CN104120118B

CN104120118B - 来自冬虫夏草中国被毛孢的精氨酸酶、编码基因及其应用

Info

Publication number: CN104120118B
Application number: CN201410307406.4A
Authority: CN
Inventors: 柳志强; 郑裕国; 林善; 薛亚平; 吴晖; 李邦良; 许静; 许峰; 王鸿艳
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Hangzhou Zhongmei Huadong Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Sino American East China Pharmaceutical Jiangdong Co ltd; Zhejiang University of Technology ZJUT; Hangzhou Zhongmei Huadong Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104120118A

Abstract

本发明涉及来自“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢参与尿素循环机制机理的精氨酸酶(Arginase)，编码这个酶的基因及其应用。所述精氨酸酶的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示，其编码基因核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。本发明从原理上对L‑精氨酸合成尿素进行了详细研究，提供了“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢参与尿素循环机制机理的精氨酸酶及其编码基因，本发明所提供的核苷酸序列的克隆DNA可以用来通过转导、转化、结合转移的方法转入工程菌中，通过调节催化L‑精氨酸制备相应的尿素的酶对应编码基因的表达，赋予宿主精氨酸酶的高表达性，为扩大精氨酸酶的生物应用提供了有效途径，具有重大应用前景。

Description

来自冬虫夏草中国被毛孢的精氨酸酶、编码基因及其应用

(一)技术领域

本发明涉及一个来自“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢参与尿素循环机制机理的精氨酸酶(Arginase)，编码这个酶的基因及其应用。

(二)背景技术

冬虫夏草(Cordyceps sinensis(Berk.)Sacc.)是冬虫夏草菌寄生在鳞翅目(Lepidoptera)蝙蝠蛾科昆虫(Hepialus armoricanus Oberthur)幼虫上的子座及幼虫尸体上的复合体(包括子座和虫体)。冬虫夏草是一类珍惜的传统真菌药材资源，具有代谢产物和生物活性多样的特点，在生物医药领域展现出巨大的应用和发展前景。冬虫夏草以其多种药用功效广泛、明显而备受关注，在世界范围内备受推崇。中医认为，冬虫夏草入肺肾二经，既能补肺阴，又能补肾阳，主治肾虚，阳痿遗精，腰膝酸痛，病后虚弱，久咳虚弱，劳咳痰血，自汗盗汗等，是唯一的一种能同时平衡、调节阴阳的中药。现代药理学已证实，冬虫夏草具有免疫调节、抗菌、抗肿瘤、抗氧化、抗衰老、降血糖血脂、性激素样作用等广泛的生物活性。

冬虫夏草菌是一种子囊菌，在其生活史中具有分生孢子阶段(无性型)和子囊孢子阶段(有性型)。而在人工培养、液体发酵等实际生产中使用的是无性阶段的冬虫夏草菌，因而冬虫夏草无性型的鉴定非常重要。国内外学者在冬虫夏草资源调查、无性型确证、活性成分分离分析和作用机理、开发应用方面做了大量工作。冬虫夏草中国被毛孢已被证明是冬虫夏草的无性型存在形式，具有与天然冬虫夏草相同的活性成分和药效。

但是，对冬虫夏草中国被毛孢中尿素循环的研究几乎为空白，尤其在参与中国被毛孢尿素循环的精氨酸酶的研究上。

精氨酸酶(EC:3.5.3.1)是尿素循环中的一种酶，可催化精氨酸水解产生鸟氨酸和尿素，在机体氮代谢方面起着重要的作用。精氨酸作为一种半必须氨基酸，仅为快速增长的组织尤其是肿瘤组织所必需。一般含于产生尿素的动物(哺乳类、板鳃鱼类、两栖类、海龟类)的肝脏、肾脏、精巢中，作为尿素循环的一个环节而起作用。这种酶在肝细胞的核里特别多，也含于植物的种子、酵母和霉菌中。可为Fe²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等二价金属离子所激活，而Hg²⁺、Ag²⁺、柠檬酸和硼酸等可使之失活，另外可为赖氨酸、鸟氨酸所抑制，最适pH＝9.8。精氨酸酶通过分解精氨酸对肿瘤细胞进行营养剥夺，对正常组织影响较小，因此是一种良好的抗肿瘤药物，众多体内实验证明，精氨酸酶有着显著的抑制肿瘤细胞分裂的作用。

1987年，Y Haraguchi等人利用Oligo(dT)随机引物和大鼠中精氨酸酶探针从人的肝脏细胞的cDNA文库中筛选和克隆到了两个精氨酸酶，分别命名为拉姆达hARG6和拉姆达hARG109，它们包含一个重叠的并且编码322个氨基酸残基开放读码框的cDNA序列。

1996年，Joseph G.Vockley等人PCR扩增出并克隆到了人II型精氨酸酶基因，这是有关哺乳动物非肝脏的精氨酸酶基因的首次报道。但是同源性比对后发现这个酶属于I型精氨酸酶，而精氨酸酶的活力数据，和用anti-All抗体的免疫沉淀作用也同样证实该基因和I型精氨酸酶的同源性。Northern印迹分析表明这个酶在脑，前列腺和肾中存在差异表达。

2007年，杨成丽等人PCR扩增出了人I型精氨酸酶基因(hAI)，插入大肠杆菌表达载体pET30a中，构建重组表达质粒pET30a-hAI，转化到大肠杆菌宿主菌BL21(DE3)中，构建了大肠杆菌基因工程菌BL21(DE3)(pET30a-hAI)，IPTG诱导后表达，菌体酶活为每克湿菌体34.6U，分析表明，他们所克隆的目的蛋白大小大约为35kDa。

2011年，刘巧林等人根据三角帆蚌消减杂交cDNA文库获得的EST序列，运用cDNA末端快速扩增(Rapid amplification of cDNA ends，RACE)技术获得了三角帆蚌精氨酸酶基因的全长cDNA序列。运用生物信息学方法分析表明精氨酸酶基因cDNA序列长1720bp，开放阅读框(65-1072)1008bp，编码335个氨基酸，5’端非编码区为64bp，3’端非编码区为648bp，软件推测其编码蛋白相对分子量为36.81kD。研究采用实时荧光定量PCR方法分析该基因在不同组织中的表达规律，结果表明，该基因在肝脏、胃、肠、鳃、心脏、外套膜、斧足共7个组织中都有表达，但主要集中在肝脏、胃和肠消化器官中表达。这可能说明低等的无脊椎动物三角帆蚌的精氨酸酶兼具有I型和Ⅱ型精氨酸酶的特征和功能，既可以参与尿素循环，又可以在生理和病理过程中发挥重要作用，但还需进一步验证。

但是，目前NCBI数据库中目前还检索不到中国被毛孢中精氨酸酶的基因相关信息。

(三)发明内容

本发明目的在于针对以上存在的不足和需要解决的技术问题，对“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢尿素循环中的酶及其编码基因进行深入研究，提供了“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢尿素循环机制的一种精氨酸酶、编码基因及其应用。

本发明采用的技术方案是：

一种参与中国被毛孢尿素循环的精氨酸酶，其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示(记为argA蛋白)。该酶可催化L-精氨酸制备相应的尿素。

SEQ ID No.1序列如下：MAFRGFNPRA GINPYQSWAK IVDCGDIPIT PFDNDIAREQMTQALKSLGE RASVSSLSPK PRLVTLGGDH SLTLPALRAL NHVYGRPVRV LHFDAHLDTW NPEAYPSHWGATQFTHGSMF WMAKREGLLS NSSSEPSVHA GLRTRLSGDA WADYEDDGSQ NWIRFAADDI DDRGTAGIIAGIMEALGTED PVYLSVDIDV LDPAFAPGTG TPEPGGWTTR ELIRVLRGIE GLDLVGADVV EVSPAYQGRGEETALAAAQV VYEGLTSM*

由于氨基酸序列的特殊性，任何含有SEQ ID NO.1所示氨基酸序列的肽蛋白的片段或其变体，如其保守性变体、生物活性片段或衍生物，只要该肽蛋白的片段或肽蛋白变体与前述氨基酸序列同源性在90％以上，均属于本发明保护范围之列。具体的所述改变可包括氨基酸序列中氨基酸的缺失、插入或替换；其中，对于变体的保守性改变，所替换的氨基酸具有与原氨基酸相似的结构或化学性质，如用亮氨酸替换异亮氨酸，变体也可具有非保守性改变，如用色氨酸替换甘氨酸。

由L-精氨酸经过精氨酸酶的催化获得对应尿素的路径如下所示：

本发明还涉及所述的精氨酸酶在生物催化L-精氨酸制备尿素中的应用，所述应用为：以本发明精氨酸酶作为催化剂，催化L-精氨酸制备得到尿素和鸟氨酸。具体的：将含精氨酸酶基因的重组工程菌经诱导培养后的湿菌体用磷酸盐缓冲液(50mM、pH8.0)悬浮，超声破碎，取破碎混合液离心，取上清液为催化剂，以0.1M的L精氨酸水溶液为底物，于pH值为7.0的磷酸盐缓冲液中，37℃下反应，反应结束后，将反应液离心，取上清液，获得含尿素的混合液，将混合液分离纯化即的尿素，所述分离纯化的方法为本领域公知操作，通常采用亲和层析的方法进行。所述底物的初始浓度为0.033M，所述催化剂的用量以超声破碎前湿菌体的质量计为8.1g/L(终浓度)。

所述催化剂按如下方法制备：将含精氨酸酶基因的重组工程菌接种于含终浓度50μg/ml的Kan抗性的LB液体培养基中，37℃、250r/min培养过夜，取1mL培养物，将其转接(以体积浓度为2％的接种量转接)于50mL含有50μg/ml Kan抗性的LB液体培养基中，37℃、250r/min培养至菌体浓度OD600为0.6～0.8，向培养物中加入终浓度0.05mmol/L的IPTG诱导培养8h，收集湿菌体，将湿菌体在功率40％、破1s停1s条件下超声破碎(优选3次，每次5min)，离心，取上清液即为催化剂。

本发明还涉及所述精氨酸酶的编码基因，具体的，所述基因的核苷酸序列如SEQID No.2所示(记为argA基因；argA基因编码argA蛋白)。

由于核苷酸序列的特殊性，任何SEQ ID NO.2所示多核苷酸的变体，只要其与该多核苷酸具有90％以上同源性，均属于本发明保护范围之列。所述多核苷酸的变体是指一种具有一个或多个核苷酸改变的多核苷酸序列。此多核苷酸的变体可以使生的变位变异体或非生的变异体，包括取代变异体、缺失变异体和插入变异体。如本领域所知的，等位变异体是一个多核苷酸的替换形式，它可能是一个多核苷酸的取代、缺失或插入，但不会从实质上改变其编码的肽蛋白的功能。

所述的基因可用于构建能够生物催化L-精氨酸制备尿素的基因工程菌，以扩大精氨酸酶的应用。所述生物催化优选在37℃、pH7条件下进行。具体为：构建含有所述精氨酸酶基因的重组载体，将所述重组载体转化至大肠杆菌(优选E.coli BL21(DE3))中，获得的重组基因工程菌进行诱导培养，培养液分离纯化获得含有精氨酸酶基因的菌体细胞。

本发明的要点在于提供了SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列和SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列，在已知该氨基酸序列和核苷酸序列的情况下，该氨基酸序列和核苷酸序列的获得，以及相关载体、宿主细胞的获得，对于本领域技术人员来说均是显而易见的。

能够提供本发明所述冬虫夏草精氨酸酶及其编码基因的菌株为中国被毛孢(Hirsutella sinensis)L0106，该菌种保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCCNo：M2011278，已在先前申请的专利CN102373190A中披露。

本发明的有益效果主要体现在：本发明从原理上对催化L-精氨酸制备相应的尿素进行了详细研究，提供了“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢参与尿素循环的精氨酸酶及其编码基因，本发明所提供的核苷酸序列的克隆DNA可以用来通过转导、转化、结合转移的方法转入工程菌中，通过调节催化L-精氨酸制备相应的尿素的酶对应编码基因的表达，赋予宿主精氨酸酶的高表达性，为扩大精氨酸酶的生物应用提供了有效途径，具有重大应用前景。

(四)附图说明

图1为“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢总RNA的甲醛变性凝胶电泳图；

图2为中国被毛孢尿素循环机制和过程注释图；图中(1)为氨甲酰磷酸合成酶(CPS)；(2)为鸟氨酸氨甲酰基转移酶(OTC)；(3)为精氨酸琥珀酸合成酶(AS)；(4)为精氨酸琥珀酸裂解酶(AL)；(5)为精氨酸酶(arginase)；(6)为N-乙酰谷氨酸合成酶(NAGS)；

图3为精氨酸酶基因PCR扩增产物凝胶电泳图；

图4为克隆载体pMD18-T Vector与表达载体pET-28a物理图谱；

图5为重组克隆质粒pMD18-T/argA物理图谱；

图6为重组表达质粒pET-28a/argA构建过程示意图；

图7为重组表达质粒pET-28a/argA物理图谱；

图8为精氨酸酶蛋白的SDS-PAGE图。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢的培养

菌株来源：首先从青海采集天然冬虫夏草，并将其带回杭州进行分离筛选，得到了L0106菌株，并经菌种鉴定该菌株为中国被毛孢(Hirsutella sinensis)，该菌种保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC No：M2011278，已在先前申请的专利CN102373190A中披露。

将该菌种接种于斜面，培养基配方(此为固化之前的液体配方，按下述比例配制好之后再制成斜面)为：葡萄糖2.0％(w/v，1％表示100mL培养基中含有1g，下同)、玉米粉1.0％、土豆汁0.5％、糊精0.5％、酵母粉0.5％、麸皮1.0％、蚕蛹粉2.0％、蛋白胨1.0％、硫酸镁0.05％、磷酸二氢钾0.05％、琼脂粉1.0％，余量为水；在12～16℃培养25天；然后将菌种接种于发酵培养基，培养基配方为葡萄糖1.0％、糖蜜1.0％、蚕蛹粉0.5％、黄豆饼粉1.0％、酵母膏0.5％、硫酸镁0.01％、磷酸二氢钾0.02％，余量为水；置于摇床上，温度12～16℃培养25天，培养结束后在无菌条件下，进行固液分离，并将固体置于无菌器具，备用。

实施例2：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢总RNA的提取

用TRIzol试剂提取总RNA，步骤具体为：

1)液氮研磨：取1g新鲜菌体放入研钵中，反复加入液氮充分研磨至粉末状，分装到预冷的1.5mL离心管中，加入1mL TRIzol试剂，混匀，冰上静置5min，使核酸蛋白复合物完全分离。

2)RNA分离：加入0.2mL氯仿，用力震荡混匀15s，冰上静置2～3min，4℃、12000rpm离心15min，分层，取上层水相，约600μL。

3)RNA沉淀：加入500μL异丙醇，在冰上静置10min，4℃、12000rpm离心10min，弃上清。

4)RNA洗涤：加入1mL75％(v/v)乙醇，将沉淀悬起，冰上静置10min，4℃、7500rpm离心15min；重复上面洗涤步骤，再洗一遍。

5)溶解RNA：将离心管置于冰上敞开干燥5～10min，加适量DEPC水溶解。

实施例3：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢RNA样品测序

提取样品总RNA后，用带有Oligo(dT)的磁珠富集mRNA。加入fragmentationbuffer将mRNA打断成短片段(200～700bp)，以mRNA为模板，用六碱基随机引物(randomhexamers)合成第一条cDNA链，然后合成第二条cDNA链，再经过QiaQuick PCR试剂盒纯化并加EB缓冲液洗脱之后做末端修复、加polyA并连接测序接头，然后用琼脂糖凝胶电泳进行片段大小选择，最后进行PCR扩增，建好的测序文库用Illumina GA IIx进行测序。测序得到的原始图像数据经base calling转化为序列数据，即raw data或raw reads。除去原始测序reads中只含adaptor序列的reads，备以后续分析。

实施例4：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢RNA短读序列组装

使用短reads组装软件SOAPdenovo(Li，Zhu et al.De novo assembly of humangenomes with massively parallel short read sequencing[J].Genome Res，2010，20:265-272.)做转录组从头组装。SOAPdenovo首先将具有一定长度overlap的reads连成更长的不含N的Contig片段。然后将reads比对回Contig，通过paired-end reads确定来自同一转录本的不同Contig以及这些Contig之间的距离，SOAPdenovo将这些Contig连在一起，中间未知序列用N表示，这样就得到Scaffold。进一步利用paired-end reads对Scaffold做补洞处理，最后得到含N最少，两端不能再延长的Unigene序列。最后，将Unigene序列与蛋白数据库nr、Swiss-Prot、KEGG和COG做blastx比对(evalue<0.00001)，取比对结果最好的蛋白确定Unigene的序列方向。如果不同库之间的比对结果有矛盾，则按nr、Swiss-Prot、KEGG和COG的优先级确定Unigene的序列方向，跟以上四个库皆对比不上的Unigene用软件ESTScan(Iseli，Jongeneel et al.ESTScan:a program for detecting，evaluating，andreconstructing potential coding regions in EST sequences[J].In Proceedingsof9th International Conference on Intelligent Systems for MolecularBiology.AAAIPress，Menlo Park，CA，pp.1999，138-148.)预测其编码区并确定序列的方向。对于能确定序列方向的Unigene给出其从5'到3'方向的序列，对于无法确定序列方向的Unigene给出组装软件得到的序列。

实施例5：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢Unigene功能注释

功能注释信息给出Unigene的蛋白功能注释、Pathway注释、COG功能注释和GeneOntology(GO)功能注释。首先，通过blastx将Unigene序列比对到蛋白数据库nr、Swiss-Prot、KEGG和COG(evalue<0.00001)，得到跟给定Unigene具有最高序列相似性的蛋白，从而得到该Unigene的蛋白功能注释信息。根据KEGG注释信息能进一步得到Unigene的Pathway注释。将Unigene和COG数据库进行比对，预测Unigene可能的功能并对其做功能分类统计。根据nr注释信息，使用Blast2GO软件(Conesa，Gotz et al.Blast2GO:a universal toolfor annotation，visualization and analysis in functional genomics research[J].Bioinformatics，2005，21(18):3674-3676.)得到Unigene的GO注释信息。得到每个Unigene的GO注释后，用WEGO软件(Ye，Fang et al.WEGO:a web tool for plotting GOannotations[J].Nucleic Acids Research，2006，34:293-297.)对所有Unigene做GO功能分类统计，从宏观上认识该物种的基因功能分布特征。

实施例6：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢尿素循环机制和过程的分析

图2是中国被毛孢尿素循环的机制和过程注释图，主要有5大步反应：(1)1分子氨和CO₂在氨甲酰磷酸合成酶的催化下生成氨甲酰磷酸，反应在线粒体基质进行，消耗2分子ATP；(2)在鸟氨酸转氨甲酰酶的作用下，氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上形成瓜氨酸，反应在线粒体基质中进行；(3)瓜氨酸由线粒体运至胞浆，精氨琥珀酸合成酶催化瓜氨酸和天冬氨酸缩合成精氨琥珀酸，反应在细胞质中进行，消耗1分子ATP中的两个高能磷酸键(生成AMP)；(4)精氨琥珀酸酶(裂解酶)将精氨琥珀酸裂解为精氨酸，释放出延胡索酸，反应在细胞质内进行；(5)精氨酸被精氨酸酶水解为尿素和鸟氨酸，鸟氨酸进入线粒体，可再次与氨甲酰磷酸合成瓜氨酸，重复述循环过程。从中国被毛孢转录组测序以及注释信息中检测到了精氨酸酶的Unigene。通过NCBI中的ORF Finder软件在线检测，找出了这个基因的开放阅读框(SEQ ID No.2)并得到了相应的蛋白质序列(SEQ ID No.1)。

实施例7：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢精氨酸酶基因引物设计

运用GENE RUNNER引物设计软件根据预测得到的各基因开放阅读框DNA序列设计引物，用于克隆“百令”生产菌中国被毛孢尿素循环机制的精氨酸酶基因，引物由上海桑尼生物科技有限公司合成，引物序列如下所列：

argA基因：正向引物5’AGAGAATTCATGATGGCCTTTCGCGGCTT3’

反向引物5’ATAGCGGCCGCTCACATGGACGTGAGCA3’

argA基因长度为807bp。

实施例8：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢cDNA第一链的制备

先按照实施例1提供的方法培养出中国被毛孢发酵菌丝体后，再按照实施例2所提供的方法对中国被毛孢进行总RNA的提取，得到总RNA后按下述进行“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢cDNA第一链的合成，用于后续各基因克隆实验。

采用PrimeScript1st Strand cDNA Synthesis Kit试剂盒(TaKaRa)从Total RNA中反转录合成cDNA第一链，实验步骤如下：

1)在Microtube管中配制下列混合液。

2)变性、退火操作有利于模板RNA的变性以及反转录引物和模板的特异性退火，可提高反转录反应效率，所以在PCR仪上进行变性、退火反应，条件设置如下：

65℃，5min

3)退火结束后离心数秒钟使模板RNA/引物等的混合液聚集于Microtube管底部。

4)在上述Microtube管中配制下列反转录反应液。

5)在PCR仪上按下列条件进行反转录反应。

42℃ 15～30min

70℃ 15min

一般情况，在真核生物mRNA3’末端都有一个PolyA结构，A碱基的数量在十至几百个不等，利用这一结构可以利用Oligo(dT)引物，在反转录酶的作用下，以mRNA为模板合成cDNA第一链，本发明采用由TaKaRa独自开发的dT区域的序列(PrimeScript1st StrandcDNA Synthesis Kit中提供)为引物，如果获得的mRNA完整性较好，那么通过逆转录过程可以得到物种中所有酶蛋白编码基因的cDNA第一链。实施例9：“百令”生产菌冬虫夏草中国被毛孢尿素循环机制精氨酸酶基因的克隆、表达以及蛋白活力的检测

1、精氨酸酶基因的PCR扩增

以实施例8中得到的cDNA第一链为模板，用实施例7中合成的精氨酸酶基因引物：5’AGAGAATTCATGATGGCCTTTCGCGGCTT3’和5’ATAGCGGCCGCTCACATGGACGTGAGCA3’进行PfuDNA聚合酶PCR扩增反应，条件设置如下：

Pfu PCR扩增反应体系：

Pfu DNA Ploymerase PCR扩增条件：

2、精氨酸酶基因PCR产物凝胶电泳检测

具体检测方法为：

1)将配制好的0.9％的琼脂糖凝胶用微波炉加热使其溶解均匀；

2)取15mL琼脂糖凝胶，待琼脂糖凝胶冷却至50℃左右时，加入1μL染色液Goldview，混合均匀后倒入电泳琼脂糖凝胶板上，除去气泡后插入点样梳；

3)琼脂糖凝胶板上凝胶凝固后，小心取出点样梳，将琼脂糖凝胶板放入电泳槽中(点样孔一端靠近电泳槽的负极)，在电泳槽中加入TAE电泳缓冲液；

4)取5μL样品然后加入6×Loading Buffer1.5μL和ddH₂O4μL混合后用移液枪上样，上样量为10μL；

5)连接电泳槽与电泳仪之间的电源线，正极为红色，负极为黑色；

6)开启电源，开始电泳，最高电压不超过5V/cm；

7)当样品跑过琼脂糖凝胶板的2/3时可终止电泳；

8)切断电源后，将琼脂糖凝胶板上凝胶取出放入凝胶成像仪中观察、拍照。

转录组测序预测精氨酸酶基因的大小为807bp，琼脂糖凝胶电泳结果表明已成功扩增出了精氨酸酶基因，大小约为800bp。图3为“百令”生产菌中国被毛孢尿精氨酸酶功能基因PCR产物凝胶电泳图。

3、精氨酸酶基因PCR产物的加碱基A处理以及纯化

由于Pfu DNA聚合酶PCR产物末端为平端，所以在胶回收后还需进行加碱基A处理、纯化后才可用于T载体连接。胶回收产物加碱基A体系如下：

PCR仪中72℃加A碱基20min，最后用AxyPrep PCR清洁试剂盒纯化。

4、精氨酸酶基因与克隆载体的连接

克隆载体pMD18-T Vector购自TaKaRa公司(TaKaRa code D101A)，其物理图谱见图4，将步骤3纯化后的精氨酸酶基因与克隆载体连接构建重组质粒pMD18-T/argA，物理图谱见图5，连接体系和连接条件如下。

连接体系：

连接条件：16℃，16h；灭活：65℃，15min。

5、精氨酸酶重组质粒pMD18-T/argA的转化

将重组质粒pMD18-T/argA转入大肠杆菌E.coli JM109中，构建携带精氨酸酶基因的重组菌E.coli JM109/pMD18-T/argA，具体步骤为：1)将10μL反应体系(即步骤4的连接产物)转至感受态细胞E.coli JM109中，冰浴30min；2)热击：42℃，90s；3)冰浴：2-3min；4)加入800μL的LB液体培养基，37℃，250rpm，1h；5)涂布LB平板(含Amp抗性，终浓度50μg/ml)；6)37℃培养箱培养过夜。

LB液体培养基组成：胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，氯化钠5g/L，溶剂为水，pH自然；LB平板为LB液体培养基+终浓度15g/L琼脂。

6、精氨酸酶E.coli JM109/pMD18-T/argA阳性重组菌的筛选

菌落PCR可不必提取基因组DNA，而直接以菌体热解后暴露的DNA为模板进行PCR扩增，该方法操作简便、快捷、可以快速鉴定菌落是否为含有目的质粒的阳性菌落，在转化鉴定中较为常见。实验中，将接种到液体培养基中对应的单菌落进行菌落PCR，以验证是否转入目的基因。首先，用牙签挑取单菌落加入含50μL无菌水的1.5mL离心管中，沸水浴30min，然后离心以上清作为模板，进行PCR扩增，PCR程序设定为Taq酶扩增一般程序。最后采用0.9％的琼脂糖凝胶电泳检测菌落PCR产物。

7、精氨酸酶重组质粒pMD18-T/argA的测序

对菌落PCR检测出的阳性重组菌用LB液体培养基，37℃、150rpm培养过夜后，取4mL菌液提取质粒，方法按AxyPrep质粒DNA小量试剂盒提供的操作说明。测序由上海桑尼生物科技有限公司完成。经测序验证，序列SEQ ID No.2已重组至pMD18-T/argA中。

8、精氨酸酶重组表达质粒pET-28a/argA的构建

实验根据外源基因在大肠杆菌中表达的原则，以及表达载体pET-28a和精氨酸酶基因酶切位点比对情况，确定了argA用EcoR Ⅰ/NotⅠ双酶切位点，并对重组大肠杆菌E.coliJM109/pMD18-T/argA进行液体LB试管摇床培养、重组质粒提取。

精氨酸酶基因的重组质粒pMD18-T/argA及表达载体pET-28a分别用EcoR Ⅰ/NotⅠ限制性内切酶在37℃分别酶切处理6h，酶切体系如下所示：

EcoR Ⅰ/NotⅠ双酶切体系：

酶切结束后65℃灭活15min，然后分别用Axygen DNA凝胶回收试剂盒进行回收、纯化。

精氨酸酶基因及表达载体pET-28a经双酶切、纯化后，再用T4连接酶16℃连接过夜，构建重组表达质粒pET-28a/argA，其构建过程见图6，构建得到的重组表达质粒pET-28a/argA图谱见图7。连接体系组成如下：

连接体系：

9、精氨酸酶重组表达质粒的转化以及阳性单克隆的筛选

将构建好的表达质粒热激转化至E.coli BL21(DE3)宿主菌中，然后涂布到含有卡那霉素(Kan)抗性(终浓度50μg/ml)的LB平板上，37℃培养过夜。从平板上随机挑选单菌落，以步骤7中合成的精氨酸酶基因引物进行PCR扩增，挑选阳性克隆。

10、精氨酸酶重组菌的诱导表达

将鉴定为阳性的单克隆接种于5mL含有Kan抗性(终浓度50μg/ml)的LB液体培养基中，37℃、250r/min培养过夜。取1mL培养物，将其转接于50mL含有Kan抗性(终浓度50μg/ml)的LB液体培养基中37℃、250r/min培养至菌体浓度OD600约为0.6～0.8左右。向培养物中分别加入一定浓度(终浓度0.05mmol/L)的IPTG诱导培养8h。收集菌体供电泳分析以及酶活检测。

11、精氨酸酶重组菌表达产物SDS-PAGE分析

以转入空载体的E.coli BL21(DE3)菌及未加入诱导剂IPTG的重组菌作为对照。鉴定为阳性的重组菌经IPTG诱导培养7h后，取0.5mL诱导培养物，离心收集菌体，重悬于50μL蒸馏水中，加入50μL上样缓冲液，混匀后煮沸10min，进行SDS-PAGE电泳分析，图8中的“A”泳道为大肠杆菌BL21空细胞的SDS-PAGE图，“B”泳道为重组菌E.coli BL21(DE3)/pET-28a加IPTG诱导后的SDS-PAGE图，“C”泳道为重组菌E.coli BL21(DE3)/pET-28a/argA未加IPTG的对照SDS-PAGE图，“D”泳道即为重组菌E.coli BL21(DE3)/pET-28a/argA诱导表达的SDS-PAGE图。表明重组菌E.coli BL21(DE3)/pET-28a/argA含精氨酸酶(经测序验证其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示)。

12、精氨酸酶重组菌的蛋白活力检测

(1)精氨酸酶的蛋白活力检测

①质量浓度0.2％二乙酰一肟溶液：称取0.2g二乙酰一肟[CH₃COC:(NOH)CH₃]溶于10％(v/v)乙酸水溶液中，并用10％(v/v)乙酸水溶液稀释至100ml，保存于棕色瓶备用。

②质量浓度0.2％安替比林溶液：称取0.2g安替经林(1，5-二甲基-2-苯-3-吡唑酮C₆H₅NN(CH₃)C(CH₃):CHC:O)，溶于1+1硫酸(即1体积浓硫酸+1体积水混合)中并用混酸(即1+1硫酸)稀释至100ml，棕色瓶中保存。(注：硫酸浓度大于1+1时，显色缓慢且操作不便。)

③尿素标准溶液：准确称取0.1000g尿素于小烧杯中，加少量纯水溶解后转入1000ml容量瓶中，加0.1ml氯仿并用纯水定容，此液每ml含0.1mg尿素，冷藏保存。

④尿素标准曲线的制备：尿素标准使用溶液，准确吸取尿素标准溶液10.00ml于100ml容量瓶中，用纯水定容，此液每ml含0.01mg尿素。标准曲线按表1制作，标准曲线方程为：y＝1.4691x+0.0159，R²＝0.9964，其中y为460nm下的吸光值，x为标准品的浓度。

表1 尿素标准曲线

酶液制备：称取步骤10收集的重组菌E.coli BL21(DE3)/pET-28a/argA湿菌体2g，用磷酸盐缓冲液(50mM、pH8.0)100mL悬浮，高压破碎仪(型号FS-600，上海生析超声仪器有限公司)在功率40％、破1s停1s条件下破碎3次(35Kpa)，每次5min，离心除去菌体，取上清液即得到粗酶液82ml。

精氨酸酶转化体系：在50mL转化瓶中加入10mL精氨酸酶粗酶液、10mL磷酸缓冲液(0.05mol/L，pH7.0)和10mL0.1M的L-精氨酸水溶液。37℃水浴反应1h后，12000r/min离心5min，终止反应。

测定上清液中尿素的量，尿素与二乙酰一肟及安替比林反应呈现黄色，在波长460nm处有最大吸收峰。具体方法是取25mL转化体系离心后的上清液，加1.0ml0.2％二乙酰—肟溶液，混均。再加0.2％安替比林溶液2.0ml，混匀，沸水浴50min，冷却后在460nm处测定溶液吸光值。

一个酶活性单位(U)定义为精氨酸酶每分钟分解L-精氨酸产生1μg尿素的酶量。

检测精氨酸酶酶活的空白对照为煮沸20min后失活的粗酶液替代酶液。另外，同样条件下也检测了E.coli BL21(DE3)和E.coli BL21(DE3)/pET-28a诱导后的粗酶液的活力，均未检测到精氨酸酶酶活。

利用考马斯亮蓝法测得精氨酸酶粗酶液中的蛋白含量为0.187mg/mL，通过Bandscan软件，对SDS-PAGE中的粗酶液条带含量进行分析，精氨酸酶占总蛋白的11.8％，故参与催化反应的精氨酸酶为0.187mg/mL×10mL×0.118＝0.2207mg。经过酶活力检测和计算，精氨酸酶的最大酶活为：81.7μg/mL×30mL÷60min＝40.85U，故最大比酶活为：40.85U÷0.2207mg＝185.1U/mg。因此，精氨酸酶重组菌所表达的精氨酸酶的最大比酶活为185.1U/mg，上述反应的转化率为1.4％。比酶活计算公式为：比酶活＝酶活/酶的蛋白总量。转化率计算公式为：转化率＝(初始浓度-平衡浓度)/初始浓度。

Claims

1.一种来自冬虫夏草中国被毛孢的精氨酸酶，其特征在于所述精氨酸酶的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。

2.如权利要求1所述的精氨酸酶在生物催化L-精氨酸生成尿素中的应用。

3.如权利要求2所述的应用，其特征在于所述的应用为：将含精氨酸酶基因的重组工程菌经诱导培养后的湿菌体用pH8.0磷酸盐缓冲液悬浮，超声破碎，取破碎混合液离心，取上清液为催化剂，以0.1M的L精氨酸水溶液为底物，于pH值为7.0的磷酸盐缓冲液中，37℃下反应，反应结束后，将反应液离心，取上清液，获得含尿素的混合液。

4.如权利要求3所述的应用，其特征在于：所述底物的初始浓度为0.033M，所述催化剂的用量以超声破碎前湿菌体的质量计，终浓度为8.1g/L。

5.一种权利要求1所述精氨酸酶的编码基因。

6.如权利要求5所述的编码基因，其特征在于所述编码基因的核苷酸序列如SEQ IDNo.2所示。

7.如权利要求5或6所述的编码基因在构建能够生物催化精氨酸生成尿素的基因工程菌中的应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于所述的应用为：构建含有所述精氨酸酶的编码基因的重组载体，将所述重组载体转化至大肠杆菌中，获得的重组基因工程菌进行诱导培养，培养液分离纯化获得含有精氨酸酶基因的菌体细胞。