草酸青霉胞内N-糖基化修饰酶在蛋白合成分泌中的功能初探

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利用木质纤维素类生物质降解转化生产液体燃料和化学品是保障人类社会可持续发展的重要途径。草酸青霉(Penicillium oxalicum)可产生完整的降解植物细胞壁多糖的木质纤维素降解酶系,有效地将木质纤维素水解成可溶性糖,用于生物燃料和多种化工产品的生产。蛋白质的糖基化修饰在生命体中起着重要的作用,例如,参与翻译调控、信号转导调控、免疫保护、蛋白质降解、细胞壁的合成等许多生物过程。探索蛋白质的N-糖基化在纤维素降解真菌中的生物学功能,将加深对糖基化相关酶类功能和底物选择性的认识,有助于总结真菌胞外分泌蛋白组中众多酶组分糖基化修饰的基本状态和普遍规律,使得人工调整糖基化结构的路线变得可行,为提高纤维素降解酶的产量和生产特定N-糖链的纤维素降解酶提供新的思路。本论文以重要的纤维素降解酶生产真菌草酸青霉为研究对象,利用遗传学、糖组学和分泌组学的研究方法,聚焦于几种N-糖基化修饰酶的生物学功能研究,对N-糖基化修饰影响草酸青霉纤维素酶的合成进行了初步探索。本论文的主要研究结果如下:1.α-1,3-葡萄苷酶Ⅱ的β亚基(α-1,3-glucosidaseⅡ,GlsⅡβ)对草酸青霉生长、分泌蛋白N-糖链合成及纤维素酶合成的影响。以草酸青霉114-2为出发株,获得GlsⅡβ的缺失菌株(△glsⅡβ)。△glsⅡβ菌株淀粉酶活较出发株提高5.23倍,蛋白浓度增加80.1%,降解微晶纤维素的能力增强。胞外蛋白的N-糖链的结构分析发现,△glsⅡβ菌株所产胞外蛋白的总糖基化水平发生明显的变化:整体上偏向于高甘露糖型,同时出现丰度高、比例大的Glc1Man9GlcNAc2特殊糖型。分泌组分析发现,glsⅡβ的缺失显著影响胞外蛋白的种类和相对含量,糖苷水解酶如α-淀粉酶、纤维素降解酶如β-1,4-内切葡聚糖酶,以及纤维素降解辅助酶如单加氧酶Cel61A分泌量增加。提示N-糖基修饰酶GlsⅡ功能的破坏不仅影响了 N-糖基化修饰的过程,同时改变了菌体分泌新生糖蛋白的过程。对特定的胞外β-1,4-葡萄糖苷酶(BGL1)进行了纯化,发现△glsⅡβ菌株所产BGL1的N-糖链整体略长于出发株所产BGL1,同时其降解对硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷(pNPG)的活力提高65.3%。在70℃℃的稳定性增加,在pH 7.0的稳定性下降。说明由于glsⅡβ的缺失所导致的BGL1上N-糖链的整体改变影响了纤维素酶的酶活力和稳定性。2.三种α-1,2-甘露糖苷酶(Mns3、Mns2、Mns1)对草酸青霉生长、分泌蛋白N-糖链合成及纤维素酶合成的影响。构建了草酸青霉mns3、mns2和mns1的基因缺失菌株,分别为△mns3、△mns2和△mns1。mns1基因的缺失影响菌株在纤维素培养条件下的正常生长,△mns1菌株的胞外蛋白浓度下降42.4%,同时其降解微晶纤维素的能力严重下降,滤纸酶活仅为出发株的4.60%。mns3、mns2基因的缺失使得菌株降解微晶纤维素的能力增强。△mns3菌株滤纸总酶活增加1.07倍,淀粉酶活增加1.98倍,胞外蛋白浓度增加1.29倍;△mns2菌株滤纸总酶活增加1.14倍,淀粉酶活增加2.71倍,胞外蛋白浓度增加1.23倍。N-糖链结构分析显示,△mns3菌株所产胞外蛋白仅存在Man8GlcNAc2、Man9GlcNAc2这两种N-糖链;△mns2菌株总糖基化水平变化不明显。分泌组分析发现,Mns3和Mns2的缺失影响了胞外蛋白的种类和相对含量。提示Mns3和Mns2通过参与N-糖基化修饰的过程,间接或者直接地影响了(半)纤维素酶的成熟和分泌。位点特异性N-糖基化分析表明△mns3-BGL1偏向于高甘露糖型。△mns3和△mns2菌株所产的BGL1的酶学性质变化不明显。以上研究提示,Mns3、Mns2和Mns1在草酸青霉分泌蛋白的N-糖链合成及胞外蛋白合成分泌中的功能不同。3.糖苷水解酶第12家族(GH12)的三种糖苷水解酶的底物特异性及协同作用的研究。草酸青霉含有三个预测属于GH12的基因:PDE06439(PoCel12A)、PDE02886(PoCel12B)和 PDE09014(PoCel12C)。将其在毕赤酵母中表达的重组蛋白命名为rCel12A,rCel12B和rCel 12C,三种蛋白表现出不同的底物特异性。PoCel12A属于GH12-1亚家族,为非典型的内切-β-1,4-葡聚糖酶。PoCel12B属于GH12-2亚家族,rCel12B具有强的水解木葡聚糖的能力(239IU/mg),居于已有报道的木葡聚糖酶比活力的第二位,是严格的木葡聚糖特异性的内切-β-1,4-葡聚糖酶。PoCel12C含有独特的低复杂度区域,rCel12C对众多底物活性较低,属于非典型的半/纤维素酶。三种酶对不同底物具有不同的协同效应:当底物为PASC(磷酸膨胀纤维素)时,rCel12A和rCel12B的协同效应明显。
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