馬強(qiáng),吳倩,李素霞
(生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華東理工大學(xué),上海 200237)
R 122 L突變提高重組人陰離子型胰蛋白酶的穩(wěn)定性的研究
馬強(qiáng),吳倩,李素霞Δ
(生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華東理工大學(xué),上海 200237)
目的研究自切位點(diǎn)突變R 122 L對(duì)重組人陰離子型胰蛋白酶穩(wěn)定性的影響。方法在大腸桿菌中表達(dá)重組人陰離子型胰蛋白酶和R 122 L突變體,并進(jìn)行純化,對(duì)純化后酶及其突變體的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果mhT 2(R 122 L)發(fā)揮催化活力的最適pH為7~11;低溫及酸性環(huán)境中穩(wěn)定性較好,其活力在pH 7.6條件下同樣能被典型的金屬離子螯合劑(如EDTA)、還原劑(如β-ME)、變性劑、Fe3+及絲氨酸蛋白酶抑制劑所抑制,以N-苯甲酰-L-精氨酸(n-benzoyl-l-arginine ethyl ester,BAEE)作為底物時(shí)的米氏常數(shù)為0.010 mmol/L。結(jié)論相比于hT2野生型,R 122 L突變體蛋白最適pH范圍增大,耐熱性能也有所提高,與底物BAEE的親和力增強(qiáng),同時(shí)對(duì)于Fe3+、金屬離子螯合劑、還原劑以及變性劑等的耐受力也有增強(qiáng),穩(wěn)定性大大提高。
重組人陰離子型胰蛋白酶;點(diǎn)突變;R 122 L;穩(wěn)定性
胰蛋白酶(EC 3.4.21.4)是一種絲氨酸蛋白酶,由胰腺分泌的胰蛋白酶原激活產(chǎn)生,能專(zhuān)一性的水解精氨酸和賴(lài)氨酸羧基端的肽鍵,同時(shí)也能切割自身精氨酸或賴(lài)氨酸位點(diǎn)而導(dǎo)致自身降解(autolysis)[1]。目前,胰蛋白酶有2個(gè)已知的形式:β-trypsin(23463 Da)和 α-trypsin(23481 Da)。由于肽鍵發(fā)生水解,α-trypsin比β-trypsin多了18 Da[2]。在牛源胰蛋白酶中,β-trypsin可以在Arg 122-Val 123、Lys 148-Ser 149和Lys 162-Ala 163之間的肽鍵發(fā)生水解導(dǎo)致3種可能的α-trypsin亞型。人源胰蛋白酶和牛源胰蛋白酶具有很高的同源性,但在148位點(diǎn)人源胰蛋白酶為Ala,在162位點(diǎn)為Asp[3]。所以Arg 122是人胰蛋白酶-2最重要的自溶位點(diǎn)。已有報(bào)道,遺傳性胰腺炎病人體內(nèi)的胰蛋白酶原-1在Arg 122部位突變?yōu)镠is 122,能抵抗自身降解失活,因此導(dǎo)致胰腺組織的自身消化[4]。另有文獻(xiàn)報(bào)道將鼠源胰蛋白酶該位點(diǎn)突變?yōu)長(zhǎng)eu能顯著提高胰酶的半衰期,并且維持較高的催化活性[5]。我們考慮在該位置引入突變R 122 L,封閉其自溶位點(diǎn),減少自水解的發(fā)生,從而提高胰蛋白酶的穩(wěn)定性。
1.1 菌株與表達(dá)質(zhì)粒 E.coli BL 21(DE 3)、人源陰離子型胰蛋白酶突變體質(zhì)粒[mhT 2(R 122 L)]質(zhì)粒均由本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.2 儀器和試劑 FE-20 pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器公司);AB 104-N分析天平(梅特勒-托利多儀器公司);T6紫外分光光度計(jì)(北京普析通用儀器公司);JM-250型電泳儀(大連捷邁科建有限公司);VDS凝膠成像系統(tǒng)(上海復(fù)日科技公司);BAEE,(Sigma);重組人胰蛋白酶hT 2,購(gòu)自上海雅心生物技術(shù)有限公司;其它試劑均為分析純。
1.3 方法
1.3.1 mhT 2(R 122 L)突變體的制備[6]將mhT 2(R 122 L)質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至E.coli BL 21(DE 3)中,涂板過(guò)夜后挑取單菌落于37℃,180 r/min在添加有50 μg/mL的卡那霉素的LB培養(yǎng)基中,培養(yǎng)至OD600=0.6時(shí)加入0.5 mmol/L的IPTG進(jìn)行誘導(dǎo)。繼續(xù)培養(yǎng)4 h后,取出一定量的菌液稀釋至OD 600為1.0,吸取1 mL進(jìn)行SDS-PAGE分析。3000 r/min,20 min離心收集其余菌體。
把收集到的菌體用50 mmol/L pH 8.0 Tris-HCl按1∶15(m/v)充分懸浮起來(lái),超聲破碎,然后12000 r/min離心10 min,棄去上清。沉淀包涵體第1次用0.5% Triton X-100溶液,50 mmol/L pH 8.0 Tris-HCl緩沖液充分洗滌,然后12000 r/min離心 10 min;第 2次用含有 2 mol/L Urea,50 mmol/L pH 8.0 Tris-HCl緩沖液充分洗滌,然后12000 r/min離心10 min;第3次用去離子水再洗1次,然后12000 r/min離心10 min;收集包涵體[7]。將初次純化的包涵體進(jìn)行常規(guī)復(fù)性[8-9]。采用CM-FF陽(yáng)離子型交換柱對(duì)復(fù)性液進(jìn)行純化,準(zhǔn)備好2 cm×15 cm層析柱,裝入適量體積的CM陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,用pH 5.0緩沖液平衡至基線(xiàn),用含0~0.25 mol/L NaCl的緩沖液連續(xù)梯度式洗脫,并收集目的峰的流出液。
1.3.2 hT2與mhT 2(R 122 L)的最適pH及pH穩(wěn)定性 最適pH:配制pH為3~12的底物BAEE,分別測(cè)定hT及mhT 2(R 122 L)純酶液的活性,結(jié)果表示為測(cè)定值占最高酶活的百分比。緩沖液依次為NaAc-HAc(pH 3~6),Tris-HCl(pH 7~8),Gly-NaOH(pH 9~11),所有緩沖液均25℃配制。
pH穩(wěn)定性:取hT2及mhT 2(R 122 L)純酶液,分別在pH 3~pH 11緩沖液中稀釋10倍,于25℃下溫育2 h,取樣按常規(guī)方法測(cè)定酶活,以水浴前酶液的初始活性作為100%,計(jì)算殘余率。緩沖液依次為NaAc-HAc(pH 3~6),Tris-HCl(pH 7~8),Gly-NaOH(pH 9~11),所有緩沖液均25℃配制。
1.3.3 hT2與mhT 2(R 122 L)的最適溫度及溫度穩(wěn)定性 最適溫度:將底物 BAEE分別置于 4℃、15℃、20℃、25℃、30℃、40℃、50℃、60℃和70℃水浴中溫育30min,加入hT2及mhT 2(R 122L)純酶液測(cè)定活力,結(jié)果表示為OD253nm隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。
溫度穩(wěn)定性:取hT2及mhT 2(R 122 L)純酶液,分別置于 4℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃水浴中溫育 2 h,每隔10 min取樣,按常規(guī)方法測(cè)定酶活性,以水浴前酶液的初始活性作為100%計(jì)算殘余率。
1.3.4 金屬離子及化學(xué)試劑對(duì)hT2與mhT 2(R 122 L)活性的影響 在pH 3和pH 7.6的條件下分別向hT2和mhT 2(R 122 L)純酶液中分別加入1 mmol/L的不同金屬離子(Zn2+、Mg2+、Ba2+、Mn2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+)及 1%的 EDTA(乙二胺四乙酸),PMSF(苯甲基磺酰氟),DTT(二巰基蘇糖醇),SDS(十二烷基硫酸鈉),Triton X-100,4℃保溫24 h后測(cè)活性。
1.3.5 Km值的測(cè)定 以BAEE為底物,測(cè)定mhT 2(R 122 L)和hT2的米氏常數(shù)Km。底物BAEE的濃度范圍為0.005~0.25 mmol/L,用雙倒數(shù)作圖法,以底物濃度的倒數(shù)值為橫坐標(biāo),反應(yīng)速率即活性的倒數(shù)值為縱坐標(biāo)做圖,與X軸交點(diǎn)的負(fù)倒數(shù)即為Km。
2.1 mhT 2(R 122 L)突變體的制備 經(jīng)15%的SDS-PAGE分析表明,誘導(dǎo)后mhT 2(R 122 L)的位置在大于29 kDa處有明顯的表達(dá)(見(jiàn)圖1),破菌處理后,沉淀中可見(jiàn)大量表達(dá),上清中基本沒(méi)有目的條帶??梢?jiàn)mhT 2(R 122 L)是以包涵體的形式表達(dá)。
圖1 mhT 2(R 122 L)蛋白電泳表達(dá)圖M. Marker;1. 誘導(dǎo)前;2. 誘導(dǎo)后;3. 超聲破碎后上清;4. 超聲破碎后沉淀Fig.1 Identification of recombinant mhT 2(R 122 L) based on the SDS-PAGE analysisM. Marker;1. contrast;2. induced;3. Supernatant after ultrasonication;4. Sediment after ultrasonication
重組mhT 2(R122 L)包涵體稀釋復(fù)性后,酶原經(jīng)激活得到活性 mhT 2(R122 L),用 20 mmol/L NaAc-HAc pH 5.0 透析,低溫上柱,經(jīng)過(guò)CM-FF離子交換層析純化獲得比活力為12000 U/mg的mhT 2(R122 L)純酶液,洗脫曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。
圖2 CM-FF色譜純化mhT 2(R 122 L)Fig.2 CM-FF chromatography of mhT 2(R 122 L)
2.2 hT2與mhT 2(R 122 L)的最適pH及pH穩(wěn)定性 在pH 3~pH 12范圍內(nèi)分別測(cè)定hT2和mhT 2(R 122 L)的活性結(jié)果見(jiàn)圖3,mhT 2(R 122 L)的最適pH范圍增大,在pH 7~11之間酶的催化活力都很好,其中pH 10底物條件下測(cè)得的活性值最高,而pH≤5和pH≥12條件下,mhT 2(R 122 L)基本沒(méi)有催化活性。而與hT2相比較,mhT 2(R 122 L)在pH 5和pH 6條件下催化活力都明顯高于hT 2,說(shuō)明該突變體對(duì)酸的耐受力要明顯強(qiáng)于hT 2。
圖3 hT2和mhT 2(R 122 L)的最適pH測(cè)定Fig.3 Measurement of optimal pH of recombinant hT 2 and mhT 2(R 122 L)
將酶液放置在25℃不同pH環(huán)境中溫浴2 h后,檢測(cè)其殘余酶活,結(jié)果見(jiàn)圖4。過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)造成蛋白的嚴(yán)重失活;在pH 3~6范圍內(nèi),酶活殘余率都保持在80%以上,而在pH7以上,隨著pH的升高,酶活呈現(xiàn)下降趨勢(shì),更加說(shuō)明mhT 2(R 122 L)對(duì)堿的耐受性不強(qiáng)。其中pH 5.0是mhT 2(R 122 L)相對(duì)最為穩(wěn)定的pH條件。與hT2相對(duì)照,整體趨勢(shì)沒(méi)有太大變化,只是hT 2 pH越低越穩(wěn)定,而mhT 2(R 122 L)在pH 3~5之間穩(wěn)定性則相差不大。
圖4 hT2和mhT 2(R 122 L)的pH穩(wěn)定性Fig.4 Stability of recombinant hT 2 and mhT 2(R 122 L)in different pH buffer
2.3 hT 2與mhT 2(R 122L)的最適溫度及溫度穩(wěn)定性 將底物分別置于 4℃、15℃、20℃、25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃水浴中,加入hT2和mhT 2(R 122 L)純酶液測(cè)活,結(jié)果表示為OD 253 nm隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。圖5顯示,溫度越高,測(cè)得每分鐘吸光度的變化值也就越高。mhT 2(R 122 L)在80℃時(shí)酶反應(yīng)速率最快,并且在5 min內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好,相比之下,比野生型更為耐熱。
圖5 hT2和mhT 2(R 122 L)的最適溫度測(cè)定Fig.5 Mensurement of optimal temperature of hT 2 and mhT 2(R 122 L)
如圖6所示:4℃條件下胰蛋白酶相對(duì)最為穩(wěn)定,2 h內(nèi)酶活幾乎不損失;25℃溫育2h后尚能殘余80.3%酶活;而與hT2相同的是,隨溫度的升高,胰蛋白酶分子的降解速率也隨之加快,mhT 2(R 122 L)酶活殘余率也逐漸降低;40℃條件下2h內(nèi)酶活殘余僅35.5%。與hT2相比,突變體mhT 2(R 122 L)在60℃溫育20 min完全失活,其熱穩(wěn)定性略高于hT 2(10 min內(nèi)即完全失活),耐熱性能優(yōu)于hT 2。
圖6 hT2和mhT 2(R 122 L)的溫度穩(wěn)定性Fig.6 Stability of hT 2 and mhT 2(R 122 L) under different temperature
2.4 金屬離子及化學(xué)試劑對(duì)hT2與mhT 2(R 122 L)活性的影響 如表1所示。其中pH 7.6條件下,添加Ba2+、Ca2+、Co2+有利于維持酶活的相對(duì)穩(wěn)定,24 h后殘余酶活達(dá)95%以上;但是加入重金屬離子Fe3+,就會(huì)使酶迅速沉淀而逐漸喪失活性。加入SDS后hT2很快失活,而突變型hT 2(R 122 L)卻在24 h后仍能殘余50%左右的酶活;加入金屬離子螯合劑(EDTA)和還原劑(β-ME)后酶蛋白在2 h后酶活維持在75%以上;加入0.1 mmol/L PMSF(絲氨酸蛋白酶抑制劑)24 h后酶活殘余90%。
表1 金屬離子及其他試劑對(duì)hT2及mhT 2(R 122 L)酶活的影響Tab.1 The in fl uence of metal ions and some reagents on enzyme activities of hT 2 and mhT 2(R 122 L)
pH3 條件下在酶液中加入 1 mmol/L Ba2+,Ca2+,Co2+,Cu2+,Mg2+,Mn2+,Ni2+,Zn2+,F(xiàn)e3+等各種金屬離子,孵育 24 h后酶活僅僅損失了不到10%。
2.5 Km值的測(cè)定 將米氏方程式等號(hào)兩邊取倒數(shù),以1/v對(duì)1/[S]作圖得一直線(xiàn),其斜率是Km/V,在縱軸上的截距為1/V,橫軸上的截距為-1/Km。依據(jù)圖7求得hT2突變體R 122 L對(duì)底物BAEE的Km值為0.010 mmol/L,Vmax為 2500 μmol/min。hT2突變體 R 122 L與其 hT 2(Km 值為0.015 mmol/L)相比較,其Km值偏小,說(shuō)明突變體與底物BAEE的結(jié)合率比hT2與底物BAEE的結(jié)合率強(qiáng)。
圖7 hT2和mhT 2(R 122 L)的Km值測(cè)定v:反應(yīng)速度;[S]:底物濃度;反應(yīng)條件:25 mmol/L Tris-HCl緩沖液,pH 7.6,0.1 M NaCl,0.01 mol CaCl 2;溫度,25℃Fig.7 Determination of Km of hT 2 and mhT 2(R 122 L)v:the reaction rate; [S]:the concentration of substrate; reaction conditions:25 mmol/L Tris-HCl buffer, pH 7.6, 0.1 M NaCl, 0.01 mol CaCl 2;temperature, 25℃
非還原凝膠電泳,也稱(chēng)為天然凝膠電泳。在凝膠中蛋白質(zhì)的分離取決于它所帶電荷及分子大小[7]。如圖8所示:mhT 2(R 122 L)基本上只有一條主帶,并且該條帶遷移速率較快;而
hT2樣品在此條帶位置之上,還有一條遷移速率較慢的電泳條帶,從條帶亮度上看含量小于主帶。hT2有α和β兩種構(gòu)型之分,hT2最主要的自消化位點(diǎn)Arg 122-Val 123,會(huì)自我識(shí)別并切割A(yù)rg羧基端的肽鍵而降解成兩條肽段heavy chain(Val 123-Ser 247)和 light chain(Ile 24-Arg 122)[10]。如圖 8所示:在hT2中,有部分蛋白發(fā)生了水解而形成了的α-胰蛋白酶,從電泳圖上來(lái)看,α-胰蛋白酶遷移速率會(huì)比較慢,雖然具有與β-胰蛋白酶相似的活性,但是由于含有自溶位點(diǎn),相比于β-胰蛋白酶更容易降解而失活[11]。突變體R 122 L將該位點(diǎn)的精氨酸突變?yōu)榱涟彼?,使得該位點(diǎn)不再被胰蛋白酶識(shí)別和切割,遏制了β-胰蛋白酶轉(zhuǎn)化成α-胰蛋白酶的過(guò)程,大大的減少了胰蛋白酶的自我消化和降解,提高了其穩(wěn)定性,相應(yīng)的蛋白結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等也都有了一定的改變[12]。
圖8 mhT 2(R 122 L)和hT2的非還原電泳圖Fig.8 Identification of hT 2 and mhT 2(R 122 L) based on the native SDS-PAGE analysis
野生型的Arg 122位點(diǎn)是堿性氨基酸,氨基酸側(cè)鏈較長(zhǎng),位于胰蛋白酶分子表面Autolysis loop(見(jiàn)圖9a),并且該位點(diǎn)同時(shí)帶有胰蛋白酶分子所能特異性識(shí)別并進(jìn)行切割的Arg,從而易于發(fā)生水解而斷裂。Arg 122位突變?yōu)長(zhǎng)eu后(見(jiàn)圖9b),由堿性氨基酸變成了非極性的脂肪族氨基酸,側(cè)鏈相對(duì)較短,最重要的是不再是胰蛋白酶的自消化位點(diǎn),穩(wěn)定性自然增強(qiáng)[13]。
圖9 hT2和mhT 2(R 122 L)三維結(jié)構(gòu)Fig 9 Three-dimensional structure of hT 2 and mhT 2(R 122 L)
mhT 2(R 122 L)突變體蛋白相比于hT2野生型最適pH范圍增大,能夠耐受極酸環(huán)境,耐熱性能也有所提高,與底物BAEE的親和力增強(qiáng),特別是加入重金屬Fe3+,變性劑SDS,還原劑β-ME,抑制劑PMSF等試劑對(duì)胰蛋白酶的影響也都大幅減弱,穩(wěn)定性大大提高。
人胰蛋白酶的突變對(duì)先天性胰腺炎及遺傳性胰腺炎的影響重大[14]。近年來(lái)不斷有新的報(bào)道指出胰蛋白酶的基因突變是導(dǎo)致胰腺炎及相關(guān)疾病的元兇[15]。針對(duì)于不同的突變體,我們可以從酶學(xué)性質(zhì)上對(duì)其進(jìn)行比較,從蛋白結(jié)構(gòu)上對(duì)找到突變對(duì)于酶學(xué)性質(zhì)改變的影響,這無(wú)論是對(duì)于治療胰腺炎及相關(guān)疾病,還是對(duì)于重組胰蛋白酶進(jìn)行定向改造都是有著很好的借鑒意義。本研究中,我們通過(guò)性質(zhì)的比較闡明了R 122位點(diǎn)對(duì)于hT2穩(wěn)定性的影響,從減少自降解的角度提高了hT2的穩(wěn)定性。但對(duì)于R 122 L突變體在與其它蛋白酶相互作用及應(yīng)用上的研究還需進(jìn)一步深入。
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The research of site R 122 L mutate improve the stability of recombinant human anionic trypsin
MA Qiang,WU Qian,LI Su-xiaΔ
(State Key Laboratory of Bioreactor Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)
ObjectiveThe stability and other characteristics of the active recombinant human anionic trypsin(hT 2) with site-mutation R 122 L(mhT 2) were investigated.MethodsAn active human anionic trypsin and its R 122 L mutate were produced with E.coli BL 21(DE 3) and purified with ion-exchange chromatography. The properties of mutant were studied and compared with the wild type.ResultsThe optimal pH for mhT 2 was 7~11. mhT 2 was active over a broad temperature range (4℃~80℃) and owned a little better thermal stability than the wild type. The inhibition of typical metal chelating agent(EDTA), Fe3+, denaturant, reducer(β-ME) on activity of mhT 2 was the same as the wild type. Michaelis constant Km of mhT 2 was 0.010 mmol/L with BAEE as a substrate, a little lower than wild type.ConclusionCompared with the wild type, the R 122 L site mutate significantly enhanced tolerance to acidic pH、denaturants、reductions and autolysis.
recombinant human anionic trypsin; site-directed mutagenesis; R 122 L; stability
R 394.3
A
1005-1678(2014)02-0061-05
馬強(qiáng),男,碩士,研究方向:分子生物學(xué),E-mail:maqiang 79 fox@163.com;李素霞,通信作者,女,博士,副教授,研究方向:分子生物學(xué),E-mail:lisuxia@ecust.edu.cn。