1.简介
霍乱弧菌霍乱是一种以严重腹泻为特征的疾病,估计全球约有300万人感染霍乱,每年导致近10万人死亡(阿里等。, 2015). 弧菌科细菌,包括弧菌属属,作为海洋浮游细菌群落的成员自然出现,在那里它们构成几丁质浮游动物细菌区系的一部分。弧菌科容易利用甲壳素作为有机碳和氮的来源,它们与桡足类等几丁质浮游动物的附着被假设为细菌提供了营养丰富的栖息地(海德堡等。, 2002). 协会霍乱弧菌桡足类对霍乱疾病负担有重大影响,因此水源中桡足动物数量的增加与霍乱疫情的增加呈正相关(Huq等。, 2005). 甲壳素也被认为直接影响霍乱弧菌例如,通过保护细菌免受冷应激(Amako等。, 1987)或被胃酸(Nalin)杀死等。, 1979). 甲壳素在生命周期中的关键重要性霍乱弧菌和其他弧菌科要求详细了解这些生物利用甲壳素的生化途径,其中许多生物对全球疾病负担有重大贡献。
这个霍乱弧菌酶VC0615最初被鉴定为一种假定的转化外葡萄糖苷酶(称为BglA),其对纤维寡糖和芳基具有明显的外显活性-β-葡萄糖苷及其在β-GlcN和GlcNAc的1,4-键二糖(Park等。, 2002). 根据序列同源性,VC0615被分配到碳水化合物活性酶(CAZy)分类方案的糖苷水解酶家族9(GH9)(Cantarel等。, 2009; 2018年CAZypedia联盟),一个主要与内切葡聚糖酶(“纤维素酶”)相关的家族。鉴于在几丁质利用操纵子中发现了VC0615,这种特异性和操纵子之间的明显不一致让作者感到困惑,因为他们知道霍乱弧菌不能代谢纤维二糖或其他较高的纤维寡糖。
2008年,对弧菌科几丁质利用途径的大规模评估表明,VC0615实际上是一种外作用葡糖苷酶,其底物是因几丁糖(GlcN)的输入而产生的GlcN-GlcN-O6-P二糖2通过磷酸转移酶转运系统(Hunt等。, 2008). [注:这里我们使用壳二糖来表示β-1,4(甘氨酸)2双糖和N个,N个′-二乙酰-壳二糖是指β-1,4(GlcNAc)2二糖,如IUPAC–IUB命名公约指南(IUB和IUPAC命名委员会-IUB联合生物化学命名委员会,1988年).]
最近,本田及其同事发现,VC0615、PBPRA0520与深发光杆菌SS9确实是一种多功能外作用葡糖苷酶/β-葡萄糖苷酶,带有k猫/K(K)米与相应的纤维寡糖相比,壳寡糖的含量至少高出10倍,支持这种酶作为在壳二糖底物上活性的外作用葡糖苷酶的功能分配(本田等。, 2011). 随后,a晶体结构PBPRA0520的研究证实了这种酶是一种外作用GH9,说明环延伸(与内切GH9酶相比)阻断了酶的−4到−2亚基,使其无法以内切方式结合底物(本田等。, 2016).
迄今为止,已知CAZy家族GH9有16种不同的三维结构。这些已知结构中有13种是内切葡聚糖酶,反映了它们在GH9家族中的优势地位。一个结构热梭菌纤维二糖水解酶(CbhA)也有报道。虽然不是严格意义上的外显酶,因为它水解末端纤维二糖单元,而不是末端葡萄糖单元,但Schubot及其同事根据酶活性位点的封闭拓扑结构将CbhA归类为“外纤维素酶”,这阻碍了−2亚位点以外底物的结合(Schubot等。, 2004; 戴维斯等。, 1997). PBPRA0520和一种来自副溶血性弧菌(VP2484)是唯一具有解决三维结构的外作用GH9酶,尽管VP2484尚未完全进行生化表征。
这里,我们报告了霍乱弧菌酶VC0615,其分辨率为3.17º,质量较差的数据反映晶格混乱。与之前的分析(公园等。, 2002),我们发现VC0615在(GlcN)上更为活跃2大于(Glc)2,尽管VC0615对葡萄糖苷的水解仍足以确定芳香基的米氏动力学参数β-葡萄糖苷底物。尽管数据较差,但3.17?分辨率结构足以证实该酶如何通过延伸的环作为外糖苷酶发挥作用的结构基础α-螺旋1-2和α-螺旋9–10,阻止−1亚网站以外的底物结合。
2.材料和方法
2.1. 大分子生产
从GenScript购买了一个合成的编码VC0615的cDNA,克隆到pET-21a载体的NdeI(5′)和XhoI(3′)位点。该结构包含完整的VC0615基因,后跟一个C末端六组氨酸标签。通过T7-fwd和pET-RP引物测序验证克隆质粒的正确性(表1)在用于蛋白质生产之前。
源生物 | 霍乱弧菌 | DNA来源 | 合成cDNA | 正向底漆 | T7-前进档,TAATACGACTCACTATAGG公司(仅用于排序) | 反向底漆 | pET-RP、,CTAGTTATTGCTCGG公司(仅用于排序) | 克隆载体 | 第21a页 | 表达式向量 | 第21a页 | 表达式宿主 | 大肠杆菌BL21黄金(DE3) | 所产生结构的完整氨基酸序列 | MLLLTNHIGYETQGPKQAVLLCGQTQLMDDCVLLVCARSHQTVAKLAIEWHGKVDNWHQFHRIDFSDFTTPGDYLRLEHTHSATFTIARGVLMQRTFSDVLHYFKSQRCSGQFDQQDKQVPLLSTSTTTADVHGWYDASGVSKYLSHLSYANYLNPQTQTPLVWNMLKGLAVLQHHSGFFSRTRLKDEALFGADFRRRMQNSEGFFYMTVFDKWSKDTKQREICAYATQQGHKSDDYQAGFRQGGIAAAARLDTHGEFTQADYLQAAENGG YWHLKEHNLAYLNDGVENILDEYCALL接受QYLAQAREWAQRLAKRQCSDEQIAHYWS安全性检查 | | |
pET-21a-VC0615质粒用于转化化学活性大肠杆菌BL21金(DE3)细胞。在含有氨苄青霉素(100µg ml)的恐怖肉汤(TB)中培养细胞以生产蛋白质−1)37°C,摇晃。当到达光学密度600 nm(外径600)0.8,用0.5m诱导培养M(M)异丙基β-D类-1-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG),然后在16°C下摇晃培养过夜。
细胞在4000℃离心收集克在4°C下保持15分钟。小球在HisTrap缓冲液中再次悬浮A类(20米M(M)Tris pH值8.0,500 mM(M)氯化钠,20米M(M)咪唑,1米M(M)DTT)补充无EDTA cOmplete蛋白酶抑制剂混合物(Roche)和牛胰腺DNase I(Sigma),并在172 MPa的压力下通过细胞破碎器(恒定系统)对细胞进行裂解。细胞裂解物在50000下离心清除克在4°C下保持45分钟,然后立即将清除的裂解液涂敷在用HisTrap缓冲液预先平衡的5 ml HisTrap-FF粗塔(GE Healthcare)上A类应用裂解液后,用HisTrap缓冲液的五个柱体积(CV)清洗柱A类去除未结合蛋白,然后使用增加的HisTrap缓冲液线性梯度洗脱结合蛋白B类(20米M(M)Tris pH值8.0,500 mM(M)氯化钠,1000米M(M)咪唑,1米M(M)DTT)超过20 CV。SDS–PAGE用于识别含有VC0615的组分,这些组分使用30 kDa截止Vivaspin离心浓缩机(Millipore)合并并浓缩至~5 ml体积。HisTrap纯化的浓缩蛋白通过尺寸排除色谱法(SEC)使用S75 16/600色谱柱(GE Healthcare)与SEC缓冲液(20 m)预平衡M(M)HEPES pH 7.4,200 mM(M)氯化钠,1米M(M)DTT)。含有VC0615的SEC组分通过SDS–PAGE进行鉴定,在离子交换(IEX)缓冲液中混合并稀释20倍A类(20米M(M)HEPES pH 7.4,1 mM(M)DTT)。将稀释的蛋白质样品应用于在IEX缓冲液中预先平衡的5 ml HiTrap Q HP柱(GE Healthcare)上A类.用5 CV IEX缓冲液清洗加载柱A类并用20CV增加的IEX缓冲液线性梯度洗脱B类(20米M(M)HEPES pH 7.4,1500米M(M)氯化钠,1米M(M)DTT)。SDS-PAGE鉴定出主要IEX洗脱峰含有纯VC0615,而在较高NaCl浓度下洗脱的小肩峰含有污染物蛋白质。
合并含有纯化的VC0615的级分,并用IEX缓冲液稀释A类将NaCl浓度调整到100 mM(M).使用30 kDa截止值的Vivaspin离心浓缩器浓缩纯化的蛋白质样品,并通过280 nm处的紫外线吸收率计算最终浓度(A类280)使用计算出的摩尔消光系数129720M(M)−1 厘米−1计算出的分子质量为66 130.81 g/mol−1.
2.2. 动力学分析
通过测量人工荧光底物4-甲基伞形花序基的水解来确定酶动力学-β-D类-吡喃葡萄糖苷(4MU-β-D类-Glc;西格玛)。简而言之,50µl 4MU溶液-β-D类-20 m内2×最终浓度下的GlcM(M)pH 6.5的磷酸钠在96 well微孔板(Nunc)中制备。为了启动反应,50µl浓度为2µ的VC0615M(M)20米M(M)将pH 6.5的磷酸钠添加到每个底物溶液中,得到最终反应体积为100µl,包含1×4MU-β-D类-Glc基底和1µM(M)VC0615。使用Polarstar微孔板阅读器(BMG Labtech)连续监测600秒以上4MU荧光产物释放的反应。根据4MU绘制的初始反应速率-β-D类-Glc底物浓度通过非线性回归拟合到Michaelis–Menten方程V(V)= (V(V)最大值[4万-β-D类-Glc])/(K(K)米+[4万-β-D类-Glc])。k猫根据确定V(V)最大值通过关系V(V)最大值=k猫[E] ●●●●。所有反应均一式三份。
使用其他4MU的反应糖苷类按照上述方法进行。
2.3.薄层色谱法(TLC)分析
除(GlcN)外,用于消化和TLC分析的所有低聚糖底物和标准品均购自Megazyme2,购自西格玛。使用10 mg ml的低聚糖底物浓度,在pH 6.5的磷酸麦氏-柠檬酸盐缓冲液中进行消化反应−1和0.5µM(M)VC0615.20µl反应体积包含酶和底物,在37°C下摇晃培养。在设定的时间点,移除2µl反应混合物,并通过在液体N中闪速冷冻“暂停”2在完成反应时间过程后,将所有冷冻的等分试样解冻并点在铝箔背衬的二氧化硅TLC板(Sigma)上。
TLC板以50:25:25的速度运行n个-丁醇:水:乙酸溶剂系统,直到溶剂前沿距板顶约1-2厘米。为了提高斑点之间的分离,将TLC板干燥,并在同一溶剂系统中再次运行。在第二次运行后,将TLC板干燥并使用第页-茴香醛(Sigma)染色(3.7 ml第页-茴香醛、1.5 ml乙酸、5 ml浓硫酸、135 ml乙醇),温和加热。
2.4. SEC-MALLS公司
SEC-MALLS试验在20m内进行M(M)HEPES 7.4200米M(M)NaCl缓冲液。注射样品含有100µl VC0615,浓度为2.5 mg ml−120米M(M)HEPES pH 7.4,100 mM(M)氯化钠,1米M(M)DTT公司。实验在一个系统上进行,该系统包括Wyatt HELEOS II多角度光散射检测器和与岛津HPLC系统相连的Wyatt rEX折射感应检测器(SPD-20A UV检测器、LC20-AD等容泵系统、DGU-20A3除气器和SIL-20A自动进样器)。工作在室温(20±2°C)下进行。在使用之前,对所有溶剂和缓冲液进行0.2µm的过滤,并且在流动路径中还有一个0.1µm过滤器。岛津LC解决方案软件用于控制HPLC和ASTRA第五版软件用于HELEOS II和rEX探测器。
所有数据均使用ASTRA第五版软件。使用Zimm拟合方法估计分子质量,其阶数为1。0.18 ml g的值−1用于蛋白质折射指数增量(dn个/d日c(c)).
2.5. 结晶
使用96个Swissci SD-2板(“MRC”板),在一系列商业筛网上,以坐滴式蒸汽扩散形式进行结晶试验,滴液由120 nl蛋白质和120 nl储液罐溶液组成。使用聚乙二醇和/或盐基结晶筛的初始试验,使用~30 mg ml−1VC0615蛋白的库存没有产生任何影响。随后,蛋白质浓度增加到67.5 mg ml−1并测试了另一系列商业屏幕。在PGA屏幕上发现晶体(分子尺寸;Hu等。, 2008)在含有0.1的条件下M(M)pH 7.8的Tris缓冲液以及PEG和PGA-LM沉淀剂的组合。优化后,在一系列PEG和PGA-LM浓度范围内,在基本pH值下,以坐滴式和挂滴式蒸汽扩散形式生成晶体。最终结晶条件为0.1M(M)使用1µl蛋白质溶液和1µl储液罐溶液,以悬挂滴蒸气扩散形式,在pH 7.5、5%PGA-LM、8%PEG 20K下进行Tris。
在晶体保存过程中,冷冻保护遇到了很大困难。将晶体收集到由结晶井溶液(0.1)组成的“标准”低温保护剂中M(M)Tris pH 7.5,5%PGA-LM,8%PEG 20K),辅以25%乙二醇,导致晶体快速溶解。大量实验发现,晶体的稳定低温保护需要使用高浓度的PGA-LM,尽管去除PEG 20K不会对晶体的稳定性或衍射产生不利影响。因此,将晶体收集到含有0.1M(M)在液氮中闪蒸冷却之前,Tris pH 7.5,13%PGA-LM,25%乙二醇,用于数据收集。结晶信息汇总在表2中.
方法 | 初始结晶试验的坐滴蒸汽扩散法;用于优化试验的吊滴蒸汽扩散 | 板材类型 | 初始试验用MRC 96-well双滴板;优化条件的24孔无菌组织培养板 | 温度(K) | 293 | 蛋白质浓度(mg/ml−1) | 67.5 | 蛋白质溶液的缓冲液成分 | 20米M(M)HEPES pH 7.4,100 mM(M)氯化钠,1米M(M)DTT公司 | 储层溶液的组成 | 100米M(M)Tris pH 7.5,5%PGA-LM,8%PEG 20K(最终优化条件) | 跌落体积和比率 | 120nl蛋白质+120nl贮存液(初步试验);1µl蛋白质+1µl贮存液(最终优化条件) | 水库容积 | 54µl(初始试验);500µl(最终优化条件) | | |
4.结论
在这里,我们报告了霍乱弧菌酶VC0615的分辨率为3.17°。VC0615晶体结构每一种都含有两个相对有序的VC0615同源二聚体非对称单元(链条A类和D类和链条B类和C类以及VC0615的第五个高度无序分子(链E类)似乎缺乏二聚体伴侣。国际学生成绩评估分析表明,第三个VC0615同源二聚体(链E类和F类)VC0615无法轻松容纳晶格由于链分子的对称相关拷贝之间会发生空间位阻F类'. 鉴于VC0615的固有二聚性F类“VC0615中存在分子晶格,尽管没有以足够有序的方式促成X射线衍射。难以包装链分子F类'在VC0615内晶格为链状分子中观察到的高度无序现象提供了明确的解释E类,也可能是VC0615晶体衍射质量较差的主要原因。
VC0615是外作用葡萄糖苷酶/葡萄糖胺酶的一部分子组在CAZy GH9家族中,以及之前报告的PRPBA0520和VP2484结构。外作用GH9与内作用GH9纤维素酶和GH9纤维二糖酶的结构比较表明,围绕催化作用的环拓扑结构(α/α)6结构域是描述所有GH9酶底物可及性的关键。特别是,从α-螺旋线1至2和α-螺旋9至10在(α/α)6外作用GH9的结构域,限制底物结合超过−1亚网站。
关于VC0615等外作用GH9与其底物的相互作用,仍存在一些关键问题。特别是,在VC0615、PBPRA0520或VP2484的结构中,还没有发现GlcN的−1亚位点与Glc的区别的明显依据,这意味着GlcN在酶的离开的+1亚位点存在区别的可能性。本田及其同事的观察支持了这一点,同时(GlcN)2由PBPRA0520用k猫/K(K)米几乎是(Glc)的15倍2,的k猫/K(K)米对于芳基底物的水解,pNP-GlcN仅比pNP-Glic(本田等。, 2011). Hunt及其同事提出的VC0615作用于GlcN-GlcN-O6-P底物的假设体内(狩猎等。, 2008)还需要测试,尤其是关于O6磷酸盐在+1酶亚基上的潜在结合作用。提高对外显GH9酶的结构和生物化学理解将有助于阐明这些问题,以及有关弧菌科利用几丁质的分子基础的更广泛问题。
致谢
我们感谢Diamond Light Source访问光束线I03(提案mx-13587),这有助于此处显示的结果。
资金筹措信息
已确认以下资助:欧洲研究委员会(Gideon J.Davies的批准号:ErC-2012-AdG-322942);皇家学会(授予吉迪恩·J·戴维斯)。
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