Identification of key amino acid sites for pH stability of GH46 family chitosanase
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摘要: 壳寡糖具有多种生物活性，是目前仅知的唯一碱性寡糖，在食品、农业和生物医药领域应用广泛。壳聚糖酶可以特异性切割壳聚糖中的β-1,4糖苷键，形成不同聚合度的壳寡糖，因此，获得具有良好稳定性的壳聚糖酶是大规模酶法制备壳寡糖的关键。为了鉴定影响糖苷水解酶 (Glycoside hydrolase, GH) 46家族壳聚糖酶酸碱耐受性的相关氨基酸位点，选取来自芽孢杆菌 (Bacillus sp.) DAU101 (最适pH为7.5) 的壳聚糖酶为模板，以来自芽孢杆菌的壳聚糖酶Csn-BAC为研究对象，综合同源建模和序列比对的方法，选取了4个候选位点并构建了4个突变体 (V1: P68A; V2: A137G; V3: A203M; V4: H234E)。结果显示，与Csn-BAC相比，4个突变体的热稳定性均出现了不同程度的下降，而酸碱耐受性有了明显的提升。结果表明，选取的氨基酸位点对酸碱耐受性均产生了显著的影响，同时表明该策略在改造壳聚糖酶稳定性方面是一种有效的方法。Abstract: Chitooligosaccharides, which have a variety of biological activities, are the only known basic oligosaccharide widely used in food, agriculture and biomedicine. Chitosanases can cleave the β-1,4 glycosidic bonds in chitosan specifically to form chitooligosaccharides with different degrees of polymerization. Therefore, obtaining chitosanases with good stability is the key for the large-scale enzymatic preparation of chitooligosaccharides. In order to identify the amino acid sites affecting the pH stability of GH46 family chitosanases, the chitosanase from Bacillus sp. DAU101 (optimal pH 7.5) was selected as template and the chitosanase Csn-BAC from Bacillus sp. MD-5 as the research object. By combining homology modeling and sequence alignments, four candidate sites were selected, and the corresponding mutants were obtained (V1: P68A; V2: A137G; V3: A203M; V4: H234E). Compared with Csn-BAC, the thermal stabilities of four mutants showed varying degrees of reduction, while the pH stability was significantly improved. These results indicate that the selected amino acid sites have an obvious effect on pH tolerance, and this strategy is an effective way to modify the stability of chitosanase.
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Keywords:
- Chitosanase /
- Key amino acids /
- Sequence alignment /
- pH tolerance /
- Homology modeling
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壳聚糖是由甲壳素经过部分脱乙酰作用得到的具有独特功能特性的天然阳离子聚合物，由D-氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成[1]。作为自然界中唯一的碱性阳离子多糖，壳聚糖具有很好的吸附性和黏性，可以应用于食品、材料等领域，但由于其相对分子量较大，不易溶于水，只能溶于某些酸性溶液中，限制了壳聚糖的有效利用[2]。壳寡糖是壳聚糖进一步水解产生的聚合度介于2~20的低分子氨基寡糖[3]，由于其链长较短和游离的氨基而易溶于水。壳寡糖具有多种生物活性，如抗氧化[4-5]、抗肿瘤[6-7]和抗菌[8-9]等，广泛应用于食品、农业和生物医药等领域[4,10-12]。壳寡糖可通过化学法、物理法和酶法制备获得[13]。与高污染的化学法和高成本的物理法相比，通过酶法制备壳寡糖对环境友好、产率高且产物聚合度可控，已被广泛应用于工业生产[14]。
壳聚糖酶 (EC 3.2.1.132) 是一类特异性水解壳聚糖中的β-1,4糖苷键，形成不同聚合度壳寡糖的水解酶，广泛分布于细菌、真菌、病毒以及植物等生物群中，在降解壳聚糖、制备壳寡糖中发挥着重要作用[15-20]。酶制剂是工业生物技术快速发展的基石，设计高效稳定的酶制剂是工业生物技术时代需要攻克的关键科学问题[21]。但目前开发的壳聚糖酶常常具有稳定性差、效率低、成本高等缺陷，仅依靠天然酶分子势必无法满足工业发展的迫切需求；此外工业生产中的高温、偏酸等环境对壳聚糖酶的稳定性提出了更加严格的要求。因此通过鉴定并改造影响壳聚糖酶稳定性的关键氨基酸位点，获得高效稳定的新型壳聚糖酶对我国壳寡糖工业生产技术的升级具有重要意义。
根据蛋白质中氨基酸序列的相似性，将不同物种来源的壳聚糖酶分成不同的蛋白质家族。目前发现的壳聚糖酶归属于6个糖苷水解酶 (Glycoside hydrolase, GH) 家族，包括GH5、GH7、GH8、GH46、GH75和GH80[16]。其中GH46家族的壳聚糖酶受到的关注最多，已有大量壳聚糖酶在真核或原核系统中实现重组表达，对该家族中壳聚糖酶的基本性质、催化特点及酶解产物分析的研究均有所涉及[2,17-20,22-24]。目前已报道的大多数GH46家族的壳聚糖酶，其最适温度为30~50 ℃，最适pH为5~7[16]。也有少数具有良好的热稳定性或酸碱耐受性等特殊性质，如来自芽孢杆菌 (Bacillus sp.) CK4的壳聚糖酶在80 ℃的半衰期为90 min[25]；来自芽孢杆菌DAU101的壳聚糖酶其最适pH为7.5[26]，说明这些酶中可能存在某些特殊的氨基酸位点使其与大多数已报道的壳聚糖酶不同。本研究选取了来自芽孢杆菌DAU101的壳聚糖酶为模板，以实验室已报道的来源于芽孢杆菌MD-5的壳聚糖酶Csn-BAC[2]为研究对象，综合同源建模和序列比对的方法，选取了可能影响该家族壳聚糖酶酸碱耐受性的氨基酸位点进行鉴定，以期为该家族壳聚糖酶稳定性的改造提供依据。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 菌株和质粒
感受态细胞大肠杆菌Escherichia coli BL21 (DE3) [天根生化科技 (北京) 有限公司]；质粒pET-28a (+) 由本实验室保藏。
1.1.2 主要试剂
引物合成 (青岛派森诺基因生物技术有限公司)；PCR产物纯化及质粒提取试剂盒 [天根生化科技 (北京) 有限公司]；卡那霉素 (Kanamycin, Kan)、异丙基-β-D-硫代半乳糖苷 (Isopropyl-beta-D-thiogalactopyranoside, IPTG) (Solarbio公司)；标准分子量蛋白Marker、DNA聚合酶KOD-Plus-Neo [东洋纺 (上海) 生物科技有限公司]；T4 DNA连接酶、限制性内切酶BamHІ、HindIII、DpnI (ThermoFisher Scientific公司)；壳聚糖 [脱乙酰度 (Degree of deacetylation, DDA), 95%, Macklin公司]；壳寡糖标准品 (聚合度1~6，青岛博智汇力生物科技有限公司)。
1.1.3 培养基
Luria-Bertani (LB) 培养基：蛋白胨10 g·L−1、酵母提取物5 g·L−1、氯化钠 (NaCl) 10 g·L−1、琼脂粉15 g·L−1 (固体培养基时加入)，121 ℃灭菌20 min。
1.1.4 仪器与设备
低温高速离心机、PCR仪 (Eppendorf公司)；DYY-6C型电泳仪 (北京市六一仪器厂)；JY92-IIN超声波细胞破碎仪 (宁波新芝生物科技公司)；恒温培养箱 (上海喆图科学仪器公司)；Haier生物冰箱 (青岛海尔)；DW-86L386立式超低温保存箱 (青岛海尔特种电器)。
1.2 序列分析
从美国国家生物技术信息中心 (National Center for Biotechnology Information，NCBI，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) 下载壳聚糖酶Csn-BAC (GenBank: CP021911.1) 的序列，同时下载GH46家族中已详细报道酶学性质的壳聚糖酶序列，其中包括来源于芽孢杆菌DAU101的壳聚糖酶 (GenBank: ABC66094) 序列，然后使用Clustal X算法对Csn-BAC及所选序列进行多序列比对[27]。并选择蛋白质数据库 (Protein Data Bank, PDB) 中同源性较高的壳聚糖酶为模板，在SWISS-MODEL (https://www.swissmodel.expasy.org/) 在线网址上进行同源建模，并将输出的模型在PyMOL软件上进行分析。
1.3 定点突变
Csn-BAC作为野生型酶[2]，使用基于聚合酶链式反应 (Polymerase Chain Reaction, PCR)的方法进行定点突变。用于突变的引物序列见表1。经限制性内切酶DpnI酶切后，转化至大肠杆菌BL21 (DE3) 感受态细胞中，利用LB-Kan平板进行筛选，挑取转化子进行测序以验证突变情况。
表 1 定点突变引物Table 1. Primers for directed evolution引物
Primer name序列 (5'—3')
Sequence (5'—3')P68A上游引物
Fw P68AGCCCGTCACCCAATGCCTCGACATATCCATA P68A下游引物
Rv P68ATATGGATATGTCGAGGCATTGGGTGACGGGC A137G上游引物
Fw A137GCGAAATTCCTTATCATTTCCAAGCGACTTCCAGGCA A137G下游引物
Rv A137GTGCCTGGAAGTCGCTTGGAAATGATAAGGAATTTCG A203M上游引物
Fw A203MTTGGTGACCCGCCCATTTTTTTGTTCGTACGTTTAATCAAGGC A203M下游引物
Rv A203MGCCTTGATTAAACGTACGAACAAAAAAATGGGCGGGTCACCAA H234E上游引物
Fw H234EGTCACGGGTGTCCTCATTTGCCGGATTCATCAGATCG H234E下游引物
Rv H234ECGATCTGATGAATCCGGCAAATGAGGACACCCGTGAC 1.4 蛋白表达及纯化
将重组质粒转化至大肠杆菌BL21 (DE3) 感受态细胞后，接种至添加了Kan (50 μg·mL−1) 的LB培养基中，于37 ℃培养箱中培养至光密度 (OD600) 为0.6~0.8，用IPTG (0.1 mmol·L−1) 进行诱导表达，并于30 ℃继续培养15 h。将所得菌液超声破碎后，使用ProteinIso®Ni-NTA Resin色谱柱 (北京全式金生物技术有限公司) 纯化His标签标记的蛋白，并以NPI-200缓冲液 [200 mmol·L−1咪唑、50 mmol·L−1磷酸二氢钠 (NaH2PO4)、300 mmol·L−1NaCl，pH 8] 洗脱目标蛋白，然后在4 ℃下用10 kD截止膜超滤除盐，得到的蛋白质用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 (SDS-PAGE) 进行分析。蛋白质浓度用Bradford法测定[28]。
1.5 活性测定
以胶体壳聚糖 (10 g·L−1, 95% DDA) 为底物，加适量的酶液和磷酸盐缓冲液 (pH 7)，在37 ℃下反应10 min，于100 ℃水浴10 min终止反应后，用改良的3,5-二硝基水杨酸试剂法 (DNS) [17]测定还原糖的量，并于520 nm处测定吸光值。1个单位的酶活 (U) 定义为每分钟每生成1 μmol的还原糖所需要的酶量。
1.6 酶学性质分析
1.6.1 最适温度和pH
利用pH 7的磷酸盐缓冲溶液，将所得突变体分别在30~70 ℃进行酶促反应，确定酶的最适反应温度。将胶体壳聚糖置于不同pH (3~10) 的缓冲液中，所用缓冲体系分别为：柠檬酸盐缓冲溶液 (pH 3~6)、磷酸盐缓冲溶液 (pH 6~8)、Tri-HCl缓冲溶液 (pH 8~9) 和甘氨酸缓冲溶液 (pH 9~10)，在最适温度下测定突变体酶活，确定pH对其酶活的影响。
1.6.2 温度和pH稳定性
利用pH 7的磷酸盐缓冲溶液，分别在30~70 ℃孵育1 h后，在最适反应温度下测定突变体酶活，确定温度对其稳定性的影响。将胶体壳聚糖置于不同pH (3~10) 的缓冲液中，所用缓冲体系同1.6.1，于室温孵育1 h后，在最适温度下测定突变体酶活，确定pH对其稳定性的影响。
1.7 动力学分析
在标准条件下，用纯化的酶 (100 µL) 和不同浓度的壳聚糖 (500 µL) 在37 ℃下反应5 min，然后加入375 µL DNS溶液终止反应，进行动力学分析。使用Lineweaver-Burk双倒数作图法在底物质量浓度介于1~10 mg·mL−1内测定了包括米氏常数 (Km)、催化常数 (Kcat) 和催化效率(Kcat/Km) 在内的动力学参数。
2. 结果与分析
2.1 Csn-BAC突变位点的选择
由于壳聚糖酶Csn-BAC的蛋白结构尚未解析，因此采用同源建模的方法预测其蛋白结构。基于序列比对的结果，选取了来源于枯草芽孢杆菌 (B. subtilis) MY002的壳聚糖酶CsnMY002 ( PDB ID: 7C6C) [29]为模板 (与Csn-BAC的序列相似性为96.28%)，利用SWISS-MODEL在线网址 (https://swissmodel.expasy.org/) 对Csn-BAC进行同源建模，并在PyMOL软件上进行可视化分析，结果见图1。将从NCBI下载的壳聚糖酶序列与Csn-BAC的序列进行比对，结果见图1-c。结合模拟的结构与序列比对，最终选取了4个点 (其中P68和H234靠近底物结合口袋，A137和A203则远离结合口袋，位于表面)，并按照来自芽孢杆菌DAU101壳聚糖酶的序列进行了定点突变 [V1 (P68A)、V2 (A137G)、V3 (A203M)和V4 (H234E)]。
2.2 突变体表达及纯化
对突变体进行诱导表达，菌液离心后取上清液为粗酶液。将粗酶液利用镍离子亲和层析进行纯化，在NPI-200溶液中将目标产物洗脱下来，并进行SDS-PAGE分析，结果见图2。在35 kD附近有与野生型Csn-BAC大小相符的单一蛋白条带，证明突变体成功表达，经超滤浓缩后，可进行后续分析和研究。
2.3 突变体酶活测定
突变体比酶活测定结果见图3。在37 ℃、pH 7条件下，Csn-BAC及其突变体V1、V2、V3和V4的比酶活分别为258.32、241.08、270.44、291.22和291.65 U·mg−1。各突变体的水解活性与野生型Csn-BAC相比无较大差异。其中突变体V3、V4的活性为Csn-BAC的113%左右。突变体的比酶活高于来自曲霉 (Aspergillus sp.) W-2菌株的壳聚糖酶CsnW2 (34 U·mg−1)[30]、树状拟芽孢杆菌 (Paenibacillus dendritiformis) 的壳聚糖酶Csn-PD (76.4 U·mg−1)[16] 和丁核弧菌 (Butyribrio sp.) MC2013的壳聚糖酶BUT (146 U·mg−1)[31]，与根际细菌 (Gynuella sunshinyii) 中的壳聚糖酶GsCsn46A相似 (260.39 U·mg−1)[32]，低于枯草芽孢杆菌 (B. subtilis) CH2菌株在毕赤酵母系统中表达的壳聚糖酶 (338.08 U·mg−1)[33]、肾杆菌属 (Renibacterium sp.) QD1壳聚糖酶Csn-A (1 575 U·mg−1) [34]和解淀粉芽孢杆菌 (B. amyloliquefaciens) ECU08的壳聚糖酶BaCsn46A (1 031.2 U·mg−1)[35]。
2.4 突变体酶学性质
2.4.1 最适温度
突变体的最适温度见图4-a。突变体V1和V2的最适温度与Csn-BAC相同，均在40 ℃时表现出最大活性，而V3、V4则升高至50 ℃。此外，Csn-BAC在70 ℃时已失活，而突变体在70 ℃时相对酶活仍有初始酶活的20%左右。与微生物的生长相适应，大多数壳聚糖酶都是嗜温酶，其最适温度通常介于30~60 ℃。但仍有部分壳聚糖酶是冷适应性酶，如来自鱼腥藻 (Anabaena fertilissima) RPAN1菌株的壳聚糖酶最适反应温度为27 ℃[36]。
2.4.2 温度稳定性
突变体的温度稳定性见图4-b。Csn-BAC在50 ℃孵育1 h后，其相对酶活保持在87.53%，突变体V1—V4则分别为58.74%、60.73%、58.16%和52.08%。相较于Csn-BAC，突变体整体而言对热更为敏感。但在较高温度下，如70 ℃时，V3和V4的热稳定性稍有提升。本结果表明，203和234两个位点突变后可能对其在较高温度下保持稳定性有益。耐高温的酶在工业生产中具有独特优势，但除极端环境微生物和部分真菌来源的壳聚糖酶较为耐热外[29,37]，多数野生型GH46家族是热敏性的壳聚糖酶。Zhou等[38]研究发现来源于海洋细菌假交替单胞菌属 (Pseudoalteromonas sp.) 的壳聚糖酶CsnM在30 ℃孵育1 h后，残余酶活仅为25.4%；Ma等[39]发现源自海洋芽孢杆菌属的壳聚糖酶CsnQ同样在30 ℃之后稳定性急剧下降。
2.4.3 最适pH
突变体的最适pH见图4-c—图4-f。突变体V1和V2的最适pH与Csn-BAC相同，均在pH 7的磷酸盐缓冲溶液中表现出最大活性，而V3、V4则更适应pH 9的甘氨酸缓冲溶液。与许多壳聚糖酶相同，弱酸性溶液对Csn-BAC及其突变体活力均有抑制作用[17,20,40]。目前已报道的所有家族的壳聚糖酶其最适pH介于4~8[41]，且多数壳聚糖酶在偏酸性条件下表现出最优的水解活性，最适pH为9的酶很少见。Gupta等[36]报道了来自鱼腥藻RPAN1菌株的壳聚糖酶在pH 7.5时显示出最大活性；Guo等[20]研究了来自白色链霉菌 (Streptomyces albolongus) ATCC27414的壳聚糖酶Csn21c，其最适反应pH为8；Liang等[42]则报道过壳聚糖酶CS038分别在pH 6和10时显示出最大活性。此外，突变体V1在pH 5的相对活性由Csn-BAC的约20%提至约50%，结合壳聚糖溶液的弱酸性特质，这可能有助于该酶在工业生产上的应用。
2.4.4 pH稳定性
突变体的pH稳定性见图4-g—图4-j。突变体V1、V2对pH的变化较为敏感，在Tris-HCl缓冲液中，突变体V1、V2在pH 8孵育1 h后仍可保持83%以上的活性，在pH 9时却仅剩余5%~10%，这些突变体对不同pH的同一缓冲液的活性差异与Csn-BAC类似[2]。而V3和V4在pH 6~10孵育1 h后仍能保持60%以上的相对酶活，其pH稳定性优于野生型Csn-BAC (Csn-BAC在pH 9~10时失活)。与之相似的是壳聚糖酶Csn21c[20]，其同样在pH 6~10较为稳定 (残余酶活>60%)；马帅等[43]报道的壳聚糖酶BsCsn46在pH 4.5~10的缓冲液中孵育30 min后仍能保持90%以上残余酶活；此外，另外一个来自曲霉TCCC45017的壳聚糖酶在pH 8孵育1 h后，残余酶活仍能保持70%[44]。
2.5 反应动力学参数
突变体的动力学参数见表2。Csn-BAC和突变体V3的Km分别为7.25和7.27 mg·mL−1，与壳聚糖酶Csn21c (7.43 mg·mL−1) [20]相似。而突变体V1、V2、V4的Km分别为3.68、3.13和3.16 mg·mL−1，与壳聚糖酶CvCsn46 (3.06 mg·mL−1) 较为接近[45]，与Csn-BAC相比下降明显，表明酶与底物的亲和力增强，其中突变体V2和V4的Kcat/Km约为Csn-BAC的1.7倍左右，催化效率有所增加。
表 2 Csn-BAC及其突变体反应动力学参数Table 2. Reaction kinetic parameters of chitosanase Csn-BAC and its mutants酶
Enzyme米氏常数
Km/(mg·mL−1)周转率
Kcat/s−1催化效率
Kcat/Km/[mL·(mg·s) −1]野生型 Csn-BAC 7.25 556.00 76.65 突变体 V1 3.68 307.22 83.37 突变体 V2 3.13 409.49 130.66 突变体 V3 7.27 540.88 74.39 突变体 V4 3.16 322.68 102.19 3. 结论
本研究选取了GH46家族中来源于芽孢杆菌的壳聚糖酶Csn-BAC为研究对象，以来自芽孢杆菌DAU101的壳聚糖酶为模板，根据同源建模和序列比对的结果，筛选了4个可能影响其酸碱耐受性的位点进行鉴定，其中P68和H234两个位点靠近底物结合口袋，而另外两个位点则位于蛋白表面。结果显示，所得的突变体中其热稳定性均出现了不同程度的降低，但203和234两个位点突变后对其在较高温度下保持稳定性有益；而突变体的酸碱耐受性有了明显提升，突变体V3和V4的最适pH由最初的7升至9，且在pH 6~10时表现出更好的稳定性。因此，本研究鉴定了4个影响GH46家族壳聚糖酶酸碱耐受性的关键氨基酸，其可能分布在蛋白空间结构的结合口袋附近或表面，同时获得了2个酸碱耐受性明显提高的突变体，且本研究验证了该策略在鉴定并改造影响壳聚糖酶稳定性的关键氨基酸方面是一种有效的方法。
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表 1 定点突变引物
Table 1 Primers for directed evolution
引物
Primer name序列 (5'—3')
Sequence (5'—3')P68A上游引物
Fw P68AGCCCGTCACCCAATGCCTCGACATATCCATA P68A下游引物
Rv P68ATATGGATATGTCGAGGCATTGGGTGACGGGC A137G上游引物
Fw A137GCGAAATTCCTTATCATTTCCAAGCGACTTCCAGGCA A137G下游引物
Rv A137GTGCCTGGAAGTCGCTTGGAAATGATAAGGAATTTCG A203M上游引物
Fw A203MTTGGTGACCCGCCCATTTTTTTGTTCGTACGTTTAATCAAGGC A203M下游引物
Rv A203MGCCTTGATTAAACGTACGAACAAAAAAATGGGCGGGTCACCAA H234E上游引物
Fw H234EGTCACGGGTGTCCTCATTTGCCGGATTCATCAGATCG H234E下游引物
Rv H234ECGATCTGATGAATCCGGCAAATGAGGACACCCGTGAC 
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表 2 Csn-BAC及其突变体反应动力学参数
Table 2 Reaction kinetic parameters of chitosanase Csn-BAC and its mutants
酶
Enzyme米氏常数
Km/(mg·mL−1)周转率
Kcat/s−1催化效率
Kcat/Km/[mL·(mg·s) −1]野生型 Csn-BAC 7.25 556.00 76.65 突变体 V1 3.68 307.22 83.37 突变体 V2 3.13 409.49 130.66 突变体 V3 7.27 540.88 74.39 突变体 V4 3.16 322.68 102.19
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