB 是否具有 ATP 酶活性，
仍待研究。但是他们都报道了［13，20］PgsB 和 PgsC 的
混合物具有 ATP 酶活性，说明 PgsB 和 PgsC 很可能
形成一种复合物，进而催化 γ-PGA 的聚合。而当
PgsB，PgsC 和 PgsA 同时存在时，聚合酶的活性
最高［13］。
γ-PGA在细胞内合成，并转运到胞外。由图 4
可看出，PgsB在一端含有一小段高度疏水基团，说
明其与细胞膜仅有一小段结合，其大部分存在于细
胞质中;PgsC全部为高度疏水基团，说明其可能存
在于细胞膜内部;而 PgsA 有 3 部分高度疏水基团，
猜测与细胞膜有多处结合，并可能作用于 γ-PGA的
转运，Ashiuchi 等［14］也做了相同的推测。但是 Can-
dela等［12］于 2005 年报道称，PgsA必须在 PgsE 的存
在时才能有活性，并推测两者可能相互作用，进而形
成某种复合物，并希望通过蛋白双杂交来验证该推
测 PgsE 是否是直接与 PgsA 结合，还是间接作用于
PgsA。
图 4 PgsB，PgsC和 PgsA的结构特点［6］
综上所述，PgsB 和 PgsC 共同存在时，能够催化
γ-PGA的聚合，PgsA 能够增加该聚合反应的速率;
γ-PGA的转运则需要 PgsA和 PgsE同时存在。
3 4 γ-PGA合成的调控
目前，在调控 γ-PGA 合成方面的研究不多。
2002 年，Mader等［21］报道，在 B subtilis 中发现高浓
度的磷酸化的 DegU 能够活化 pgsB，C，A 的转录。
而在 2005 年，Stanley 等［22］报道称在 B subtilis 中，
调控蛋白 ComP-ComA，DegS-DegU，DegQ 和 SwrA
对 γ-PGA 的合成是必需的。他们将 degQ 和 swrA
分别敲除，发现任一的敲除都将导致 γ-PGA不能合
成。而后对 degQ进行了反转录 PCR，发现高浓度的
DegQ对 ywsC(与 pgsB相同)的转录起调节作用，而
SwrA对其转录有细微影响，所以研究者猜测 SwrA
主要在转录后起调节作用。而之前的研究已经表
明，ComP-ComA，DegS-DegU 都能影响 degQ 的转
录，所以他们提出了一种可能的调节途径，见图 3。
Kimura ［23］等于 2009 年发现 pgsB 基因上游的一段
非编码区对其表达起重要作用。他们将 lacZ 与
pgsB融合，组成融合基因，并通过检测 LacZ 的表达
来定量表征 pgsB的表达情况，然后用一种外切酶从
pgsB上游-811 开始切除，进而研究上游非编码区域
对 pgsB的表达影响。结果表明，-721(+ 1 为转录起
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
始位点)之后的非编码区对融合基因的表达起重要
作用，猜测可能是 ComA或者 DegU需要与该段区域
结合。另外，B subtilis 168 被广泛应用于 γ-PGA 调
控研究，因为该菌是为数不多的、拥有全套的 γ-
PGA合成基因却不生产 γ-PGA的菌株。
综上所述，ComP-ComA、DegS-DegU、DegQ 和
SwrA对 γ-PGA的合成都是必需的。其中高浓度的
DegQ对 pgsB，C，A 的转录起重要作用，而ComP-Co-
mA，DegS-DegU 通过调节 degQ 的转录间接影响
pgsB，C，A的转录，SwrA则主要作用于 pgsB，C，A 的
转录后调控。而 pgsB上游的非编码区对 pgsB 的表
达也有重要影响。
4 展望
目前，很多研究者都着眼于如何通过改变培养
条件，提高微生物生产 γ-PGA 的产量，比如优化碳
氮源比例及种类，添加促进剂及金属离子等，而对
γ-PGA的合成机理关注不足。随着研究的深入和
基因改造手段的成熟，传统方法对 γ-PGA产量的提
高越来越有限，而通过基因和代谢流改造，如提高关
键酶活性，增加正向调控蛋白的浓度等，将会扮演越
来越重要的角色。
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