深海沉积物细菌胞外蛋白酶Pseudoalterin的诱导表达与分泌、催化特性、生态功能及其分子机制

发布时间：2020-08-20 23:24

【摘要】：深海环境蕴含着数量巨大、种类丰富的微生物资源。微生物是深海生态系统的最主要成员,深海微生物之间存在着复杂的相互作用。但目前对深海微生物之间的相互作用类型及机制还了解很少。深海有机质大多是高分子量的颗粒有机质(particulate organic matter,POM),因此,深海微生物通过分泌胞外酶对胞外大分子的有机物进行降解并利用,是一种生存和适应环境的方式。来自细菌细胞壁的肽聚糖和来自动物的胶原蛋白是深海颗粒POM的重要成分,它们在深海中被微生物通过分泌蛋白酶降解和利用,进入深海碳氮循环。但目前我们对参与深海肽聚糖和胶原蛋白等有机质降解的微生物及其酶类的种类及降解机制还了解有限。假交替单胞菌(Pseudoalteromonas)是一类广泛分布于海洋环境中的异养细菌。Pseudoalteromonas sp.CF6-2是一株分离自南中国海深海沉积物的产蛋白酶细菌。前期研究表明,该菌分泌的适冷蛋白酶Pseudoalterin是一个M23家族金属蛋白酶,能够降解弹性蛋白和革兰氏阳性菌肽聚糖。在此基础上,本论文首先建立了菌株CF6-2的遗传操作体系和蛋白酶Pseudoalterin的适冷表达体系,然后对蛋白酶Pseudoalterin的诱导表达机制、成熟机制、分泌机制和催化机制进行了研究,揭示了菌株CF6-2利用Pseudoalterin捕食海洋革兰氏阳性细菌的生态学现象,建立了利用CF6-2发酵生产Pseudoalterin的小试和中试工艺。另外,本论文还研究了来自胶州湾沉积物的细菌Photobacterium sp.A5-7分泌的一个新的S8家族丝氨酸蛋白酶P57的酶学性质及其PA结构域的功能。论文取得了如下研究结果:1.在基因组层面上分析海洋细菌胞外蛋白酶多样性为了在基因组层面分析海洋中产蛋白酶细菌的胞外蛋白酶的种类多样性,我们对两株海洋产蛋白酶细菌一深海沉积物细菌P.sp.CF6-2和北极表层海水细菌Flavobacterium arcticum SM1 502T的全基因组进行了测序,在基因组层面上揭示了这两株菌的胞外蛋白酶及其它胞外酶种类多样性。菌株CF6-2的基因组编码50种具有信号肽的肽酶,包括28个丝氨酸肽酶和22个金属肽酶。这些酶分布于9个丝氨酸肽酶家族和15个金属肽酶家族。菌株SM1502T的基因组编码29个具有信号肽的肽酶,包括14个丝氨酸肽酶、11个金属肽酶和4个半胱氨酸肽酶。这些酶分布于7个丝氨酸肽酶家族、5个金属肽酶家族和4个半胱氨酸肽酶家族。这些结果表明,这两株菌都含有大量的胞外蛋白酶基因,可能在海洋沉积物有机氮降解和循环中发挥重要作用。2.深海细菌CF6-2胞外蛋白酶Pseudoalterin表达的诱导机制海洋细菌胞外蛋白酶大多是受胞外物质诱导表达的,但诱导细菌胞外蛋白酶产生的确切信号分子至今尚未被鉴定出。本文对诱导细菌CF6-2胞外蛋白酶Pseudoalterin表达的信号分子进行了鉴定。由于蛋白酶Pseudoalterin能够高效地降解革兰氏阳性细菌肽聚糖的肽链部分,因此,我们的科学假设是:肽聚糖中的某些组分可能对Pseudoalterin具有诱导作用。为此,我们尝试从肽聚糖肽链组分中鉴定Pseudoalterin表达的诱导信号分子。首先检测了海洋典型革兰氏阳性菌Staphylococcus warneri MCCC0423的肽聚糖在转录水平上对Pseudoalterin的诱导作用。然后根据MCCC0423肽聚糖肽链的序列合成19种小肽,检测这19种寡肽及其中所含单个氨基酸对Pseudoalterin转录的诱导作用。实验结果表明含Gly寡肽及Gly对Pseudoalterin有诱导作用,为CF6-2表达Pseudoalterin的诱导信号分子。Gly的有效诱导浓度在0.25 mM-20 mM。这是首次揭示了微生物胞外蛋白酶的确切诱导信号分子并确定了其有效诱导浓度。另外,我们还确定了 Pseudoalterin的转录起始位点,为进一步阐明细菌CF6-2对Pseudoalterin合成的胞内调控机制奠定了基础。3.深海细菌CF6-2胞外蛋白酶Pseudoalterin的成熟和分泌机制前期研究表明,M23家族蛋白酶Pseudoalterin没有自成熟的能力,需要其他蛋白帮助其切割前导肽。但哪些蛋白辅助Pseudoalterin成熟还不清楚。为了鉴定Pseudoalterin成熟的辅助蛋白和阐明其成熟机制,我们首先建立了菌株CF6-2的遗传操作体系,然后通过分析其他M23家族蛋白酶的成熟过程找出可能在Pseudoalterin成熟过程中起作用的辅助蛋白。利用菌株CF6-2的遗传操作体系对这些辅助蛋白进行基因敲除,然后分析突变对胞外Pseudoalterin的影响,从而确定了三个对Pseudoalterin成熟有辅助作用的蛋白酶,Lysyl、Serine1和Serine5。信号肽预测结果表明这三个蛋白酶可能位于周质空间。通过Western blot检测发现,全细胞上清中存在Pseudoalterin的成熟形式,因此推测Pseudoalterin前导肽的切割发生在周质空间。通过分析菌株CF6-2的基因组,发现其具有完整的II型分泌系统(Type II secretion system,T2SS)。我们推测CF6-2可能通过T2SS分泌Pseudoalterin。我们将T2SS中的关键基因gspE缺失突变后,CF6-2的发酵液几乎检测不到Pseudoalterin,回补缺失基因后,Pseudoalterin的分泌得到了恢复。因此可以确定Pseudoalterin是通过T2SS分泌到胞外的。4.深海细菌CF6-2胞外蛋白酶Pseudoalterin结合和催化降解肽聚糖的机制前期研究表明,菌株CF6-2分泌的蛋白酶Pseudoalterin有两个功能结构域,含Zn离子的催化结构域能水解肽聚糖的肽链,另一个与催化结构域呈T字形紧密排列的C端结合结构域能结合肽聚糖糖链。Pseudoalterin能够降解革兰氏阳性细菌肽聚糖,但其结合和催化肽聚糖降解的分子机制尚未揭示。为了研究Pseudoalterin结合和催化肽聚糖降解的分子机制,我们通过分子对接的方法,将肽聚糖肽尾AeKaA和肽桥AGGGGG与Pseudoalterin催化腔进行分子共模拟,并结合同源序列分析,预测了 Pseudoalterin参与催化肽聚糖降解的关键氨基酸残基。然后,我们构建了 Pseudoalterin的在海洋适冷细菌中的适冷表达体系,并利用该体系对关键氨基酸残基进行了突变表达和纯化,并构建及纯化了C端结合结构域缺失突变体。通过测定Pseudoalterin突变体对肽聚糖的降解活性和吸附能力的变化,阐明了 Pseudoalterin结合和催化降解肽聚糖的机制。这是首次揭示了一个深海细菌蛋白酶对细菌肽聚糖降解的分子机制。5.深海细菌CF6-2及其胞外蛋白酶Pseudoalterin的生态功能细菌分泌的M23家族蛋白酶可以裂解细菌细胞壁肽聚糖,从而可为细菌获取食物并进行防御和竞争提供优势。为了阐明菌株CF6-2与海洋革兰氏阳性细菌之间的相互作用,我们通过平板实验对菌株CF6-2与海洋革兰氏阳性细菌进行了共培养,发现菌株CF6-2能够裂解多种海洋革兰氏阳性细菌并利用裂解细菌产生的营养物质进行生长,表明菌株CF6-2可能具有捕食海洋革兰氏阳性细菌的能力。然后,以 Staphylococcus warneri MCCC1A00423为对象,研究了P.sp.CF6-2通过分泌蛋白酶Pseudoalterin对革兰氏阳性细菌细胞壁肽聚糖进行降解,导致细菌裂解和死亡,从而从中获取营养进行生长和繁殖的机制。根据研究结果提出了海洋革兰氏阴性菌CF6-2捕食海洋革兰氏阳性菌的模型。通过生物信息学分析,我们发现多株来源于海洋的细菌(大多数为革兰氏阴性菌)含有蛋白酶Pseudoalterin的同源序列,因此推测我们揭示的革兰氏阴性菌通过胞外蛋白酶捕食革兰氏阳性细菌的现象在海洋生态环境中可能具有普遍性,这是一种新的存在于海洋细菌之间的相互作用关系。6.深海细菌CF6-2产胞外蛋白酶Pseudoalterin的小试和中试发酵M23家族蛋白酶能够降解肽聚糖和弹性蛋白,因此在生物医学和生物技术上具有一定的应用潜能。为了降低发酵成本并同时提高Pseudoalterin的产量,在前期优化的基础上,我们通过单因子实验对发酵培养基的成分和发酵培养条件进行了进一步优化。以0.5%的蔗糖为碳源,将牛心管粉的用量从1.2%减少到0.6%,将Pseudoalterin的产量提高了 161%(161.2± 3.1 U/mL)。在发酵培养基优化的基础上,对小试5 L发酵罐和中试50 L发酵罐发酵CF6-2生产Pseudoalterin的通气量和搅拌速度进行了优化,建立了深海细菌CF6-2产胞外蛋白酶Pseudoalterin的小试和中试发酵工艺。小试和中试中Pseudoalterin的产量分别达到155.6±10.5 U/mL和103.5±8.6 U/mL。研究结果为Pseudoalterin的工业化生产和其在生物医学和生物技术上的应用奠定了坚实的基础。7.新型S8家族丝氨酸蛋白酶P57的酶学性质和PA结构域的功能在系统开展海洋细菌蛋白酶Pseudoalterin研究的基础上,本论文对海洋细菌分泌的另外新型S8家族丝氨酸蛋白酶P57的酶学性质和PA结构域的功能进行了研究。Photobacterium sp.A5-7是一株分离自胶州湾沉积物的产蛋白酶细菌。本文对Photobacterium sp.A5-7分泌的一个蛋白酶P57进行了纯化和表征。P57是一个新的S8家族枯草杆菌素类蛋白酶,能水解酪蛋白、明胶和胶原蛋白。成熟的P57具有一个催化结构域和一个PA结构域。对异源表达融合蛋白PA-EGFP的分析表明,PA结构域对胶原具有吸附能力。通过Fe3+抑制P57的酶活,检测到了 P57与胶原的结合。通过定点突变分析,发现Phe349和Tyr432是P57结合胶原的关键氨基酸残基。这些结果表明P57能通过PA结构域结合胶原底物。该部分实验结果首次提供了枯草杆菌素类蛋白酶的PA结构域能结合不溶性底物的直接证据,对更好地了解来自海洋沉积物中细菌胞外蛋白酶和枯草杆菌素蛋白酶PA结构域的功能具有重要意义。综上所述,本论文对深海细菌CF6-2胞外蛋白酶Pseudoalterin在海洋肽聚糖降解和海洋生物竞争的生态学功能方面进行了较为深入的研究,同时研究了Pseudoalterin的诱导、成熟、分泌和催化机制,这些研究有助于我们更好地了解细菌及其胞外蛋白酶在深海物质循环和微生物相互关系中的作用。能够降解肽聚糖的蛋白酶Pseudoalterin在生物医学和生物技术上具有很好的应用价值,因此对本文建立的其进行的生产Pseudoalterin的中试发酵工艺为其大规模工业化生产奠定了坚实的基础。另一方面,在研究胞外蛋白酶Pseudoalterin的同时此外,我们本文建立了菌株CF6-2的遗传操作体系和适冷蛋白酶的适冷表达体系,这对研究深海细菌其它适冷菌和适冷蛋白具有重要意义。本文对蛋白酶P57的酶学性质及PA结构域的研究,对更好地了解来自海洋沉积物中细菌胞外蛋白酶和枯草杆菌素蛋白酶PA结构域的功能以及阐明海洋沉积物中颗粒有机氮降解具有重要意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q936
【图文】：

尾之间由肽桥连接，肽桥多为短肽，如在＆0ｐ／＾／ｏｃｏｃｃｗｓ邋ａｗｒｅｗｓ中，肽桥为甘氨逡逑酸五肽。与其他蛋白的肽链不同，肽聚糖中的肽尾含有Ｄ型氨基酸：Ｄ－丙氨酸、逡逑Ｄ－谷氨酸和Ｄ－谷氨酰胺（图１－１），因此难以被一般的蛋白酶降解。逡逑Ｄｉｒｅｃｔ邋ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋ逦Ｉｎｔｅｒｐｅｐｔｉｄｅ逦ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋ逡逑Ａ邋ｇｒａｍ－ｎｅｇａｉｖｅ／ｐｏｓｉｔｉｖｅ逦Ｂ邋ｇｒａｍ－ｐｏｓｉｔｉｖｅ逡逑（ａｉｃＮｉ％｝邋ｆ邋灥

本文编号：2798579