真菌防御素——菌丝霉素遗传进化分析,多拷贝表达及其抗菌特性

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菌丝霉素是一种从生长于北欧松林地表腐生子囊菌Pseudoplectania nigrella中分离出的一种真菌防御素。菌丝霉素高效抗革兰氏阳性菌且无细胞毒性,极具成为抗革兰氏阳性菌感染的新型药物的潜力。本研究通过在UniProtKB(ExPasy)数据库中对菌丝霉素蛋白序列BLAST分析发现了62种与菌丝霉素具有同源性的防御素。系统发育树构建发现11条与菌丝霉素属同一进化分支的防御素。氨基酸序列分析发现,62条防御素序列中除保守的半胱氨酸外,Loop区的甘氨酸;α-螺旋结构首尾的脯氨酸和异亮氨酸; C末端的赖氨酸同样高度保守。11条与菌丝霉素处于同一进化分支序列疏水簇分析发现其疏水性氨基酸在C末端聚集成簇;正电荷表面分析表明防御素在进化过程中对电荷表面存在选择作用;对菌丝霉素的生物信息学分析有助于菌丝霉素表达中宿主菌和表达方式的选择。按照酵母菌密码子使用的偏爱性优化菌丝霉素基因序列并克隆到表达载体pPICZαA上,得到重组表达载体pPICPlectasin,在毕赤酵母X-33中对进行了重组表达。高密度发酵后,总分泌蛋白达748.63μg mL-1,其中重组菌丝霉素的含量占总分泌蛋白的71.79%。采用葡聚糖凝胶G-25纯化重组菌丝霉素。纯化产物经RP-HPLC分离,质谱测定重组菌丝霉素分子量为4404.256 Da,与其理论值(4404.82 Da)相符。在单拷贝菌丝霉素表达基础上,研究尝试构建菌丝霉素串联多拷贝表达载体,利用pPICZαA上一对同尾酶BglII和BamHI酶切位点,对菌丝霉素单拷贝表达载体进行酶切,将得到的菌丝霉素表达盒与线性化载体串联,构建了菌丝霉素二拷贝、四拷贝和八拷贝表达载体,转化酵母细胞,荧光定量PCR进行转化子拷贝数验证。对各拷贝转化子进行诱导表达,发现菌丝霉素单拷贝和四拷贝转化子拷贝数与表达量存在线性关系。对重组菌丝霉素抗菌谱进行测定,发现菌丝霉素对革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus ATCC 25923),表皮葡萄球菌(Staphyloccocus epidermidis ATCC 26069),肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae CVCC 2350)和猪链球菌(Streptococcus suis CVCC 3309)具有抗菌活性,其中对猪链球菌(S. suis CVCC 3309)的最小抑菌浓度(MIC)为2μg mL-1,而革兰氏阴性菌对菌丝霉素不敏感;溶血性实验发现菌丝霉素对兔血红细胞不具溶血性;pH稳定性实验发现重组菌丝霉素在pH 2.0-10.0的缓冲液中处理不影响其抗金黄色葡萄球菌的活性;热稳定性实验发现,在30-80oC的范围内菌丝霉素能保持全部的抗金黄色葡萄球菌的活性,甚至在100oC的条件下处理1h,仍能维持50%的活性;抗蛋白酶降解实验发现重组菌丝霉素对胃蛋白酶和木瓜蛋白酶的抗降解能力优良,但对胰蛋白酶敏感。综上,本研究通过菌丝霉素的生物信息学分析,阐明了防御素进化过程中电荷表面的选择作用,并且成功的实现了菌丝霉素在毕赤酵母中的高效表达,同时建立了一种通过构建目的基因表达盒串联体来提高表达量的方法。研究了重组菌丝霉素的抗菌特性,为其应用奠定了基础。
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