本發(fā)明涉及基因工程領(lǐng)域,具體涉及一種山桃醇腈酶pdhnl2及其編碼基因與應(yīng)用。
背景技術(shù):
醇腈酶(hydroxynitrilelyase,hnl;e.c.4.1.2.x)是一種廣泛存在于高等植物中的裂解酶,也是植物用來(lái)抵御外敵的關(guān)鍵酶,在生理?xiàng)l件下,hnl參與植物的生氰作用或氨基酸的合成代謝。作為一種生物催化劑,hnl還能高度選擇性的可逆催化由氫氰酸(hydrogencyanide,hcn)和醛(或酮)生成r或s型手性氰醇的反應(yīng),還可轉(zhuǎn)化成羥基化合物、胺基合成物、羧基化合物等多種重要手性中間體,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成多種手性藥物。例如,利用hnl催化產(chǎn)生的鄰氯扁桃腈,可以進(jìn)一步合成(r)-鄰氯扁桃酸;(r)-鄰氯扁桃酸可以合成新型安全高效的抗血小板聚集藥物氯吡格雷(clopidogrel)。氯吡格雷在臨床上用于治療動(dòng)脈粥狀硬化疾病、中風(fēng)、急性冠狀動(dòng)脈綜合征、預(yù)防心肌梗塞和血栓性并發(fā)癥等。
hnl在自然界中是廣泛存在的,主要分為兩類(lèi):r構(gòu)型和s構(gòu)型。薔薇科植物包括杏(prunusarmeniaca)、枇杷(eriobotryajaponica)和扁桃(prunusamygdalus)等果實(shí)的核仁中hnl的含量豐富,易提純,已成為工業(yè)生物合成的r型羥腈化合物的主要酶源,而高梁、木薯、三葉膠中的hnl均能立體專(zhuān)一性催化脂肪族、芳香族和雜環(huán)族s型羥腈化合物的合成。因此,在不對(duì)稱(chēng)合成領(lǐng)域中,hnl已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。
另一方面,利用生物體系(各種細(xì)胞和酶)作催化劑實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的生物轉(zhuǎn)化和生物合成,是當(dāng)今手性有機(jī)合成化學(xué)的研究熱點(diǎn)(patel2002,2003,2004)。生物催化劑作為手性催化劑進(jìn)行反應(yīng),具有反應(yīng)條件溫和、副反應(yīng)少、光學(xué)純度高、立體選擇性和專(zhuān)一性高以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)環(huán)境及社會(huì)發(fā)展,對(duì)綠色化工產(chǎn)業(yè)的建立都有極其重要的應(yīng)用意義和前景。其中,通過(guò)克隆許多物種的hnl基因,包括三葉膠(hbhnl)、木薯(mehnl,)、扁桃(pahnl)、亞麻(luhnl)和擬南芥(athnl)等,分別在大腸桿菌(escherichiacoli)、畢赤酵母(pichiapastoris)及枯草芽孢桿菌(bacillussubtilis)等微生物宿主菌中進(jìn)行表達(dá),為利用基因工程菌合成手性羥腈化合物奠定了基礎(chǔ)。不過(guò),山桃醇腈酶及其編碼基因尚未被分離與克隆因此,本領(lǐng)域有必要開(kāi)發(fā)山桃的醇腈酶。該蛋白及其編碼基因可通過(guò)植物轉(zhuǎn)基因和異源表達(dá)的方式進(jìn)行手性醇腈的合成。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種山桃醇腈酶pdhnl2及其編碼基因與應(yīng)用。
本發(fā)明提供的蛋白質(zhì)pdhnl2來(lái)自山桃(prunusdavidiana),具有醇腈酶的功能,為如下(a)、(b)或(c)的蛋白質(zhì):
(a)由seqidno.1所示的氨基酸序列組成的蛋白質(zhì);
(b)將seqidno.1所示的氨基酸序列經(jīng)過(guò)一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基取代和/或缺和/或添加且具有醇腈酶功能的由seqidno.1衍生的序列相似度大于90%的蛋白質(zhì);
(c)包括由(a)或(b)添加了標(biāo)簽序列、信號(hào)序列或分泌信號(hào)序列后所形成的融合蛋白質(zhì)。
上述蛋白質(zhì)pdhnl2可人工合成,也可以先合成其編碼基因,再進(jìn)行生物表達(dá)得到。
本發(fā)明的另一目的是提供該山桃醇腈酶pdhnl2蛋白的編碼基因,具體的,該蛋白的編碼基因序列如seqidno.2所示。
本發(fā)明通過(guò)rt-pcr方法克隆了山桃醇腈酶基因pdhnl2,其最大開(kāi)放閱讀框序列含有1740bp,編碼seqidno.1所示的579個(gè)氨基酸殘基。
對(duì)于e.coli表達(dá)系統(tǒng),本發(fā)明采用e.coli表達(dá)系統(tǒng)載體,如pet28a(+)。將山桃醇腈酶基因pdhnl2插入e.coli表達(dá)載體,獲得重組表達(dá)載體。將獲得的重組表達(dá)載體,轉(zhuǎn)化e.coli表達(dá)系統(tǒng),如e.colibl21(de3)表達(dá)載體,獲得可表達(dá)山桃醇腈酶pdhnl2的e.coli重組表達(dá)菌株。本發(fā)明優(yōu)選質(zhì)粒為pet28a(+),優(yōu)選表達(dá)宿主為e.colibl21(de3)。
對(duì)于p.pastoris表達(dá)系統(tǒng),本發(fā)明采用p.pastoris表達(dá)系統(tǒng)載體,如ppiczαa。將本發(fā)明的山桃醇腈酶基因pdhnl2插入至表達(dá)載體相應(yīng)的限制性?xún)?nèi)切酶的酶切位點(diǎn),使其核苷酸序列與表達(dá)調(diào)控序列相連接,獲得重組表達(dá)載體。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選試驗(yàn)方案,優(yōu)選將山桃醇腈酶基因pdhnl2插入到表達(dá)載體質(zhì)粒ppiczαa,使該核苷酸序列位于aox1啟動(dòng)子的下游并受其調(diào)控,獲得可重組p.pastoris表達(dá)質(zhì)粒ppiczαa-pdhnl2。本發(fā)明還提供了包含上述山桃醇腈酶基因pdhnl2的重組菌株,優(yōu)選所述表達(dá)菌株為p.pastorisx33,優(yōu)選為重組菌株p.pastorisx33/pdhnl2。
本發(fā)明的又一目的是提供該山桃醇腈酶pdhnl2的應(yīng)用,用于合成扁桃腈或鄰氯扁桃腈。
本發(fā)明還提供了一種制備山桃醇腈酶pdhnl2的方法,包括以下步驟:
1)用上述的重組載體轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞,得到重組表達(dá)菌株;
2)培養(yǎng)重組表達(dá)菌株,誘導(dǎo)(如果是誘導(dǎo)型啟動(dòng)子)、過(guò)量表達(dá)重組山桃醇腈酶pdhnl2。
3)回收并純化所表達(dá)的山桃醇腈酶pdhnl2。
本發(fā)明所提供的蛋白質(zhì)山桃醇腈酶pdhnl2、重組菌及山桃醇腈酶pdhnl2制備方法為工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)山桃醇腈酶提供了有效途徑。
附圖說(shuō)明
圖1是pdhnl2基因聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(pcr)產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳圖。
圖2是本發(fā)明蛋白質(zhì)pdhnl2在e.colibl21(de3)重組表達(dá)菌株中表達(dá)后的聚丙烯酰胺凝膠電泳(sds-page)圖譜。其中:1,蛋白marker;2,含有空載體pet28a(+)的e.colibl21(de3)誘導(dǎo)6h;3,含有重組表達(dá)載體pet28a-pdhnl2的e.colibl21(de3)誘導(dǎo)6h;4,含有重組表達(dá)載體pet28a-pdhnl2的e.colibl21(de3)誘導(dǎo)12h。
圖3是本發(fā)明蛋白質(zhì)pdhnl2在p.pastorisx33重組表達(dá)菌株中表達(dá)后的聚丙烯酰胺凝膠電泳(sds-page)圖譜。其中:1,蛋白marker;2,含有重組表達(dá)載體ppiczαa-pdhnl2的p.pastorisx33誘導(dǎo)表達(dá)上清液;3,含有ppiczαa空載體的p.pastorisx33誘導(dǎo)表達(dá)上清液;4,p.pastorisx33誘導(dǎo)表達(dá)上清液。
圖4是山桃醇腈酶pdhnl2的體外活性檢測(cè)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例并附圖,進(jìn)一步詳細(xì)地闡述本發(fā)明。
以下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容,但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下,對(duì)本發(fā)明方法、步驟或條件所作的修改或替換,均屬于本發(fā)明的范圍。
在本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ),除非有另外說(shuō)明,一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義;若未特別指明,實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。
實(shí)施例1山桃醇腈酶基因pdhnl2的克隆
以山桃(prunusdavidiana)幼嫩新鮮葉片為材料,提取rna,并反轉(zhuǎn)錄成cdna作為模板,利用具有序列表中seqidno.3和seqidno.4的核苷酸引物序列,pcr擴(kuò)增編碼區(qū)片段。
對(duì)pcr產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),結(jié)果如圖1。切下目標(biāo)dna條帶純化回收,將回收的dna片段連接到pmd19-t載體上,轉(zhuǎn)化e.colidh5α感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐抗性篩選后挑取單克隆子進(jìn)行菌落pcr驗(yàn)證。陽(yáng)性克隆子經(jīng)測(cè)序利用blast軟件進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)插入的片段與桃(prunuspersica)醇腈酶基因一致性高達(dá)99%。
pdhnl2編碼基因具有序列表中seqidno.2的核苷酸序列。自seqidno.2的5’-端第1-1740位核苷酸為pdhnl2的開(kāi)放閱讀框(openreadingframe,orf),自seqidno.2的5’-端的第1-3位核苷酸為pdhnl2編碼基因的起始密碼子atg,自seqidno.2的5’-端的第1738-1740位核苷酸為pdhnl2編碼基因的終止密碼子tag。山桃醇腈酶基因pdhnl編碼一個(gè)含有579個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)pdhnl2,具有seqidno.1的氨基酸序列,用軟件預(yù)測(cè)到該蛋白質(zhì)的理論分子量大小為62.9kda,等電點(diǎn)pi為4.57。
實(shí)施例2山桃醇腈酶pdhnl2基因在e.coli中的異源表達(dá)
一、攜帶pdhnl2基因e.coli表達(dá)系統(tǒng)重組載體的構(gòu)建
以山桃cdna為模板,根據(jù)序列seqidno.2設(shè)計(jì)引物,pcr擴(kuò)增山桃pdhnl2基因編碼區(qū)的dna序列。引物兩端分別引入ncoi和noti酶切位點(diǎn)和保護(hù)堿基;引物序列如seqidno.5和seqidno.6所示。
對(duì)pcr產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,切下目的條帶純化回收,將回收的dna片段連接到pmd19-t載體上,轉(zhuǎn)化e.colidh5α感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐抗性篩選,挑取克隆子進(jìn)行菌落pcr驗(yàn)證后提取質(zhì)粒測(cè)序,得到含有ncoi和noti酶切位點(diǎn)及編碼pdhnl2基因的質(zhì)粒pmd19t-pdhnl2。
將質(zhì)粒pmd19t-pdhnl28和空載體質(zhì)粒pet28a(+)分別在30℃條件下用ncoi和noti雙酶切12h后,酶切產(chǎn)物分別進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳分析,回收,用t4dna連接酶4℃連接過(guò)夜。連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化e.colidh5α感受態(tài)細(xì)胞,挑取卡那霉素抗性的單克隆,提取質(zhì)粒,以seqidno.5和seqidno.6引物進(jìn)行pcr鑒定,并將pcr鑒定正確的陽(yáng)性克隆子進(jìn)行測(cè)序鑒定。將測(cè)序正確的含有seqidno.1序列并與6×組氨酸(his)融合的重組載體命名為pet28a-pdhnl2。
二、重組表達(dá)載體pet28a-pdhnl2轉(zhuǎn)化宿主、陽(yáng)性克隆鑒定
將步驟一中構(gòu)建的重組表達(dá)載體pet28a-pdhnl2轉(zhuǎn)化e.colibl21(de3)感受態(tài)細(xì)胞,同時(shí)將pet28a空載體e.colibl21(de3),作為對(duì)照菌。挑取卡那霉素抗性的單克隆,以seqidno.5和seqidno.6引物進(jìn)行pcr檢測(cè)。將菌落pcr驗(yàn)證陽(yáng)性的陽(yáng)性克隆克隆子,用于蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)。
三、pdhnl2基因的原核表達(dá)
將步驟二中鑒定正確的克隆培養(yǎng)過(guò)夜,再將細(xì)菌100倍稀釋于含有卡那霉素(50mg/l)的lb液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),待菌液生長(zhǎng)至od600為0.6-0.8時(shí),加入iptg(終濃度為0.1mm)進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng),16℃誘導(dǎo)12h,同時(shí)將含有pet28a(+)空載體e.colibl21(de3)作為對(duì)照菌。取誘導(dǎo)過(guò)的菌液1ml,離心收集菌體(4000rpm,10min),菌體蛋白進(jìn)行12%sds-page電泳檢測(cè)。結(jié)果表明,在iptg誘導(dǎo)下,含有重組表達(dá)載體pet28a-pdhnl2的e.colibl21(de3)中成功表達(dá)了pdhnl2蛋白,且表達(dá)pdhnl2蛋白的表觀分子量與理論分子量相近(圖2)。
實(shí)施例3山桃醇腈酶pdhnl2基因在p.pastoris中的異源表達(dá)
一、攜帶pdhnl2基因p.pastoris表達(dá)系統(tǒng)重組載體的構(gòu)建
以山桃cdna為模板,根據(jù)序列seqidno.2設(shè)計(jì)引物,pcr擴(kuò)增山桃pdhnl2基因編碼區(qū)的dna序列。引物兩端分別引入kpni和noti酶切位點(diǎn)和保護(hù)堿基;引物序列如seqidno.7和seqidno.8所示。
對(duì)pcr產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,切下目的條帶純化回收,將回收的dna片段連接到pmd19-t載體上,轉(zhuǎn)化e.colidh5α感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐抗性篩選,挑取克隆子進(jìn)行菌落pcr驗(yàn)證后提取質(zhì)粒測(cè)序,得到含有kpni和noti酶切位點(diǎn)及編碼pdhnl2基因的質(zhì)粒pmd19t-pdhnl2-1。
將質(zhì)粒pmd19t-pdhnl28和空載體質(zhì)粒ppiczαa分別在30℃條件下用kpni和noti雙酶切12h后,酶切產(chǎn)物分別進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳分析,回收,用t4dna連接酶4℃連接過(guò)夜。連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化e.colidh5α感受態(tài)細(xì)胞,挑取博來(lái)霉素抗性的單克隆,提取質(zhì)粒,以seqidno.7和seqidno.8引物進(jìn)行pcr鑒定,并將pcr鑒定正確的陽(yáng)性克隆子進(jìn)行測(cè)序鑒定。將測(cè)序正確的含有seqidno.1序列的重組載體命名為ppiczαa-pdhnl2。
二、重組表達(dá)載體ppiczαa-pdhnl2轉(zhuǎn)化宿主、陽(yáng)性克隆鑒定
將步驟一中構(gòu)建的重組表達(dá)載體ppiczαa-pdhnl2經(jīng)drai酶切線性化后,回收,電轉(zhuǎn)化p.pastorisx33感受態(tài)細(xì)胞,同時(shí)將ppiczαa空載體p.pastorisx33,作為對(duì)照菌。挑取博來(lái)霉素抗性的單克隆,以seqidno.7和seqidno.8引物進(jìn)行pcr檢測(cè)。將菌落pcr驗(yàn)證陽(yáng)性的陽(yáng)性克隆克隆子,用于蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)。
三、pdhnl2基因的酵母表達(dá)
將步驟二中鑒定正確的克隆培養(yǎng)過(guò)夜,再將細(xì)菌100倍稀釋于bmgy液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),待菌液生長(zhǎng)至od600為2-6時(shí),加入甲醇(終濃度為1%)進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng),30℃誘導(dǎo)96h,同時(shí)將含有ppiczαa空載體p.pastorisx33作為對(duì)照菌。取誘導(dǎo)過(guò)的菌液1ml,離心收集上清液(8000rpm,10min),菌體蛋白進(jìn)行12%sds-page電泳檢測(cè)。結(jié)果表明,在甲醇誘導(dǎo)下,含有重組表達(dá)載體ppiczαa-pdhnl2的p.pastorisx33中成功表達(dá)了pdhnl2蛋白,且表達(dá)pdhnl2蛋白的表觀分子量與理論分子量相近(圖3)。
實(shí)施例4pdhnl2降解扁桃腈生成苯甲醛活性檢測(cè)
采用檸檬酸磷酸緩沖液(100mm,ph5.5)進(jìn)行pdhnl2的3ml酶促反應(yīng),底物為扁桃腈(4.2mm),將實(shí)施例2和3的得到的e.coli誘導(dǎo)破碎液和p.pastoris上清液,加入底物中,反應(yīng)時(shí)間為10min,檢測(cè)波長(zhǎng)為280nm。比活力定義為:在反應(yīng)條件下,1min內(nèi)每mg蛋白分解底物生成苯甲醛(消光系數(shù)為18.777mlμmol-1cm-1)的摩爾量。結(jié)合圖4,結(jié)果表明,e.coli表達(dá)系統(tǒng)pdhnl2重組蛋白酶活為13.31μmolmin-1mg-1protein;p.pastoris表達(dá)系統(tǒng)pdhnl2重組蛋白酶活為71.43μmolmin-1mg-1protein;而在對(duì)照(山桃葉片提取液)中的酶活為14.95μmolmin-1mg-1protein。
實(shí)施例5pdhnl2合成(r)-鄰氯扁桃腈檢測(cè)
將含有重組pdhnl2蛋白的e.colibl21(de3)和p.pastorisx33工程菌進(jìn)行大量培養(yǎng),并分別在iptg和甲醇誘導(dǎo)后,離心收集菌體沉淀和上清液。其中,收集的e.colibl21(de3)細(xì)胞用50mm磷酸鹽緩沖液(ph7.5)重懸,并進(jìn)行超聲破碎。待細(xì)胞破碎后,10,000g離心,收集上清液。p.pastorisx33則直接收集上清液。
稱(chēng)取4.9g(0.1mol)nacn加入10ml去離子水和25ml甲基叔丁基醚不斷混合的溶液中。低溫下(4℃條件下)將這兩相充分混合15分鐘。之后,緩慢的加入10ml30%的hcl溶液,同時(shí)將混合溶液慢慢的升至室溫(25℃,25min)。待溶液分層后,保留水相。
將e.colibl21(de3)和p.pastorisx33上清液(20ml),分別加入足量的hcn水相和1ml0.5mol/l鄰氯苯甲醛。充分混勻并不斷的進(jìn)行攪拌1-2h。分離有機(jī)相,并進(jìn)行高效液相色譜檢測(cè)(hplc)。結(jié)果表明,e.colibl21(de3)和p.pastorisx33菌重組pdhnl2蛋白催化鄰氯苯甲醛生成(r)-鄰氯扁桃腈的轉(zhuǎn)化率分別為54.2%和83.5%。
序列表
<110>江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所
<120>一種山桃醇腈酶pdhnl2及其編碼基因與應(yīng)用
<160>8
<170>patentinversion3.5
<210>1
<211>579
<212>prt
<213>山桃(prunusdavidiana)
<400>1
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