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Expression and Characterization of a Novel Mannanse From Achaetomium sp. Xz8 in Pichia pastoris

Achaetomium sp. Xz8甘露聚糖酶在毕赤酵母中的表达及其酶学性质分析


甘露聚糖酶作为最主要的半纤维素酶类现已被广泛地应用在饲料、造纸、洗涤剂、食品及石油开采等领域。本研究从高温真菌Achaetomium sp. Xz8菌株中利用兼并引物和Thermal asymmetric interlaced PCR(Tail-PCR)的方法克隆获得一个新的糖苷水解酶5家族的甘露聚糖酶基因(man5Xz8)。基因全长1 239bp,序列分析发现其编码412个氨基酸和1个终止密码子,预测的信号肽序列为N端的20个氨基酸。将成熟蛋白序列克隆到毕赤酵母分泌型表达载体pPIC9中,利用甲醇诱导重组酵母菌表达目的蛋白,经SDS-PAGE电泳分析,表达蛋白分子量约55.0 kDa。对其酶学性质进行测定,Man5Xz8的最适pH值为5.0,在pH值 9.0可以保持40%以上的酶活性,在pH 值5.0~9.0具有良好的pH稳定性。最适作用温度为50℃,并对SDS具有较高的耐受性。以角豆胶为底物,Man5Xz8的比活、KmVmax值分别为101.6 U·mg-1、4.4 mg·mL-1、128.2 μmol·min-1·mg-1。因此,Man5Xz8为后期研究甘露聚糖酶的工业应用和酸碱催化机制提供了良好的材料。


全 文 :  核 农 学 报  2015,29(1):0087 ~ 0094
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2014⁃04⁃03  接受日期:2014⁃06⁃04
基金项目:国家“863”项目(2012AA022208)
作者简介:李文革,男,研究员,主要从事应用微生物研究。 E⁃mail: hnnklwg@ 163. com
通讯作者:戴良英,男,教授,主要从事植物与微生物分子互作。 E⁃mail:daily@ hunau. net
文章编号:1000⁃8551(2015)01⁃0087⁃08
Achaetomium sp. Xz8 甘露聚糖酶在毕赤酵母中的
表达及其酶学性质分析
李文革1,2   石鹏君3   卢海强3   姚  斌3   张祺玲2   戴良英1
( 1 湖南农业大学,湖南 长沙  410128;2 湖南省农业科学院,湖南 长沙  410125;
3中国农业科学院饲料研究所,北京  10081)
摘  要:甘露聚糖酶作为最主要的半纤维素酶类现已被广泛地应用在饲料、造纸、洗涤剂、食品及石油开
采等领域。 本研究从高温真菌 Achaetomium sp. Xz8 菌株中利用兼并引物和 Thermal asymmetric
interlaced PCR(Tail⁃PCR)的方法克隆获得一个新的糖苷水解酶 5 家族的甘露聚糖酶基因(man5Xz8)。
基因全长 1 239bp,序列分析发现其编码 412 个氨基酸和 1 个终止密码子,预测的信号肽序列为 N 端的
20 个氨基酸。 将成熟蛋白序列克隆到毕赤酵母分泌型表达载体 pPIC9 中,利用甲醇诱导重组酵母菌表
达目的蛋白,经 SDS⁃PAGE电泳分析,表达蛋白分子量约 55􀆰 0 kDa。 对其酶学性质进行测定,Man5Xz8
的最适 pH值为 5􀆰 0,在 pH值 9􀆰 0 可以保持 40%以上的酶活性,在 pH 值 5􀆰 0 ~ 9􀆰 0 具有良好的 pH稳定
性。 最适作用温度为 50℃,并对 SDS具有较高的耐受性。 以角豆胶为底物,Man5Xz8 的比活、Km及 Vmax
值分别为 101􀆰 6 U·mg - 1、4􀆰 4 mg·mL - 1、128􀆰 2 μmol·min - 1·mg - 1。 因此,Man5Xz8 为后期研究甘露聚糖
酶的工业应用和酸碱催化机制提供了良好的材料。
关键词:Achaetomium sp. Xz8;甘露聚糖酶;克隆;毕赤酵母;酶学性质
DOI:10􀆰 11869 / j. issn. 100⁃8551􀆰 2015􀆰 01. 0087
    植物细胞壁主要组成成分为纤维素,半纤维素以
及木质素,它们在其中的比例大约是 2∶ 1∶ 1[1]。 因此,
纤维素是植物细胞壁中最主要的组成成分,而半纤维
素的丰富程度仅次于纤维素,这 2 者是自然界中最主
要的能源物质。 半纤维素主要是由多种通过 β⁃1,4⁃糖
苷键聚合而成的多糖,主要为木聚糖、甘露聚糖、葡聚
糖、阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖等[2]。 其中甘露聚
糖(mannan)是仅次于木聚糖的第二大类半纤维素,由
β⁃1,4⁃甘露糖苷键或葡甘露糖苷键聚合而成的线状多
糖[3]。 根据不同甘露聚糖主链结构的差异主要分为 2
大类,分别为线状甘露聚糖( line mannan)和葡甘露聚
糖(glucomnanan) [4]。 另外,由于天然的甘露聚糖分子
含有半乳糖侧链,又可分为半乳甘露聚糖 ( galac⁃
tomannan)和半乳葡甘露聚糖(galactoglucomanan) [5]。
甘露聚糖的降解需要多种糖苷水解酶的协同作
用,例如甘露聚糖酶,甘露糖苷酶,半乳糖苷酶和脱乙
酰酶等[6]。 其中 β⁃1,4⁃甘露聚糖酶(mannanase, EC
3􀆰 2􀆰 1􀆰 78)是最主要的切割甘露聚糖主链的糖苷水解
酶[7]。 甘露聚糖酶在植物、软体动物和微生物中被广
泛发现,其中以微生物来源的甘露聚糖酶的种类最
多[8]、研究最广,中国科学院微生物研究所还曾通过
卫星搭载获得产甘露聚糖酶比对照高 90%的微生物
菌株[9]。 根据碳水化合物活性酶 CAZy 分类系统
(www. cazy. org),β⁃1,4⁃甘露聚糖酶主要划分为 3 个
糖苷水解酶家族,分别为 GH5、GH26 和 GH113[10]。
通过对其结构信息和催化机制的研究,这 3 个家族同
属于糖苷水解酶的超家族 Clan A[7]。 细菌来源的甘
露聚糖酶在 3 个家族均有分布,但真菌来源的甘露聚
糖酶基因大多都分布在 GH5 家族中。 中温真菌来源
的 5 家族甘露聚糖酶已被广泛研究,其最适 pH 值在
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核  农  学  报 29 卷
1􀆰 5 ~ 6􀆰 0 之间,温度在 40 ~ 60℃。 但高温真菌来源的
研究相对较少,如 Chaetomium sp. CQ31[11],Aspergillus
nidulans XZ3[12], Humicola insolens Y1[13], Thielavia
arenaria XZ7[14],Rhizomucor miehei[15]。 相对细菌来源
的甘露聚糖酶,真菌来源甘露聚糖酶具有高比活,表达
量高等特点,在造纸,纺织印染,洗涤,食品,饲料,医药
和石油开采等工业中已被广泛应用[16 - 17]。
巴斯德毕赤酵母表达系统具有表达量高、遗传稳
定性好、翻译后修饰、容易规模化生产、成本低等特
点[16]。 目前该系统已经广泛应用到真菌来源的半纤
维素酶的异源表达,如 Penicillium pinophilum C1 的 β⁃
1,3(4)⁃葡聚糖酶[18],Paecilomyces thermophila 的木聚
糖[19], Aspergillus niger BK01 的甘露聚糖酶[20]等。 本
研究从沙子样品中分离到 1 株高产半纤维素酶的真菌
Achaetomium sp. Xz8, 利用兼并引物和 Tail⁃PCR
(thermal assymetric interlaced PCR)的方法扩增到 1 个
新的第 5 家族的甘露聚糖酶基因 man5Xz8。 该基因在
毕赤酵母高效表达系统中获得成功表达,表达蛋白经
纯化后进行了酶学性质测定,为后期对 5 家族甘露聚
糖酶的酸碱催化机制提供优良的研究材料。
1  材料和方法
1􀆰 1  材料
1􀆰 1􀆰 1  菌种和试剂   无毛毛壳属 Achaetomium sp.
Xz8 分离于宁夏沙子表面,该菌种保存于中国微生物
菌种保藏管理委员会普通微生物中心,编号为 CGMCC
6545。 大肠杆菌菌株 Escherichia coli. DH 5α 和质粒
载体 pGEM⁃T Easy vector 购自 Promega公司(Madison,
Wis. ,USA),酵母表达载体 pPIC9 和宿主菌 Pichia
pastoris GS115 购自 Invitrogen 公司(San Diego,Calif. ,
USA),RACE 试剂盒,DNA 回收试剂盒,限制性内切
酶,T4 DNA连接酶购自美国 Promega公司。 角豆胶购
自 Sigma 公司(St Louis,MO,USA)。 常规试剂均为国
产分析纯。
1􀆰 2  甘露聚糖酶基因的克隆与分析
1􀆰 2􀆰 1  保守序列的克隆  根据已发表的真菌来源的
5 家族甘露聚糖酶基因的氨基酸序列进行比对,确定
NNWDDY(F) GG 和 AWELANEPR 为其保守区序列,
依据遗传密码子反推出相应的核苷酸序列,设计真菌
5 家族甘露聚糖酶的简并引物 MP1 和 MP2(表 1) [22]。
采用真菌基因组 DNA 提取方法 ( CTAB 法) 提取
Achaetomium sp. Xz8 基因组 DNA[21]。 以提取的基因
组 DNA(50 ng)为扩增模板,进行降落( Touchdown)
PCR扩增,PCR 反应参数为: 95℃ 5 min; 94℃ 30 s,
50 ~ 45℃ 30 s, 72℃ 30 s, 10 个循环 (其中每个循环
后复性温度下降 1℃); 94℃ 30 min, 45℃ 30 s, 72℃
30 s, 30 个循环; 72℃ 10 min。 将获得的特异性基因
片段进行回收,经于 pGEM⁃T Easy vector 连接挑取阳
性克隆送测序公司进行序列测定。
1􀆰 2􀆰 2  基因全长的克隆  根据已获得的测序正确的
基因保守区片段序列,根据 Tail⁃PCR方法[23]的原理设
计两翼未知序列的上下游引物(表 1) [20],采用 Tail⁃
PCR方法进行全长基因的扩增。 扩增得到的特异片
段与 pGEM⁃T Easy vector 连接,挑选阳性克隆子进行
序列测定,将获得的正确的两翼序列与保守区序列通
过软件进行拼接后得到正确的基因全长序列。
1􀆰 2􀆰 3  甘露聚糖酶 cDNA 的克隆   将 Achaetomium
sp. Xz8 原菌接种于产酶诱导培养基中,45℃、200
r·min - 1振荡培养 3 d,离心收集菌体,并用液氮进行
研磨,利用微生物总 RNA 提取试剂盒 ( QIAGEN,
Hilden,Germany)提取总 RNA。 利用反转录试剂盒
(Reverse Tra Ace⁃α⁃TM kit,TOYOBO,Osaka,Japan)通
过 Oligo⁃dT对提取的总 RNA进行反转录,合成 cDNA。
1􀆰 3  甘露聚糖酶基因在毕赤酵母中的重组表达
1􀆰 3􀆰 1  表达载体的构建  通过生物信息学分析其外
显子序列,设计表达引物 PIC5F 和 PIC5R(表 1) [20],
以合成的 cDNA 为模板,进行成熟蛋白基因的扩增,
反应条件为:94℃预变性 5 min;94℃ 30 s, 55℃ 30 s,
72℃ 2 min, 30 个循环后,72℃延伸 7 min。 扩增获得
的 PCR产物回收纯化后用 EcoR I 和 Not I 双酶切,然
后用 T4 DNA连接酶与酵母表达载体 pPIC9 载体进行
连接,构建酵母表达载体 pPIC9⁃man5Xz8,重组载体经
电击转化大肠杆菌 DH 5α,通过 PCR和质粒酶切的方
法筛选出阳性重组子,送测序公司测序正确后进行质
粒的提取。
1􀆰 3􀆰 2  酵母的电击转化及筛选  提取的阳性重组质
粒用 Bgl II进行酶切,获得线性化的质粒,通过电击方
法转化到毕赤酵母 GS115 感受态细胞。 按照美国
Invitrogen公司的酵母操作手册进行后期培养,筛选到
含有质粒的阳性转化子。
1􀆰 3􀆰 3  甘露聚糖酶酶活力测定方法  甘露聚糖酶的
测定方法采用 DNS 法测定[23]。 反应体系中底物为
900μL角豆胶(1􀆰 0% ,w / v),缓冲液选择 pH 值为 5􀆰 0
的 20mM磷酸氢二钠 -柠檬酸缓冲液,加入 100 μL的
酶液。 在 50℃水浴中反应 10min,然后加入 1􀆰 5mL
DNS,沸水浴中进行煮沸 5min,待反应体系降至室温,
在 540nm下利用分光光度计测定其 OD 值,并利用公
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  1 期 Achaetomium sp. Xz8 甘露聚糖酶在毕赤酵母中的表达及其酶学性质分析
        表 1  试验所用引物
Table 1  Primers used in this study
引物
Primers
序列
Sequences (5′→3′)
长度
Size / bp
MP1 AAYAAYTGGGAYGAYTWYGGNGG 23
MP2 GGYTCTYYNSCNATYTCCCANGC 23
man5Xz8⁃SF1 CGGCACGTCATAGTCCACGAACCCC 26
man5Xz8⁃SF2 CTTGGATGAAGGACGGCCGGGTTTGC 30
man5Xz8⁃SR1 CCGGGCGGACGCTGGGCAAG 34
man5Xz8⁃SR2 GTGGTGGGCGCGTGGCAGAAGACC 32
PIC5F GGG GAATTCGCCCCCAGCAAACCCGGCCGTCCTTC 35
PIC5R GGG GCGGCCGCTCAACGCCGATTGAGAGCATTCATC 36
    注: Y = C / T,R = A / G, S = C / G, N = A / T / G / C;限制性酶切位点用下划线在引物下方标示。
Note: Y = C / T,R = A / G, S = C / G, N = A / T / G / C. Restriction enzyme sites incorporated into primers are underlined.
式计算出酶活单位。 酶活单位定义:以每分钟产生出
1 μmol甘露糖所需酶量定义为一个酶活单位(U)。 对
照反映体系中仅含有底物,在反应 5 min 中后添加
1􀆰 5mL DNS和 100μL酶液,然后进行煮沸读值。
1􀆰 3􀆰 4  重组甘露聚糖酶的诱导表达  将 96 个阳性转
化子从 MD培养基上转接到 3 mL BMGY培养基中,30
℃、200 r·min - 1振荡培养 48 h,进行离心收集酵母菌
体,加入 1mL BMMY 液体培养基对菌体进行重新悬
浮,30 ℃、200 r·min - 1振荡培养 48 h,离心吸取上清
液,对各上清液在 50℃,pH 值 5􀆰 0 的反应条件下进行
酶活检测。 根据测定的酶活力高低筛选出活性最高的
转化子。 将活力最高的转化子进行摇瓶水平发酵,该
转化子接种到 300 mL BMGY 培养基中, 30℃、
200r·min - 1振荡培养 48 h 后,离心收集菌体,用 100
mL BMMY诱导培养基进行重悬,其中每间隔 12 h 往
里面加入 5%的甲醇,30℃、200 r·min - 1振荡培养 72
h。 诱导结束后进行高速离心收集上清液,再在 50℃,
pH值 5􀆰 0 的反应条件下进行酶活检测。
1􀆰 4  重组甘露聚糖酶的纯化
离心收集的上清液首先用 Vivaflow 50 切向流超
滤膜包(Sartorius, Göttingen公司, 德国)进行浓缩,取
2􀆰 0 mL浓缩后的粗酶液上预先用缓冲液 A(20 mM
Tris⁃HCl, pH 值 8􀆰 0 的缓冲液) 平衡的 HiTrap Q
Sepharose Xl阴离子柱(GE healthcare),采用终浓度为
1mol·L - 1 NaCl进行梯度洗脱,对各洗脱峰进行收集,
分别对其进行酶活测定。 将测定到具有酶活的洗脱峰
进行(SDS)⁃polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE)
蛋白电泳分析。 根据电泳结果分析其纯度和分子量,
并将达到电泳纯的各管合并,经过浓缩后通过 Biorad
方法进行蛋白定量。
1􀆰 5  甘露聚糖酶酶学性质的测定
1􀆰 5􀆰 1  最适 pH和最适温度的测定  最适 pH的测定
体系是以不同的 pH 缓冲液(pH 值 4􀆰 0 ~ 10􀆰 0)配制
的 1%角豆胶溶液作为底物,将纯化的酶在各 pH下进
行稀释,然后在 50℃条件下反应 10min, 进行酶活测
定。 最适温度则是在测定的最适 pH 下,将反应温度
控制在 30 ~ 80℃范围内,每间隔 10℃下进行酶促反
应,然后根据测定酶活力。
1􀆰 5􀆰 2  pH稳定性和热稳定性的测定   pH 稳定性的
测定是先将纯化酶液在 pH 值 4􀆰 0 ~ 11􀆰 0 的缓冲液中
37℃下温浴 1 h,然后进行适当稀释后以角豆胶作为底
物,在最适 pH 和最适温度下测定剩余的酶活性。 热
稳定性的测定选择不同温度(30、40℃)下分别处理不
同时间(2、5、10、2、30 和 60min),最后在最适条件下
测定剩余酶活力,以未处理的酶作为阴性对照。
1􀆰 6  金属离子和化学试剂对酶活性的影响
不同浓度(1、5 mmol·L - 1)的金属离子及化学试
剂 ( Cu2 + 、 Mg2 + 、 Fe3 + 、 Zn2 + 、Ag + 、Na + 、K + 、Ca2 + 、
Li + 、Co2 + 、Cr3 + 、Ni2 + 、Mn2 + 、EDTA 和 SDS)加入到反
应体系中,然后在最适反应条件下测定酶活力。 以不
添加任何离子和试剂的作为对照,根据酶活力数值换
算出各种金属离子及化学试剂在不同浓度下对酶活的
影响。
1􀆰 7  底物特异性和动力学常数的测定
1􀆰 7􀆰 1  底物特异性分析  在最适 pH 值 5􀆰 0 和最适
温度 50℃条件下,以 1􀆰 0% (w / v)的角豆胶、魔芋粉、
瓜尔豆胶,榉木木聚糖,大麦葡聚糖,CMC⁃Na 作为底
物,用甘露聚糖酶进行处理,采用 DNS 法测定酶解液
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核  农  学  报 29 卷
中的还原糖,根据还原糖的数值换算出酶对不同底物
的降解能力。
1􀆰 7􀆰 2  动力学常数测定  动力学常数(Km和 Vmax)的
测定选取角豆胶为底物,配置 1􀆰 0 ~ 10􀆰 0 mg·mL - 1的
底物,缓冲液选取 0􀆰 2 mol·L - 1 pH 值 5􀆰 5 柠檬酸 -磷
酸氢二钠缓冲液。 然后在最适 pH 和最适温度下反应
5 min, 获 得 酶 活 单 位。 利 用 双 倒 数 作 图 法
(lineweaver⁃burk法),即以 1 / [ s]为横坐标,1 / v 为纵
坐标绘制曲线,通过米氏方程进行计算,获得酶对角豆
胶的动力学常数。
2  结果与分析
2􀆰 1  甘露聚糖酶基因的克隆与序列分析
利用 5 家族甘露聚糖酶的兼并引物通过降落 PCR
扩增出特异的基因片段(179 bp),通过与 NCBI 数据
库中已注册的序列进行比对,结果表明获得的基因片
段的氨基酸序列与来源于 Chaetomium sp. CQ31 的甘
露聚糖酶的氨基酸序列(GenBank No. ADW82104􀆰 1)
一致性为 93% ,初步证明获得的基因片段为甘露聚糖
酶基因的部分片段。 通过 TAIL⁃PCR 扩增获得了该片
段两翼的基因序列,通过软件拼接获得了基因全长序
列。 对全长序列进行序列分析发现,该基因长度为
1 308 bp, 其中 184 ~ 252 bp 为预测的内含子序列。
cDNA序列测序发现其 mRNA全长 1 239 bp, 编码 412
个氨基酸和 1 个终止密码子,信号肽预测表明其 N 端
含有 20 个氨基酸为信号肽序列,预测的理论分子量为
39􀆰 3kDa,等电点 pI 为 5􀆰 97。 经 BlastP 序列比对表明
其氨基酸序列与来源于 Humicola sp. Y1 的经过性质验
证的 5 家族甘露聚糖酶氨基酸序列 ( GenBank No.
ADZ99301􀆰 1)一致性为 82% ,序列已递交 GenBank,注
册号为 KF941300。 利用生物信息学软件对其进行了
同源建模并预测了三维结构,其两个推测的两个酸碱
催化残基 Glu (207)和 Glu (326)分别位于第 4 个和
第 7 个 β折叠片上。
2􀆰 2  甘露聚糖酶在毕赤酵母中的表达
通过 RT⁃PCR扩增获得甘露聚糖酶基因的成熟蛋
白编码基因,PCR产物经双酶切后连接到毕赤酵母表
达载体 pPIC9 上,经序列测定后构建出了正确的重组
表达载体 pPIC9⁃man5Xz8。 重组表达质粒经 Bgl II 线
性化后,电击转化毕赤酵母感受态细胞 GS115。 重组
转化子通过诱导培养基里用甲醇诱导产酶 48 h, 对发
酵上清液进行活性测定。 100 个转化子中有 62 株可
明显检测到甘露聚糖酶活性,其中 27#转化子的酶活
力最高,将其进行摇瓶发酵 72 h 后进行测定,酶活力
可达到 62􀆰 0 U·mL - 1。
2􀆰 3  甘露聚糖酶的纯化
摇瓶水平的发酵上清液经过浓缩,经离子交换柱
层析法分离。 SDS⁃PAGE结果表明经过分离纯化获得
电泳纯的表达蛋白。 其表观蛋白分子量为 55􀆰 0 kDa
(图 1),相比理论分子量 39􀆰 3kDa蛋白偏大,这可能由
于毕赤酵母表达后发生了 N⁃糖基化所造成的。
注:M: 蛋白分子量 Marker; 1, 2: 纯化的重组蛋白 Man5Xz8。
Note: M: Protein molecular weight marker。
1, 2: Purified recombinant Man5Xz8.
图 1  纯化的甘露聚糖酶Man5Xz8 的 SDS⁃PAGE分析
Fig. 1  SDS⁃PAGE analysis of the purified of the
recombinant Man5Xz8
2􀆰 4  酶学性质的分析
纯化的甘露聚糖酶最适 pH 值为 5􀆰 0,在 pH 值
8􀆰 0 ~ 9􀆰 0 仍可以保持 40%左右的酶活力(图 2 - A)。
37℃下在 pH值 5􀆰 0 ~ 9􀆰 0 的缓冲液中处理 l h,酶活力
仍剩余 80%以上(图 2 - B),而在酸性(pH 值 < 4􀆰 0)
和碱性条件( pH 值 > 10􀆰 0)下不稳定。 最适温度为
50℃,在低温条件下具有良好的酶活力,而在 70℃仅
剩余 20%的酶活力(图 2 - C),该酶的热稳定性很差,
仅在 30℃下稳定,而 40℃处理 20 min,酶活仅剩余
20% (图 2 - D)。
2􀆰 5  不同金属离子及化学试剂对酶活力的影响
不同浓度的化学试剂及金属离子对 Man5Xz8 的
活力具有不同的影响。 结果表明,低浓度下大多数金
属离子和化学试剂对酶活力影响不大,而 Ag +能明显
的降低酶活, 较突出的是在 1mM SDS 下依然能够保
持 80%以上的酶活;Cu2 + 、Co2 +和 Mn2 +能一定程度上
09
  1 期 Achaetomium sp. Xz8 甘露聚糖酶在毕赤酵母中的表达及其酶学性质分析
注:A: 酶的最适 pH; B: 酶的 pH稳定性; C; 酶的最适温度; D: 酶的热稳定性。
Note: A: Effect of pH on mannanase activity. B: pH stability;of mannanase stability. C: Effect of temperature on
mannanse activity. D: Thermostability of recombinant enzyme.
图 2  甘露聚糖酶Man5Xz8 的酶学性质
Fig. 2  Properties of the recombinant Man5Xz8
促进酶活。 但在高浓度下,仅有 Cu2 +和 Mn2 +对酶具
有促进作用,其他离子和试剂均对酶活力起到一定的
抑制作用。
2􀆰 6  底物特异性和动力学分析
结果表明,Man5Xz8 对角豆胶的降解能力最强
(100% ),比活力为 101􀆰 6 U·mg - 1,其次是魔芋粉
(65􀆰 2% ),瓜尔豆胶(13􀆰 1% )、而对榉木木聚糖、大麦
葡聚糖糖和 CMC⁃Na没有活性。 以角豆胶为底物测定
的 Man5Xz8 的 Km 值分别为 4􀆰 4mg·mL - 1,Vmax 值为
128􀆰 2μmol·(min·mg) - 1。
3  讨论
Achaetomium sp. Xz8 分离于宁夏沙子样品,通过
对其生长温度的研究发现其最适生长温度在 45 ~
50℃之间,而在 20℃下不能生长,说明其是一株高温
真菌。 通过对其产酶进行了诱导培养,发现其可高产
纤维素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶等多种酶系。 本研究
从 Achaetomium sp. Xz8 得到的 5 家族的甘露聚糖酶
是一个中温酶(50℃)。 其与来源于 H. insolens Y1 的
5 家族甘露聚糖酶 Man5A 成熟蛋白的氨基酸序列一
致性为 90􀆰 0% [13]。 但其最适温度和稳定性与 Man5A
有很大的区别,Man5A的最适温度为 70℃比 Man5Xz8
(50℃)高 20℃。 另外,在热稳定性方面,Man5A 在
50℃下具有较好的稳定性,而 Man5Xz8 在 40℃都比较
差。 通过 2 者氨基酸序列和模拟三维结构比较,
           表 2 不同金属离子及化学试剂对酶活力的影响
Table 2  Effect of metal ions and chemical reagents on the
enzyme activity of purified recombinant Man5Xz8
试剂
Regeants
相对酶活力
Relative activity / %
1 mM 5 mM
None 100􀆰 0 ± 2􀆰 4 100􀆰 0 ± 3􀆰 7
Li + 93􀆰 9 ± 4􀆰 1 70􀆰 1 ± 3􀆰 1
Na + 93􀆰 7 ± 4􀆰 0 90􀆰 4 ± 3􀆰 7
K + 101􀆰 6 ± 4􀆰 1 93􀆰 8 ± 4􀆰 2
Ag + 65􀆰 0 ± 2􀆰 7 10􀆰 7 ± 0􀆰 9
Ca2 + 86􀆰 1 ± 2􀆰 9 75􀆰 5 ± 3􀆰 6
Cu2 + 121􀆰 8 ± 5􀆰 2 113􀆰 1 ± 5􀆰 6
Co2 + 114􀆰 8 ± 5􀆰 0 96􀆰 3 ± 4􀆰 0
Mn2 + 157􀆰 9 ± 6􀆰 4 145􀆰 7 ± 6􀆰 7
Ni2 + 103􀆰 4 ± 4􀆰 1 96􀆰 0 ± 4􀆰 2
Zn2 + 87􀆰 2 ± 3􀆰 8 82􀆰 8 ± 3􀆰 5
Mg2 + 88􀆰 2 ± 3􀆰 8 92􀆰 2 ± 3􀆰 8
Fe3 + 92􀆰 8 ± 3􀆰 7 82􀆰 6 ± 3􀆰 8
EDTA 92􀆰 6 ± 3􀆰 4 79􀆰 4 ± 3􀆰 8
SDS 82􀆰 5 ± 3􀆰 6 34􀆰 8 ± 1􀆰 4
Man5Xz8 在结构上 Loop 区的长度更长,脯氨酸含量
低,这些是可能导致其热稳定性差的相关因素。 酶的
热稳定性研究是目前研究的热点,而且影响酶的热稳
定性因素众多,包括蛋白质氨基酸的组成,糖基化的有
19
核  农  学  报 29 卷
无,三维结构中刚性和柔性区域的比例,Loop 区的长
短,氨基酸相互形成的化学键及作用力[24]。 因此后期
进行相关的氨基酸序列分析,对其二级和三级结构进
行比较寻找关键结构区域或氨基酸残基,结合生物信
息学技术和突变技术进行相关突变体的性质测定来研
究对 GH5 家族甘露聚糖酶的稳定性起决定作用的因
素。
由于真菌来源的 GH 5 甘露聚糖酶具有很多优良
性质,不同种属的基因已被克隆,并大多进行了异源表
达和性质测定。 其中大多数甘露聚糖酶最适 pH 大多
都在酸性范围(pH值 4􀆰 0 ~ 5􀆰 0),而在 pH值 8􀆰 0 以上
几乎没有活性[4]。 经酶学性质测定,其最适 pH 值为
5􀆰 0, 与已报道的真菌来源的甘露聚糖酶性质类似,但
其在 pH值 9􀆰 0 仍具有 40%左右的酶活力。 在碱性
pH下仍具有较高酶活力的甘露聚糖酶报道很少,如
Man5A 来源于 H. insolens Y1[12], Man5Xz7 来源于
Thielavia arenaria XZ7[14]和Man5Xz3 来源于 Aspergillus
nidulans Xz3[12]。
对这些基因相关序列进行比对分析发现其氨基酸
序列组成中碱性氨基酸所占比例相对较高,对
Man5Xz8 的序列分析表明,其酸性氨基酸和碱性氨基
酸比例为 51∶ 45,其中碱性氨基酸大多分布在蛋白质
表面和催化中心。 蛋白质表面的碱性氨基酸导致其在
中碱性 pH下可以保持良好的稳定性,而催化中心的
碱性氨基酸使其能在碱性 pH作用范围内具有较高酶
活。
甘露聚糖酶基因 man5Xz8 已成功在毕赤酵母中
获得分泌表达,摇瓶发酵 72 h 酶活力可达到 62􀆰 0
U·mL - 1,明显低于已报道的来源于 Aspergillus niger
BK01 的甘露聚糖酶(670 U·mL - 1) [20]。 以后通过优
化基因的拷贝数和密码子,以及 G + C 含量与信号肽
序列,Man5Xz8 表达水平可能会进一步提高,从而在工
业应用中更节约成本。 SDS⁃PAGE 结果发现其表观分
子量为 55􀆰 0 kDa,明显高于理论分子量 39􀆰 3 kDa. , 说
明其在毕赤酵母表达过程发生了翻译后修饰修饰。 毕
赤酵母表达系统表达的蛋白的糖基化修饰主要为 N⁃
糖基化和 O⁃糖基化,其中最常见的为 N⁃糖基化[12]。
通过氨基酸序列分析和软件预测发现,Man5Xz8 不含
有潜在的 O⁃糖基化位点,但存在 3 个潜在的 N⁃糖基化
位点,说明重组表达的 Man5Xz8 发生了明显的 N⁃糖基
化修饰。 后期可通过定点突变对其 N⁃糖基化修饰对
酶的折叠、酶活力、和稳定性的影响进行研究。
Man5Xz8 具有较好的金属离子和化学试剂抗性,其中
Zn2 +和 Fe3 +对酶活几乎没有任何影响,而重金属离子
Cu2 +和Mn2 +能促进酶活力,而通常这些离子抑制真菌
来源的 5 家族的甘露聚糖酶活力,这说明 Man5Xz8 具
有更高的金属离子耐受性。 化学试剂 SDS 已被报道
对多种甘露聚糖酶具有明显的抑制作用,如来源于
Chaetomium sp. CQ31[11]的 CsMan5A经 SDS处理后仅
能剩余 20% 的酶活力,来源于 H. insolens Y1[13]的
Man5A则酶活力完全丧失。 而 Man5Xz8 在 1mM SDS
下,依然能够保持 80%以上的酶活,表现出的对 SDS
的高耐受性。
4  结论
通过兼并引物和 Tail⁃PCR 的方法从高产甘露聚
糖酶的高温真菌 Achaetomium sp. Xz8 中获得了 1 个
新的 5 家族甘露聚糖酶,并成功在毕赤酵母中获得高
效表达。 重组酶具有中温耐碱的特性,并且对大多数
金属离子和化学试剂具有良好的耐受性,有利于其在
工业领域中的应用。 发现 Man5Xz8 和其氨基酸一致
性高的甘露聚糖酶的性质差异明显,进一步进行三维
结构比较分析和定点突变,为后期研究 5 家族的甘露
聚糖酶的酸碱催化和热稳定性机理提供了优良的材
料。
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2015,29(1):0087 ~ 0094
Expression and Characterization of a Novel Mannanse From
Achaetomium sp. Xz8 in Pichia pastoris
LI Wenge1,2   SHI Pengjun3   LU Haiqiang3   YAO Bin3
ZHANG Qiling2   DAI Liangying1
( 1Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan  410128;2 Hunan Institute of Nuclear Agricultural
Sciences and Space⁃induced Breeding, Changsha, Hunan  410125;3Feed Research Institute
Chinese Acedemy of Agricultural Sciences, Beijing  100081)
Abstract:Mannanase, one of the main hemicellulose⁃degrading enzymes, is widely used in animal feed, paper,
detergent, food, oil exploration and other fields. In this study, a glycoside hydrolase family 5 mannanse gene,
man5Xz8, was cloned by degenerate primers and Tail⁃PCR from thermophilic fungus Achaetomium sp. Xz8. The full⁃
length gene consists of 1 239 bp and encodes 412 amino acids, including a putative signal peptide of 20 residues at N⁃
terminus. The mature protein sequence was successfully expressed in pichia pastoris GS115. The recombinant protein
expression was induced by methanol, and the molecular weight of Man5Xz8 was about 55􀆰 0 kDa analyzed by SDS⁃PAGE
analysis. Man5Xz8 showed the optimal activity at pH 5􀆰 0, it retained > 40􀆰 0% of the maximal activity at pH 9􀆰 0, and
showed high stability over the pH range 5􀆰 0 to 9􀆰 0. The optimum temperature was 50℃, and it has strong resistance to
SDS. The specific activity, Km and Vmax values towards beechwood xylan were 101􀆰 6 U·mg - 1, 4􀆰 4 mg·mL - 1 and 128􀆰 2
μmol·(min·mg) - 1, respectively. This study provides an excellent mannanse as candidate favorable for various
industries and primarily determines the acid⁃base catalytic mechanism.
Keywords:Achaetomium sp. Xz8, mannanse, cloning, Pichia pastoris, enzyme properties
49