吳 京,王文文,熊蓉露,吳 振,*,潘道東,,*,曾小群,郭宇星
(1.寧波大學(xué) 浙江省動物蛋白食品精深加工技術(shù)重點實驗室,浙江 寧波 315211;2.南京師范大學(xué)金陵女子學(xué)院,江蘇 南京 210097)
革蘭氏陽性細(xì)菌的表面蛋白可以使細(xì)菌黏附于一些細(xì)胞和組織表面,這種機制可以促使細(xì)菌成功定殖于機體內(nèi)并逃避宿主的免疫監(jiān)視[1]。部分表面蛋白發(fā)揮作用之前需要分選酶A(sortase A,SrtA)的參與,它可以識別表面蛋白特定的LPXTG序列(X表示任意一種氨基酸),并將表面蛋白在蘇氨酸(T)和甘氨酸(G)之間切開,使表面蛋白錨定在細(xì)胞壁上[2-3]。
分選酶是一種膜結(jié)合類的轉(zhuǎn)肽酶,很多表面蛋白發(fā)揮功能之前都需要分選酶的參與。目前為止發(fā)現(xiàn)的6 種分選酶中,SrtA可以識別LPXTG等序列,使表面蛋白正常發(fā)揮功能[4];可催化細(xì)菌的多種黏附素或毒力因子錨定在細(xì)胞壁表面,在致病菌入侵宿主細(xì)胞的過程中發(fā)揮著重要作用[5-6]。在對多種革蘭氏陽性細(xì)菌的SrtA基因進(jìn)行敲除后發(fā)現(xiàn),SrtA缺陷菌株生理狀況沒有明顯變化,但對宿主細(xì)胞的黏附作用大幅下降,從而很大程度上降低了病原菌的致病性[7-8]。
相較于其他革蘭氏陽性細(xì)菌,乳酸菌的分選酶及表面蛋白沒有毒性,因此其分選酶錨定機制被認(rèn)為是比較安全的。研究發(fā)現(xiàn),乳酸菌SrtA在細(xì)菌黏附過程中同樣扮演著重要角色。Malik等[9]研究了植物乳桿菌CMPG5300對陰道上皮細(xì)胞的黏附,結(jié)果發(fā)現(xiàn),CMPG5300 SrtA基因被敲除后,自身的聚集效應(yīng)明顯降低,同時對陰道上皮細(xì)胞的黏附作用也會減弱,而對SrtA缺陷菌株進(jìn)行基因回補后,CMPG5300對細(xì)胞的黏附能力又有所回升,表明乳酸菌SrtA同樣會影響它對宿主細(xì)胞的黏附;SrtA基因的缺失也會影響其他基因的表達(dá),并影響乳酸菌細(xì)胞膜的形成。
乳酸菌SrtA可以識別多種表面蛋白,并介導(dǎo)乳酸菌對腸道細(xì)胞的黏附,抑制病原菌的入侵[10-11]。雖然這些表面蛋白與腸道細(xì)胞的結(jié)合位點尚不明確,但可以肯定的是,乳酸菌的表面蛋白可以抑制病原菌對腸道細(xì)胞的黏附,并提高乳酸菌在腸胃中的存活率;表面蛋白與腸道細(xì)胞受體結(jié)合還可以刺激免疫細(xì)胞的增殖,增強人體免疫力[12-13];乳酸菌SrtA也有望被開發(fā)為一種蛋白質(zhì)連接工具[14]。因此,對乳酸菌SrtA的研究有助于進(jìn)一步探究表面蛋白的具體功能,揭示乳酸菌的益生機理。
目前為止,對SrtA的研究主要集中在致病菌及其抑制物的開發(fā)上[15-17],雖然獲得了諸多成果,但它們對分選酶家族的廣譜抑制效應(yīng)尚少見研究。乳酸菌作為人體腸道中的優(yōu)勢菌群,鮮有文獻(xiàn)報道這些抑制劑對乳酸菌SrtA的影響。本研究擬利用pET28a(+)載體對Lactobacillus acidophilus ATCC4356的SrtA進(jìn)行異源表達(dá),并分析其酶學(xué)特性,期望獲得具有活性的SrtA,驗證分選酶抑制劑對乳酸菌SrtA的抑制作用,為提高乳酸菌分選酶的催化效率以及為后續(xù)分選酶抑制劑的篩選奠定基礎(chǔ)。
L. acidophilus ATCC4356、pET28a(+)為本實驗室保存;熒光多肽Dabcyl-QALPTTGEE(Edans)由上海強耀生物科技有限公司合成;大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞Trans1-T1、Transetta(DE3)、克隆載體pEASY-Blunt Zero、親和層析柱Ni-NTA Resin 北京全式金生物技術(shù)有限公司;高保真DNA聚合酶、限制性內(nèi)切酶、T4 DNA連接酶 日本TaKaRa公司;查爾酮 天津一方科技有限公司。
INFINITE M200 PRO酶標(biāo)儀 瑞士TECAN公司;H2500R-2、H-2050R低溫離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司;聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀 美國Labnet公司;超聲波細(xì)胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司;Universal HoodⅡ凝膠成像分析系統(tǒng) 美國Bio-Rad公司;Mini Drop超微量分光光度計 依科賽生物科技有限公司;MC99-3自動液相分離層析儀 上海滬西分析儀器廠有限公司。
1.3.1 嗜酸乳桿菌SrtA基因的克隆及鑒定
表1 PCR引物序列Table1 Sequences of primers used for PCR
使用信號肽分析軟件SignaIP分析SrtA的氨基酸序列,發(fā)現(xiàn)L. acidophilus ATCC4356 SrtA(Lap-SrtA)存在一個信號肽剪切位點,位于第48個氨基酸處。根據(jù)分析結(jié)果,如表1所示,設(shè)計引物SrtAΔN48-F、SrtAΔN48-R去除Lap-SrtA N端48 個氨基酸,以XhoⅠ和BamHⅠ作為酶切位點,通過PCR克隆得到目的基因SrtAΔN48,用瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR結(jié)果。PCR程序:98 ℃預(yù)變性4 min;98 ℃ 10 s,58 ℃ 5 s,72 ℃ 1 min,30 個循環(huán);72 ℃延伸10 min。
PCR產(chǎn)物割膠回收后與Blunt Zero克隆載體連接,轉(zhuǎn)入大腸桿菌Trans1-T1感受態(tài)細(xì)胞,卡納霉素篩選轉(zhuǎn)化子,雙酶切驗證,并送至上海桑尼生物技術(shù)有限公司測序。
1.3.2 重組原核表達(dá)載體的構(gòu)建
用BamH I和Xho I分別雙酶切Blunt Zero-SrtAΔN48和完整質(zhì)粒pET28a(+),瓊脂糖凝膠電泳檢測酶切效果,然后割膠回收目的基因SrtAΔN48和被切開的載體pET28a(+)。用T4 DNA連接酶連接pET28a(+)與SrtAΔN48,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入大腸桿菌Transetta(DE3),卡那霉素篩選轉(zhuǎn)化子。并通過雙酶切、測序等獲取重組表達(dá)載體pET28a-SrtAΔN48。
1.3.3 重組載體在大腸桿菌中的誘導(dǎo)表達(dá)
將含有重組表達(dá)載體pET28a-SrtAΔN48的大腸桿菌接種于卡那霉素質(zhì)量濃度為100 mg/mL的LB肉湯培養(yǎng)基中,37 ℃ 180 r/min 搖床培養(yǎng)至600 nm波長吸光度約為0.6,加入異丙基硫代半乳糖苷(isopropyl β-D-thiogalactoside,IPTG)至終濃度為0.4 mmol/L,25 ℃繼續(xù)培養(yǎng)16 h,同時以未加IPTG的培養(yǎng)物作為對照。誘導(dǎo)結(jié)束后,5 000 r/min離心收集菌體,用0.01 mol/L PBS緩沖液重懸,超聲波破碎細(xì)菌,10 000 r/min離心30 min,收集上清液,利用Ni-NTA親和層析柱純化目的蛋白,然后進(jìn)行十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠蛋白電泳分析,確定蛋白表達(dá)情況。
1.3.4 重組蛋白的活性測定
分選酶活性測定選用Dabcyl-QALPTTGEE(Edans)熒光多肽,分選酶可以識別LPTTG序列,并在T與G之間切割肽鍵,使熒光基團Edans脫落并發(fā)出熒光,通過測定反應(yīng)體系中的熒光強度來測定分選酶的活性。熒光多肽Dabcyl-QALPTTGEE(Edans)用pH 7.5的Tris-HCl緩沖液稀釋至5 mmol/L作為儲備液。
純化的蛋白用蛋白活性緩沖液(50 mmol/L Tris-HCl緩沖液,150 mmol/L NaCl溶液,pH 8.0)稀釋至0.5 mg/mL,加入96 孔板黑板中,并加入分選酶底物肽至終濃度為10 μmol/L(終反應(yīng)體系為200 μL),在37 ℃培養(yǎng)箱中孵育2 h,使用酶標(biāo)儀記錄孵育前后體系中的熒光強度(激發(fā)波長350 nm,發(fā)射波長520 nm),以蛋白活性緩沖液作為陰性對照。
為研究金屬離子對Lap-SrtA酶活性的影響,反應(yīng)體系中分別加入5 mmol/L的CaCl2、MgCl2、ZnCl2及MnCl2溶液(終反應(yīng)體系為200 μL),以不加任何金屬離子的反應(yīng)體系作為對照,37 ℃培養(yǎng)箱中孵育2 h,測定反應(yīng)體系中熒光強度,計算相對酶活力。
1.3.5 分選酶抑制劑查爾酮對重組蛋白活性的影響
查爾酮用二甲基亞砜溶解,加入反應(yīng)體系中,使其終濃度分別為20、40、80、120、160、200 μmol/L,在37 ℃培養(yǎng)箱中孵育30 min后,加入熒光肽底物至終濃度為10 μmol/L(終反應(yīng)體系為200 μL),繼續(xù)孵育2 h,按之前的方法讀取熒光強度,計算相對酶活力。
1.3.6 嗜酸乳桿菌SrtA生物信息學(xué)分析
分別用ExPASY、TMHMM、PSIPRED、SWISS MODEL[18-19]等蛋白質(zhì)在線分析軟件分析分選酶的結(jié)構(gòu)特點并與其他分選酶進(jìn)行比對。
所有數(shù)據(jù)用Origin 8.5軟件繪制趨勢曲線圖,采用一維方差分析比較數(shù)據(jù)平均值之間的差異顯著性。
圖1 SrtAΔN48基因PCR產(chǎn)物電泳圖Fig. 1 Agarose gel electrophoresis of PCR products of SrtAΔN48 gene
由圖1可知,以L. acidophilus ATCC4356基因組DNA為模板擴增產(chǎn)物長度為546 bp,符合預(yù)計長度。測序結(jié)果經(jīng)過NCBI對比,與L. acidophilus NCFM序列相似性為99%,氨基酸序列完全相同。將克隆載體Blunt Zero-SrtAΔN48雙酶切后得到的SrtAΔN48與pET28a(+)連接,卡那霉素篩選陽性菌,并送至上海桑尼生物技術(shù)有限公司測序,測序結(jié)果顯示整個克隆過程中沒有引入突變堿基。
圖2 Transetta(DE3)/pET28a-SrtAΔN48的表達(dá)產(chǎn)物十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析Fig. 2 SDS-PAGE analysis of expression product from Transetta (ED3)/pET28a-SrtAΔN48
將重組載體pET28a-SrtAΔN48轉(zhuǎn)入表達(dá)菌株Transetta(DE3),在25 ℃、0.4 mmol/L IPTG條件下表達(dá)及純化結(jié)果如圖2所示。SrtA作為一種膜蛋白,其氨基酸序列的N端含有一段強疏水性序列,包括跨膜區(qū)域和信號肽,這段序列可以使膜蛋白成功錨定在細(xì)胞壁上;但在基因異源表達(dá)過程中,疏水性序列會嚴(yán)重影響蛋白質(zhì)的正確折疊以及可溶性表達(dá)[7,20]。為獲得具有活性的SrtA蛋白,本研究設(shè)計引物去除了SrtA酶N端的48 個氨基酸,然后使用pET系列載體在大腸桿菌內(nèi)表達(dá)目的基因Lap-SrtAΔN48。L. acidophilus ATCC4356 SrtA基因原本編碼229 個氨基酸,切除N端48 個氨基酸后,相對分子質(zhì)量會有所減小。由圖2可知,SrtAΔN48在約20 kDa的位置出現(xiàn)了明顯的條帶,同時,利用Ni-NTA親和層析柱,獲得了高純度的SrtAΔN48蛋白。
分選酶進(jìn)行轉(zhuǎn)肽作用時不需要ATP的參與,因此在體外可以較為方便地測定Lap-SrtAΔN48的活性。利用帶有熒光基團的底物肽Dabcyl-QALPTTGEE(Edans)測定SrtA的活性,Lap-SrtAΔN48切割熒光基團結(jié)果如圖3所示。由于對照組沒有分選酶活性,在孵育過程中,熒光強度會衰減,因此相對酶活力呈負(fù)值,SrtA在37 ℃時可以成功切斷肽段LPTTG,使熒光基團Edans發(fā)出熒光。
圖3 不同金屬離子對Lap-SrtAΔN48蛋白活性的影響Fig. 3 Effect of different metal ions on Lap-SrtAΔN48 activity
金屬離子是生命體不可缺少的微量元素,對酶的活力和機體生長發(fā)育有著重要的影響。由圖3可知,Mg2+、Mn2+可顯著提高Lap-SrtAΔN48的活力(P<0.05);Zn2+也可以提高Lap-SrtAΔN48的活力,但效果并不顯著(P>0.05);Ca2+不會影響Lap-SrtAΔN48的活力(P>0.05),明顯區(qū)別于其他SrtA酶。Ilangovan[3]、Li Hong’en[21]等在對金黃色葡萄球菌OS2分選酶(Sa-SrtA)及單核細(xì)胞性李斯特菌BUG1600分選酶(Lm-SrtA)的研究過程中發(fā)現(xiàn),Ca2+可以提高Sa-SrtA及Lm-SrtA的活力至原來的4 倍以上。Naik等[22]研究了Sa-SrtAΔN59與Ca2+的關(guān)系,結(jié)果表明,Sa-SrtA β6與β7之間的谷氨酸(Glu171)可以使Ca2+結(jié)合到酶活中心附近,改變Sa-SrtA的動力學(xué)結(jié)構(gòu),提高Sa-SrtA的催化效率,而Lap-SrtAΔN48在這一區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)功能相似的氨基酸(圖6)。
圖4 查爾酮對SrtA蛋白活性的抑制作用Fig. 4 Inhibitory activity of chalcone on SrtA
由圖4可知,查爾酮在體外可以顯著抑制Lap-SrtAΔN48的活性,抑制效果與查爾酮的濃度有關(guān),濃度越高,查爾酮的抑制作用越強。結(jié)合以往的研究結(jié)果,查爾酮可以與熒光肽底物競爭酶活位點,使Lap-SrtAΔN48喪失轉(zhuǎn)肽能力。
查爾酮是一種黃酮類化合物,普遍存在于植物體內(nèi)[23]。研究發(fā)現(xiàn),查爾酮可以直接封閉蛋白酶的活性位點,阻止SrtA的轉(zhuǎn)肽作用,抑制Listeria monocytogenes、Streptococcus mutans、S. pyogenes[21,24]等多種致病菌對宿主細(xì)胞的黏附,具有良好的應(yīng)用前景。由于查爾酮有較高的廣譜抑制效果,本實驗選擇它作為研究Lap-SrtAΔN48特性的工具。結(jié)果顯示,查爾酮同樣會抑制Lap-SrtAΔN48的活性,查爾酮特殊的分子結(jié)構(gòu)具有較大的柔性,如果人體腸道中其他益生菌的SrtA結(jié)構(gòu)與L. acidophilus ATCC4356相似,查爾酮就會干擾正常的腸道微生物環(huán)境,影響人體健康。查爾酮對多種SrtA的抑制效應(yīng)也表明,依靠特殊的分子結(jié)構(gòu)抑制SrtA酶活力的方法沒有特異性,因而在通過查爾酮阻止腸道致病菌對腸道的吸附作用進(jìn)行治療時,可能會影響人體內(nèi)原有的微生物,引發(fā)一定的副作用。
圖5 預(yù)測的Lap-SrtA三維結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of Lap-SrtA predicted by SWISS MODEL
使用ExPASY在線檢測工具對Lap-SrtAΔN48分析后發(fā)現(xiàn),Lap-SrtAΔN48總氨基酸數(shù)為181,分子質(zhì)量約為20 kDa,理論等電點為9.95,分子式為C891H1466N244O255S11,脂肪指數(shù)為85.14,不穩(wěn)定指數(shù)為23.95,屬于穩(wěn)定蛋白質(zhì)(不穩(wěn)定指數(shù)大于40屬于不穩(wěn)定蛋白質(zhì))。SrtA屬于Ⅱ類膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(N端位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè),C端位于細(xì)胞膜外側(cè)),蛋白質(zhì)在細(xì)胞壁外側(cè)發(fā)揮作用。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測顯示,Lap-SrtAΔN48中含有14.92%的α螺旋結(jié)構(gòu)和26.52%的β折疊結(jié)構(gòu);可能存在11 個蛋白質(zhì)識別位點和1 個蛋白質(zhì)-核酸結(jié)合位點。SrtA可以催化多種表面蛋白,這些蛋白質(zhì)識別位點可能對應(yīng)的是不同的表面蛋白。
由圖5可知,采用SWISS MODEL構(gòu)建的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)顯示,Lap-SrtAΔN48由5 段α螺旋和8 段β折疊結(jié)構(gòu)組成,其中,8 條反向平行的β折疊形成了一個β中心桶狀結(jié)構(gòu),與單核細(xì)胞性李斯特菌、金黃色葡萄球菌、釀膿鏈球菌的基本結(jié)構(gòu)相同。β中心桶狀結(jié)構(gòu)是SrtA的經(jīng)典結(jié)構(gòu),是分選酶進(jìn)行轉(zhuǎn)肽作用的基礎(chǔ),研究表明,位于β4、β7和β8上活性位點會形成一個口袋結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以識別表面蛋白的LPXTG序列,并攻擊T與G之間的肽鍵,催化轉(zhuǎn)肽過程(圖4)[25]。
圖6 Lap-SrtA蛋白與同源蛋白序列比對結(jié)果Fig. 6 Results of multiple sequence alignment of Lap-SrtA protein and homologous proteins
由圖6可知,以Lm-SrtA為模板,將Lap-SrtAΔN48與其他革蘭氏陽性細(xì)菌分選酶序列比對后發(fā)現(xiàn),多種革蘭氏陽性細(xì)菌SrtA之間有很高的同源性,并且均存在組氨酸(H)-半胱氨酸(C)-精氨酸(R)三聯(lián)體活性中心,這是SrtA的主要活性氨基酸,此外,組氨酸附近存在LAGH等保守序列,半胱氨酸附近也存在TLITC保守序列,可能與分選酶活性有關(guān)。結(jié)合序列比對結(jié)果,本研究推測Lap-SrtA活性氨基酸為His137、Cys198、Arg205。組氨酸和精氨酸是SrtA酶抓取LPXTG序列的必需氨基酸,而半胱氨酸可以將底物從TG之間切開[26]。
分選酶錨定機制是細(xì)菌外蛋白的5 種錨定方式之一[27],本研究利用大腸桿菌表達(dá)載體獲得了具有活性的Lap-SrtA蛋白,并對其分子生物學(xué)特性作了初步分析。
相較于Sa-SrtA、Lm-SrtA,Ca2+不會影響Lap-SrtA的活性,氨基酸序列比對發(fā)現(xiàn),Lap-SrtA在β6與β7之間沒有谷氨酸(Glu),這可能是Lap-SrtA對Ca2+不敏感的原因之一。谷氨酸是Sa-SrtA結(jié)合Ca2+的關(guān)鍵氨基酸 ,在Sa-SrtA催化轉(zhuǎn)肽作用時,Ca2+可以同時結(jié)合β6/β7之間的谷氨酸和β3/β4之間天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸等氨基酸,拉近兩段肽鏈之間的距離,使Sa-SrtA的活性位點發(fā)生形變,提高催化效率。另外,金黃色葡萄球菌,單核細(xì)胞性李斯特菌均為致病菌,其分選酶及分選酶依賴蛋白多數(shù)為毒性蛋白,Sa-SrtA及Lm-SrtA對Ca2+的敏感性很可能是為了適應(yīng)毒性蛋白的錨定而進(jìn)化的特殊性質(zhì)[22]。
生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示,Lap-SrtA的結(jié)構(gòu)和活性位點與Sa-SrtA、Sp-SrtA和Lm-SrtA相似,均由8條β折疊和若干α螺旋及部分β轉(zhuǎn)角組成;其中,位于β4、β7、β8上的組氨酸-半胱氨酸-精氨酸構(gòu)成了SrtA的三聯(lián)體活性中心。由于具有相似的結(jié)構(gòu)和相同的活性位點,查爾酮同樣可以抑制Lap-SrtA的活性。通過與Lap-SrtA的活性位點相結(jié)合,查爾酮可以阻止Lap-SrtA與底物蛋白間的相互作用,抑制Lap-SrtA的催化作用[24]。因此,查爾酮雖然對多種分選酶有抑制效果,但它也有一定的副作用,如果長期作用于生物體,很可能會影響機體內(nèi)的正常菌群。鑒于查爾酮的廣譜抑制效應(yīng),本研究認(rèn)為,以競爭性抑制為原理篩得的SrtA抑制劑有一定的缺陷,針對致病菌分選酶抑制劑的開發(fā)可以從它們對Ca2+的敏感性入手,如果可以進(jìn)一步確定Ca2+的作用機制,設(shè)計相關(guān)實驗,降低SrtA與Ca2+的相互作用,同樣可以有效抑制致病菌SrtA的活性,同時不影響嗜酸乳桿菌ATCC4356分選酶的正常功能。
乳酸菌必須定殖于人體腸道中才能發(fā)揮益生作用,因此,乳酸菌對腸道細(xì)胞的黏附被認(rèn)為是定殖的首要條件[28]。但是近年來不斷有研究顯示,目前的益生菌產(chǎn)品中的乳酸菌在腸道中的滯留能力并不理想。雖然乳酸菌可以耐受人體消化道嚴(yán)苛的環(huán)境,成功到達(dá)腸道,但它們大部分并不能成功定殖,多數(shù)外源乳酸菌在腸道內(nèi)存在時間很短,一旦停止從外界攝入,它們的數(shù)目會在2 周內(nèi)迅速衰減[29-30]。因此,提高乳酸菌的定殖能力一直是乳品研究者們努力的方向。本實驗研究發(fā)現(xiàn),Lap-SrtA對Ca2+不敏感,催化效率較低,會導(dǎo)致細(xì)菌表面黏附蛋白含量減少,對宿主細(xì)胞的黏附能力也會降低,因此,嗜酸乳桿菌在腸道中定殖成功率不高,很容易被其他腸道菌群排斥。目前,可以通過改變?nèi)樗峋呐囵B(yǎng)條件,篩選黏附性較強的乳酸菌菌種,改善乳酸菌在腸道中的定殖率;另一方面,通過分子生物學(xué)的方法增強乳酸菌分選酶的含量,進(jìn)而提高乳酸菌的黏附能力也是一個可行的方法。
分選酶雖然在多種乳酸菌中被發(fā)現(xiàn),但它識別表面蛋白的種類及底物識別機制尚不明確,SrtA在腸道環(huán)境中的催化效率、轉(zhuǎn)運方式、相應(yīng)的激活劑及抑制劑等仍需要進(jìn)一步闡明。只有獲得這些酶更為詳細(xì)的信息,才能使乳酸菌及其制品獲得更好的應(yīng)用。
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