一种表达软骨素6-硫酸转移酶基因的重组菌及其应用的制作方法

文档序号:18093861发布日期:2019-07-06 10:55阅读:344来源:国知局
一种表达软骨素6-硫酸转移酶基因的重组菌及其应用的制作方法

本发明涉及一种表达软骨素6-硫酸转移酶基因的重组菌及其应用,属于生物工程技术领域。



背景技术:

硫酸软骨素(chondroitinsulfate,cs)是一种由葡萄糖醛酸(d-glcua)与n-乙酰半乳糖胺(galnac)以β-1,3键和β-1,4键交替连接而成的直链酸性粘多糖,其硫酸化结构具有多种形式,目前药用的主要是a和c异构体。硫酸软骨素c(csc)具有多种生物活性和药用价值,在临床上用于治疗风湿病和关节炎,可赋予软骨凝胶样特性和抗变形能力,享有人体“软黄金”之称,同时csc可以作为膳食补充剂和保湿剂,广泛应用于食品和化妆品领域。

目前,硫酸软骨素c工业化的主要生产方法为动物组织提取法,即采用碱水解、蛋白酶酶解等工艺方法从猪、牛、鲨鱼等动物软骨中制得。但是提取法自身存在诸多问题,如原材料限制、生产工艺复杂、产品质量不稳定、产业水平不高、环境污染严重等,严重制约了硫酸软骨素c产业的发展。

因此,国内外学者不断探索寻求利用生物法高效生产硫酸软骨素c的方法。酶法合成硫酸软骨素c的方法具有高选择性、高效性、无毒低污染等特点而逐渐受到了人们广泛的关注。软骨素可以在软骨素6-硫酸转移酶(c6st)的催化下一步合成硫酸软骨素c,目前软骨素6-硫酸转移酶主要从动物细胞中提取,成本高不利于工业化生产。zhouzhengxiong等人已经成功将rat来源的c6st通过ppic9k质粒连接,在p.pastoris宿主中进行了异源表达(zhouzhengxiong,biotechnologyandbioengineering,2018,115:1561-1570),但其获得的c6st的酶活力仅为5.98u/l,无法达到工业上生产csc的需求。因此,如何获得高产量的c6st成为高效合成硫酸软骨素c的首要问题。



技术实现要素:

本发明通过对表达系统的筛选最终获得一株表达软骨素6-硫酸转移酶基因的重组大肠杆菌,其分泌表达的c6st的酶活力高达51.6u/ml,为硫酸软骨素c的高效合成创造了条件。

本发明的第一个目的在于提供一种表达软骨素6-硫酸转移酶的重组菌,是以大肠杆菌或枯草芽孢杆菌为宿主,表达氨基酸序列如seqidno.1所示的软骨素6-硫酸转移酶(c6st)基因。

在本发明的一种实施方式中,所述软骨素6-硫酸转移酶(c6st)的核苷酸序列如seqidno.4所示。

在本发明的一种实施方式中,所述重组菌是以pht101为表达载体在枯草芽孢杆菌中表达。

在本发明的一种实施方式中,所述重组菌是分别以pet22a、pet20b或ptrchisa为表达载体在大肠杆菌中表达。

在本发明的一种实施方式中,所述重组菌是将c6st基因通过寡肽连接子gggs与麦芽糖融合蛋白基因连接后,再与表达载体相连。

在本发明的一种实施方式中,所述寡肽连接子gggs的氨基酸序列如seqidno.2所示。

在本发明的一种实施方式中,所述麦芽糖蛋白mbp基因的核苷酸序列如seqidno.3所示。

本发明的第二个目的在于提供一种所述重组菌的构建方法,是将麦芽糖融合蛋白、寡肽连接子gggs、软骨素6-硫酸转移酶c6st基因依次融合后,连接到表达载体上得到重组质粒,然后转化到宿主菌中。

在本发明的一种实施方式中,所述构建方法步骤如下:

(1)将氨基酸序列如seqidno.1所示的c6st基因通过氨基酸序列如seqidno.2所示的寡肽连接子gggs基因与麦芽糖融合蛋白mbp基因连接,得到融合蛋白mbp-c6st基因;

(2)将mbp-c6st基因分别与质粒pht101、pet22a、pet20b、ptrchisa连接,得到重组质粒pht101-mbp-c6st、pet22a-mbp-c6st、pet20b-mbp-c6st、ptrchisa-mbp-c6st;

(3)将上述获得的重组质粒分别转化到宿主菌b.subtilis或e.coli中得到重组菌:b.subtilis168-pht101-mbp-c6st和e.colibl21-pet22a-mbp-c6st、e.colibl21-pet20b-mbp-c6st、e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st。

本发明的第三个目的在于提供一种生产软骨素6-硫酸转移酶c6st的方法,是以所述的重组菌进行发酵生产。

本发明的第四个目的在于提供一种生产硫酸软骨素c的方法,其特征在于,所述方法是以软骨素为底物,利用所述重组菌的粗酶液进行发酵生产。

在本发明的一种实施方式中,所述发酵生产是在硫酸根供体3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸(paps)再生系统中进行。

在本发明的一种实施方式中,所述paps再生系统含有:3’-磷酸腺苷-5’-磷酸(pap)、3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸(paps)和酰基硫酸转移酶(astiv)。

在本发明的一种实施方式中,所述paps再生系统的体系为:20-100mmtris-hcl(ph为7.0),1-100mmpap,1-300mmpnps,0.1-10mlastiv粗酶液。

本发明的一种实施方式中,所述生产硫酸软骨素c的方法具体为:在20-100mm的ph为7.0的tris-hcl溶液中,加入1-100mmpap,1-300mmpnps,0.1-10mlastiv粗酶液,0.1-5mlc6st粗酶液,20-70℃反应20-60h。

本发明还提供所述的重组菌在制药领域的应用。

本发明有益效果

本发明采用不同质粒与载体表达软骨素6-硫酸转移酶,构建得到四株重组菌b.subtilis168-pht101-mbp-c6st和e.colibl21-pet22a-mbp-c6st、e.colibl21-pet20b-mbp-c6st、e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st,实现了软骨素6-硫酸转移酶的高效表达,最终酶活分别达到了36.3u/ml、40.2u/ml、38.4u/ml、51.6u/ml。以该酶为催化剂,软骨素为底物一步催化合成硫酸软骨素c,最终转化效率达到了80%。本发明方法在工业上用于硫酸软骨素c的合成具有潜在且非常广泛的价值。

附图说明

图1:重组表达软骨素6-硫酸转移酶的酶活比较图。1:菌株b.subtilis168-pht101-mbp-c6st,2:菌株e.colibl21-pet22a-mbp-c6st,3:菌株e.colibl21-pet20b-mbp-c6st,4:菌株e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st;

图2:csc的反应液经软骨素酶abc酶解后的高效液相色谱图。

具体实施方式

序列表中相关核苷酸序列信息:

(1)seqidno.1序列为来源于动物的软骨素6-硫酸转移酶的氨基酸序列;

(2)seqidno.2序列为寡肽连接子gggs的氨基酸序列;

(3)seqidno.3序列为来源于大肠杆菌的麦芽糖融合蛋白的核苷酸序列;

(4)seqidno.4序列信息为来源于动物的软骨素6-硫酸转移酶的核苷酸序列;

(5)seqidno.5序列信息为来源于动物细胞的硫磺基转移酶的核苷酸序列;

实施例1:重组表达载体的构建

(1)融合蛋白mbp-c6st基因片段的获得

为了使动物细胞来源的c6st基因能够在微生物细胞中高效表达,需要在该酶的n端融合来源于大肠杆菌的麦芽糖标签蛋白(maltosebindingprotein,mbp)。

以人工合成的核苷酸序列如seqidno.3所示的mbp基因为模板,利用引物mbp-s和rh-mbp-c6st-a扩增得到mbp基因,同时以人工合成的核苷酸序列如seqidno.4所示的c6st基因为模板,利用引物rh-mbp-c6st-s和c6st-a扩增得到c6st基因,然后采用融合pcr技术对mbp基因和c6st基因进行融合,最后利用引物mbp-s和c6st-a扩增得到融合蛋白mbp-c6st基因。

(2)pht101-mbp-c6st的构建

以步骤(1)得到的mbp-c6st基因为模板,利用引物pht-101-s和pht-101-a,扩增得到mbp-c6st基因,然后利用一步同源重组试剂盒将mbp-c6st基因整合至pht101质粒上,得到重组载体pht101-mbp-c6st。

(3)pet22a-mbp-c6st的构建

以步骤(1)得到的mbp-c6st基因为模板,利用引物pet22a-s和pet22a-a,扩增得到mbp-c6st基因,利用一步同源重组试剂盒将mbp-c6st基因整合至pet22a质粒上,得到重组载体pet22a-mbp-c6st。

(3)pet20b-mbp-c6st的构建

以步骤(1)得到的mbp-c6st基因为模板,利用引物pet20b-s和pet20b-a,扩增得到mbp-c6st基因,利用一步同源重组试剂盒将mbp-c6st基因整合至pet20b质粒上,得到重组载体pet20b-mbp-c6st。

(4)ptrchisa-mbp-c6st的构建

以步骤(1)得到的mbp-c6st基因为模板,利用引物ptrchisa-s和ptrchisa-a,扩增得到mbp-c6st基因,利用一步同源重组试剂盒将mbp-c6st基因整合至ptrchisa质粒上,得到重组载体ptrchisa-mbp-c6st。

表1引物序列表

实施例2:工程菌株的构建

(1)重组枯草芽孢杆菌的构建

挑取b.subtilis168单菌落接种于含有5mlgmi溶液的试管中,置于30℃200rpm摇床培养16h,得到第一次种子液。取第一次种子液2ml转接到18ml新鲜的gmi溶液中,在37℃200rpm条件下培养3.5h,得到第二次种子液。取第二次种子液10ml转接到90mlgmii溶液中,在37℃200rpm条件下培养90min后,在4℃下以5,000g离心10min收集菌体,去除上清液但保留10ml液体用于悬浮菌体,悬浮后的菌体即为感受态细胞可以直接用来热击转化(45℃,90s)。在b.subtilis168感受态细胞中加入适量重组质粒pht101-mbp-c6st,置于37℃200rpm培养90min后,涂布加有chl抗性的lb培养基,将验证正确的工程菌株命名为b.subtilis168-pht101-mbp-c6st。

(2)重组大肠杆菌的构建

挑取e.colibl21单菌落接种于含有25mllb液体培养基的三角瓶中,置于37℃200rpm条件下培养8h后进行转接,接种量为2%。当菌体浓度达到0.48左右时开始制备感受态细胞。在4℃下以6000rpm离心5min收集菌体,去除上清液。分别用10%甘油洗涤菌体三次后进行电击转化,分别加入适量的重组质粒pet22a-mbp-c6st、pet20b-mbp-c6st和ptrchisa-mbp-c6st。置于37℃200rpm培养60min后,分别涂布相应抗性(kan、amp)筛选培养基,验证正确的工程菌株命名为e.colibl21-pet22a-mbp-c6st、e.colibl21-pet20b-mbp-c6st和e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st。

实施例3:3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸paps再生系统的构建

在c6st反应体系中,需要硫酸根的供体3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸paps,因此,可根据文献(yuh-shyongyang,proteinexpressionandpurification,1996,8:423–429)中记载的方法,表达得到酰基硫酸转移酶astiv,并以此构建3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸paps再生系统。以下给出具体的操作步骤:

(1)酰基硫酸转移酶astiv的表达

本发明所用的酰基硫酸转移酶基因astiv来源于动物小鼠。以质粒ptrchisa为表达载体,核苷酸序列如seqidno.5所示的人工合成基因片段astiv为目的片段,通过酶切连接的方法构建表达载体ptrchisa-astiv。将表达载体ptrchisa-astiv转入e.colibl21中得到重组菌e.colibl21-ptrchisa-astiv。

挑取重组菌株e.colibl21-ptrchisa-astiv的单菌落接种至lb液体培养基中,37℃,200r/min中培养10小时后进行转接,转接量为5%,当od600为0.8左右时,采用0.4mm的iptg进行诱导,诱导时间为8h。摇瓶培养结束后收集菌体,超声破碎,离心所得上清液即为astiv的粗酶液。

表2引物序列表

(2)3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸(paps)再生系统的构建

paps再生系统包括:50mmtris-hcl(ph为7.0),1mmpap,5mm3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸(pnps),0.3mlastiv粗酶液,37℃反应24h。

实施例4:c6st的表达与酶活测定

(1)重组枯草芽孢杆菌中c6st的表达

基础发酵培养基配方:基础发酵培养基(g/l):葡萄糖10,酵母浸膏15,na2hpo4·12h2o1,mgso41,nacl8,ph7.0。

裂解缓冲液(mm/l):nacl100,nah2po450,na2hpo450,ph7.5。

挑取工程菌株b.subtilis168-pht101-mbp-c6st接种于添加chl的lb培养基中过夜培养,37℃,200rpm条件下培养12~14h,待其od值达到0.6~0.8时,按3%的接种量接种到基础发酵培养基中,37℃,200rpm条件下继续培养16~20h,将获得的菌液低温离心(4℃,8000rpm,4~5min),弃去上清收集沉淀菌体。在裂解缓冲液中加入溶菌酶至终浓度2mg/ml,洗涤重悬上一步收集到的菌体。将菌体重悬液进行超声波破碎15min(功率200w,超声1s,间歇2s)。将细胞破碎液进行低温离心(4℃,10000rpm,20min),所得上清液即为c6st粗酶液。

(2)重组大肠杆菌中c6st的表达

挑取工程菌株e.colibl21-pet22a-mbp-c6st、e.colibl21-pet20b-mbp-c6st和e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st单菌落分别接种于添加抗生素的lb液体培养基中过夜培养。随后转接至装有100ml的lb培养基中,转接量为2%,当菌体浓度达到0.48时,采用iptg进行诱导,诱导温度为25℃,诱导时间为8h。诱导结束后,在4℃,8000rpm的条件下离心5min,利用pbs缓冲液洗涤菌体数次,超声破碎菌体15min(功率400w,超声2s,间歇3s),离心后收集得到的上清液即为c6st粗酶液。

(3)c6st的酶活测定

软骨素6-硫酸转移酶的酶活测定方法为:1-10mg/ml软骨素,1-300mmpnps,1-100mmpap,0.1-10mlastiv粗酶液,0.1-5mlc6st粗酶液,50mm的ph为7.0的tris-hcl溶液。反应条件为:20-70℃,反应20-60h后,煮沸10min结束反应。反应液离心后收集上清液,在波长为400nm下测定对硝基苯酚的吸光值。1uc6st定义为每小时产生1μm/ml对硝基苯酚所需要的酶量。

以软骨素为底物,进行催化实验一步合成硫酸软骨素c。反应体系为:10mg/ml软骨素,15mmpnps,5mmpap,0.3mlastiv粗酶液,0.2mlc6st粗酶液,50mm的ph为7.0的tris-hcl溶液中。反应条件为:37℃条件下,反应24h后,煮沸10min结束反应。反应液离心后收集上清液,在波长为400nm下测定对硝基苯酚的吸光值。根据对c6st的酶活测定,结果如图1所示,以e.colibl21为表达宿主,ptrchisa为表达载体时c6st的酶活力最高,达到了51.6u/ml。

表3不同表达系统表达得到的c6st的酶活

实施例5:不同来源的c6st的酶活测定

参考实施例2中e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st的构建方法,将c6st序列的来源由musmusculus(mouse)(seqidno:1)更换为oryctolaguscuniculus(rabbit)(ncbi登录号100009563)和xenopuslaevis(africanclawedfrog)(ncbi登录号108715239)来源,构建得到重组菌株e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st(rabbit)和e.colibl21-ptrchisa-mbp-c6st(frog),并按照实施例4的方法,分别表达和测定c6st的酶活,结果如表4所示,分别达到了48.3和45.6u/ml。

表4异源表达不同来源的c6st的酶活

实施例6:利用重组菌e.colibl21-pet22a-mbp-c6st生产硫酸软骨素c

csc的制备方法:以软骨素为底物构建酶催化反应体系合成csc。反应体系包括:在50mm的ph为7.0的tris-hcl溶液中,加入5mmpap,15mmpnps,0.3mlastiv粗酶液,0.2mlc6st粗酶液(实施例4步骤(1)得到的e.colibl21-pet22a-mbp-c6st生产的粗酶液),10mg/ml软骨素,混匀后置于37℃水浴中反应24h后煮沸10min结束反应。

csc的检测方法:取上述csc制备反应液离心,加入硫酸软骨素abc酶液(其可以将csc分解成4-硫酸化二糖,4s),混匀后置于37℃水浴中反应1h后煮沸10min结束反应。离心取上清液,0.45μm的滤膜过滤,取滤液作为样品利用高效液相色谱检测二糖成分。

csc酶解反应液用高效液相色谱法进行测定,色谱条件为:色谱柱hypersilsaxcolumn(250mm×4.6mm,5μm),检测波长为232nm,流动相a为去离子水,流动相b为2m/l的氯化钠溶液,流速为1ml/min。

对csc制备液进行检测发现(如图2所示),硫酸软骨素c的二糖组成单元之一的4-硫酸化二糖(4s)能够稳定存在,说明利用软骨素为底物,酶法合成硫酸软骨素c已经取得成功,并且催化效率达到了80%以上。

c6st的催化效率为:y=[18.68*(a1-a0)+0.15]*n*10-3。a0为对照吸光值,a1为c6st酶活测定时的吸光值,n为稀释倍数。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

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<110>江南大学

无锡宸明生物技术有限公司

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