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Cloning,sequencing,and expression of endoglucanase gene from Bacillus subtilis

枯草芽孢杆菌C-36内切葡聚糖酶基因的克隆及其在大肠杆菌中融合表达



全 文 :第7卷第3期
2009年5月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.3
May2009
收稿日期:20080910
基金项目:四川省科技厅应用基础研究资助项目(05JY029 036 1);四川省教育厅自然科学科研项目(2005A030)
作者简介:官兴颖(1982—),女,重庆人,硕士研究生,研究方向:分子酶学;陈 惠(联系人),教授,Email:chenhui@sicau.edu.cn
枯草芽孢杆菌 C 36内切葡聚糖酶基因的克隆
及其在大肠杆菌中融合表达
官兴颖,吴振芳,吴 琦,胥 兵,陈 惠
(四川农业大学 生命科学与理学院,雅安 625014)
摘 要:以自行分离筛选出的天然枯草芽孢杆菌(Bacilussubtilis)C 36的染色体DNA为模板,PCR扩增得到含有
内切葡聚糖酶基因的DNA片段,将其克隆到 pMD 18T载体中,序列分析表明,克隆得到的 DNA片段全长1602
bp,编码一个含有499个氨基酸的多肽。与其他芽孢杆菌内切葡聚糖酶基因序列比对,其核苷酸同源率为90% ~
93%,其编码的氨基酸序列的同源性在90%~98%,已将此基因注册GenBank(DQ782954)。将含内切葡聚糖酶基
因的重组克隆质粒进行亚克隆,用KpnⅠ和EcoRⅠ双酶切后,与相同酶切的表达载体 pET 32a相连接,并导入大
肠杆菌BL21中表达。蛋白质电泳实验结果表明在 647×104处有表达蛋白带。经测定表达蛋白比酶活力达
9902U/mL,为出发菌C 36(6378U/mL)的155倍。
关键词:枯草芽孢杆菌;克隆;内切葡聚糖酶基因;表达;序列
中图分类号:Q781;Q785    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)03-0068-05
Cloning,sequencing,andexpressionofendoglucanasegene
fromBacilussubtilisC36inEscherichiacoil
GUANXingying,WUZhenfang,WUQi,XUBing,CHENHui
(ColegeofLifeScience,SichuanAgriculturalUniversity,Ya′an625014,China)
Abstract:AgeneencodingendoglucanasefromBacilussubtilisC36wasclonedintoE.coilcloningplas
midpMD18TbyPCRamplification.Thewholelengthofthegenewas1602bp,encoding499amino
acids.Thenucleotidesequenceofthegenesharedhighdegreeofsequencesimilaritytothatofothertypi
calbacilusinGenBank.Thesimilaritieswerebetween90% and93%.Thegenehasbeenregisteredin
GenBank(AccessionnumberDQ782954).Thegenefromrecombinantcloningplasmidwassubclonedin
toKpnⅠ andEcoRⅠ siteofexpressionplasmidpET32ainE.coil.Therecombinantexpressionplas
midwastransformedintoE.colistrainBL21.TheresultofSDSPAGEshowedthatabout53×104pro
teinoftheendoglucanasewasexpressedinE.colistrainBL21.TheenzymaticactivityofE.coliexpressed
strainwas9902U/mL,itwasabout155foldhigherthanthatoftheoriginalstrain.
Keywords:Bacilussubtilis;cloning;endoglucanase;expression;sequence
  在自然界中,许多霉菌[1]和细菌[2]都能产生纤
维素酶,由于细菌所产生的纤维素酶一般最适 pH
为中性至偏碱性,导致这类酶制剂对天然纤维素的
水解作用较弱。近十几年来,随着中性纤维素酶和
碱性纤维素酶在棉织品水洗整理工艺及洗涤剂工
业中的成功应用,细菌纤维素酶制剂已显示出良好
的使用性能和巨大的经济价值[3-5]。目前纤维素酶
的研究主要集中在纤维素酶基因的克隆、定点诱变
及其表达和分泌等方面,这推动了纤维素酶的研究
进展[6]。
  以自行分离筛选出的产中性内切葡聚糖酶的
天然芽孢杆菌 C 36为出发菌株,进行内切葡聚糖
酶基因的克隆和序列分析,并在大肠杆菌中进行表
达,为进一步改造产纤维素酶菌株的基因及应用基
因工程手段提高纤维素酶产量奠定基础。
1 材料与方法
1.1 菌种和质粒
  枯草芽孢杆菌 C 36由本实验室筛选;载体
pET32a、大肠杆菌 JM109、BL21由本实验室保存,
pMD18 T载体购自TaKaRaBiotech公司。
1.2 培养基、酶和试剂
大肠杆菌培养基为LB培养基[5]。
限制性内切酶和PCR试剂购自TaKaRaBiotech
公司。
丙烯酰胺和N,N 亚甲基双丙烯酰胺购自 Sig
ma公司;质粒提取试剂盒和凝胶回收试剂盒购自天
根生化科技有限公司,其他试剂均为国产或进口分
析纯。
1.3 内切葡聚糖酶基因的克隆、序列分析及诱导表达
1.31 内切葡聚糖酶基因的克隆
以枯草芽孢杆菌 C 36基因组为模板,根据已
公布的内切葡聚糖酶基因设计引物,并由博瑞克公
司 合 成,引 物 序 列 引 物 P上:ATGAAACGGT
CAATCTC;引物 P下:CTAATTTGGTTCTGTTCCC。内
切葡聚糖酶基因与pMD 18T载体的亚克隆参考文
献[7]。扩增内切葡聚糖酶基因序列由 TaKaRa
Biotech公司测定。
1.3.2 内切葡聚糖酶基因的序列分析
采用多种网上信息学数据库及分子生物学软
件对枯草芽孢杆菌C 36内切葡聚酶基因序列及其
氨基酸序列进行序列分析和生物信息学预测。
1.3.3 内切葡聚糖酶基因的诱导表达
根据重组质粒测定的序列,设计表达引物,划
线部分分别为 KpnⅠ和 EcoRⅠ的酶切位点。引物
由 TaKaRaBiotech公司合成。引物 P上:GGCGG
TACCGACGACGACGACAAGAAACGGTCAATCTC
TATTTTTAT;引物P下:CCGGAATTCTTAATTTGGT
TCTGTTCCCCAAA
从凝胶上回收16kb左右的条带。将纯化的
DNA和pET 32a质粒分别用KpnⅠ和EcoRⅠ双酶切
后进行连接、转化。通过菌落PCR、酶切筛选鉴定阳
性克隆子,命名为 pET End。将 pET End工程菌
转接入20mLLB培养液中(含氨苄青霉素(Amp)
100μg/mL),37℃,150r/min培养过夜,再转接入25
mLLB培养液(含Amp100μg/mL)至对数生长期时
加入IPTG至终浓度为1mmol/L,再继续培养3h。
1.4 表达产物的分析和鉴定
取诱导表达前、后的菌悬液及不含有纤维素酶基
因的空载体菌用于SDSPAGE凝胶进行凝胶电泳分
析。细胞裂解采用超声波细胞破碎法,通过对上清液
进行酶活性测定,并对表达产物进行热稳定性分析。
纤维素酶活力的测定与酶活力的计算参见文献
[8-9],SDSPAGE电泳检测参照载体操作手册,酶
学性质分析参考文献[10]。比酶活单位(U/mL)定
义为:在55℃,pH68条件下,1mL酶液每分钟产生
相当于1μg葡萄糖所需的酶量。
2 结果与讨论
21 内切葡聚糖酶基因的克隆
以枯草芽孢杆菌基因组DNA为模板进行PCR,
产物经琼脂糖凝胶电泳后,发现有1条1500bp的扩
增条带且最亮,与预计大小一致。将特异性条带割胶
回收,与pMD 18T载体连接,转化大肠杆菌 JM109
宿主菌。菌落PCR方法检测阳性克隆子(图1)。
1—DNAMarkerⅦ
2—内切葡聚糖酶基因扩增结果;3,4—菌落PCR结果
图1 内切葡聚糖酶基因扩增和菌落PCR电泳结果
Fig.1 Electrophoresisofendoglucanasegene
amplificationandcolonyPCR
96 第3期 官兴颖等:枯草芽孢杆菌C 36内切葡聚糖酶基因的克隆及其在大肠杆菌中融合表达
  经酶切、连接和转化反应,在含有氨苄青霉素
和卡那霉素双抗的LB培养基铺板收获转化子。通
过质粒提取和双酶切反应筛选检测阳性菌株 pET
End(图2)。
1— KpnⅠ单酶切;2—EcoRⅠ单酶切;
3,4—KpnⅠ和EcoRⅠ双酶切;5—MarkerⅣ。
图2 重组质粒单、双酶切电泳结果
Fig.2 Electrophoresisofdigestionofrecombinant
plasmidspETEnd
2.2 内切葡聚糖酶基因的序列分析
PCR扩增产物全长1602bp,其中包含了
1500bp的枯草芽孢杆菌内切葡聚糖酶基因全序
列(图3),含有一个开放阅读框(ORF),此 ORF编
码一个共有499个氨基酸的多肽。已将此基因登
陆 GenBank,核酸序列编号为 DQ782954。枯草芽
孢杆菌 C 36葡聚糖内切酶基因与 GenBank中登
录的其他5个芽孢杆菌内切葡聚糖基因序列(核
酸序列编号分别为 Z29076、X04689、AY044252、
X67044、AY766381)比较,结果表明:6条基因序列
和同源率在90%~93%之间。因此,本研究获得的
枯草芽孢杆菌C 36株内切葡聚糖酶基因与其他芽
孢杆菌内切葡聚糖酶基因有高度同源性,但存在一
定的差异,是新的基因序列。枯草芽孢杆菌 C 36
内切葡聚糖酶与 GenBank中登陆的其他5个芽孢
杆菌内切葡聚糖酶的氨基酸序列(核酸序列编号分
别为 CAA82317、CAA97610、AAK94871、AAZ22322、
AAN07019)比较,结果表明:6条氨基酸同源序列长
图3 枯草芽孢杆菌C 36内切葡聚糖酶基因核苷酸全序列及其编码的氨基酸序列
Fig.3 NucleotideanddeducedaminoacidsequenceofendoglucanasegeneinBsubtilisC36
07 生 物 加 工 过 程   第7卷 
度为412氨基酸,仅在个别位置的氨基酸残基有所
不同,其同源率在90%~98%,具有高度的同源性。
  在丹麦技术大学生物序列分析中心(CBS)的网
站上,利用SingnalPV20WorldWideWebServer进
行信号肽切割位点预测。使用革兰氏阳性菌(G+)
细菌信号肽预测的 NeuralNetworks(NN)和 Hidden
MarkovModels(HMM)这2种模型进行预测。本研
究的枯草芽孢杆菌 C 36内切葡聚糖酶蛋白序列,
其信号肽切割位点在 29位和 30位氨基酸残基之
间,成熟蛋白为 470氨基酸。通过其 NetNGlyc10
在线分析软件进行 N 糖基化位点(AsnXaaSer/
Thr)的预测。在全长氨基酸序列中共有5个潜在的
N 糖基化位点。当取阈值为05时,第76位、263
位、318位、352位和386位的 Asn残基可能被糖基
化。出发菌株枯草芽孢杆菌C 36在密码子的选择
和使用上有明显的偏爱性,本基因在密码子的利用
频率方面也有明显的倾向性,特别是 Gly优先选择
GGA和 GGC,Ala优先选择 GCA,Tyr优先选则
TAT,Thr优先选择ACA。
此内切葡聚糖酶成熟蛋白(470氨基酸),含量最
高的3种氨基酸为甘氨酸(Gly,43个,915%),赖氨
酸(Lys,41个,872%)和天冬酰胺(Asn,40个,
851%);而含量最少的3种氨基酸为半胱氨酸(Cys,
2个,043%),甲硫氨酸(Met,4个,085%)和组氨酸
(His,9个,191%)。因此,不同氨基酸的含量差异
很大。根据内切葡聚糖酶成熟蛋白的氨基酸序列计
算出来的相对分子质量理论值为5225×104。
进一步分析表明,此内切葡聚糖酶成熟蛋白序
列中,疏水氨基酸207个,占总氨基酸的4404%,
亲水氨基酸263个,占5596%;酸性氨基酸55个,
占1170%,碱性氨基酸63个,占1340%。该蛋白
含无规卷曲,含量496%,其次是 β 折叠,含量为
285%,α 螺旋含量最低,只有219%。
2.3 内切葡聚糖酶基因的诱导表达
阳性基因工程菌经诱导培养后,进行SDS
PAGE,与含空载体的 BL21菌相比,pET End产生
1条特异性的蛋白质条带,此条带的相对分子质量
与内切葡聚糖酶成熟蛋白的计算相对分子质量理
论值相同,为647×104(图4)。
按方法14所述,经超声波破菌后,测得含有内
切葡聚糖酶的基因工程菌的细菌裂解液中有较高
的酶活性,总比酶活在最适温度为9902U/mL,是
出发菌株C36(6378U/mL)的155倍。
1—pET End诱导之前;
2~9—分别为pET End诱导2,3,4,5,6,7,8,9h;
10—不含内切葡聚糖酶基因的pET 32空载体;
11—蛋白质相对分子质量标准;箭头指示表达蛋白。
图4 内切葡聚糖酶基因表达产物的SDSPAGE分析
Fig.4 4SDSPAGEanalysisofexpressionof
endoglucanasegeneinE.coilBL21
2.4 表达产物的部分酶学性质测定
2.4.1 内切葡聚糖酶的最适反应pH
以不同pH的缓冲液配制质量分数为1%的底
物(CMC Na),取1mL不同 pH的底物与100μL
适当稀释的酶液50℃反应30min,测得不同 pH下
的酶活力(图5)。图5结果表明,该酶的最适反应
pH为60,在pH45~75范围内酶活可达最大酶
活的80%以上。
图5 内切葡聚糖酶的最适反应pH
Fig.5 OptimalpHofrecombinantendoglucanase
2.4.2 内切葡聚糖酶的pH稳定性
将酶液置于不同 pH的缓冲液于50℃保温30
min,测定残余酶活力,以原酶液的酶活作为100%
(图6)。结果表明,内切葡聚糖酶在 pH<4的缓冲
溶液中50℃处理30min后相对酶活力不到最高酶
活力的60%,而当pH≥4时,酶活力相对稳定,可保
持在最高酶活的70%以上。
17 第3期 官兴颖等:枯草芽孢杆菌C 36内切葡聚糖酶基因的克隆及其在大肠杆菌中融合表达
图6 pH对酶稳定性的影响
Fig.6 EfectsofpHonthestabilityofenzyme
2.4.3 内切葡聚糖酶的最适反应温度
在最适反应 pH环境下,将酶液分别在不同温
度下与底物反应30min后测定各反应酶活力(图
7)。由图7可知,该酶的最适反应温度为65℃。
图7 内切葡聚糖酶的最适反应温度
Fig.7 Optimaltemperatureofrecombinantendoglucanase
2.4.4 内切葡聚糖酶热稳定性测定
酶液分别置于不同温度下保温 30min,再与
50℃测定残余酶活力,以最高酶活作为100%(图
8)。图8结果表明,内切葡聚糖酶在50℃处理30
min后酶活力最高,在30~60℃相对稳定,可保持
在最高酶活的90%以上。
图8 温度对酶稳定性的影响
Fig.8 Efectsoftemperatureonthestabilityofenzyme
3 结 论
1)从自主分离的枯草芽孢杆菌 C 36基因组
中克隆了内切葡聚糖酶全基因,并对基因序列进行
了测定和分析。该基因与已报道的大多数芽孢杆
菌内切葡聚糖酶基因的结构基本一致,长度约为
15kb,存在一个开放阅读框(ORF),转录起始密码
子也是ATG(Met)。但是,不同菌株来源的结构基
因长度及核苷酸组成有所不同,同源性仅为22% ~
35%不等,同种菌株的同源性可高达90%以上。
2)采用原核表达载体 pET 32a,实现内切葡
聚糖酶基因在大肠杆菌中融合表达,比酶活力为
9902U/mL,是原产酶菌的155倍。对基因工程
菌pET End表达内切葡聚糖酶的最适反应温度、
最适反应pH、热稳定性和 pH稳定性等酶学性质进
行了初步研究。结果表明该酶的最适反应温度为
65℃,最适 pH为60,在30~60℃及pH45~75
处理后残余酶活力可保持最高酶活的80%以上。
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27 生 物 加 工 过 程   第7卷