苏氨酸醛缩酶、其编码基因和在屈昔多巴生物合成中的应用

摘要

本发明涉及L‑苏氨酸醛缩酶及其编码基因与应用，属于生物技术领域。所述L‑苏氨酸醛缩酶，为SEQ ID NO.1所示的蛋白，或将SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加所获得的功能相同的蛋白。所述L‑苏氨酸醛缩酶能够以3‑/4‑位羟基取代的苯甲醛为底物，以5‑磷酸吡哆醛为辅酶，以甘氨酸为辅底物，在适当的条件和介质内进行酶催化反应，生物合成屈昔多巴(L‑threo‑DOPS)，该方法的非对映选择性能达到30％。本发明具有较高选择性的L‑苏氨酸醛缩酶对于屈昔多巴生物催化具有重要的意义。

权利要求

1.一种L‑苏氨酸醛缩酶，其氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。

2.权利要求1所述的L‑苏氨酸醛缩酶的编码基因。

3.根据权利要求2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 ID NO.2所示。

4.含有权利要求2或3所述编码基因的重组载体、表达盒或重组菌。

5.权利要求1所述的L‑苏氨酸醛缩酶在催化反应中的应用。

6.一种催化剂，其特征在于：包括权利要求1所述的L‑苏氨酸醛缩酶。

7.一种实现底物的选择性醛缩反应的方法，其特征在于：使用权利要求1所述的L‑苏氨酸醛缩酶或权利要求6所述的催化剂对底物进行催化反应。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述催化反应以3,4‑二羟基苯甲醛为底物，以5‑磷酸吡哆醛为辅酶，以甘氨酸为辅底物，合成屈昔多巴。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：L‑苏氨酸醛缩酶的用量为100‑2000mg/mL，

3,4‑二羟基苯甲醛的浓度为1‑100g/L，甘氨酸的浓度为5‑100g/L，5‑磷酸吡哆醛的浓度为

0.01‑0.2g/L。

10.根据权利要求7‑9任一所述的方法，其特征在于：所述催化反应控制温度为5‑42℃，搅拌速度为70‑300rpm。

说明书

苏氨酸醛缩酶、其编码基因和在屈昔多巴生物合成中的应用

技术领域

[0001] 本发明涉及生物技术领域，特别涉及L‑苏氨酸醛缩酶、其编码基因和在屈昔多巴生物合成中的应用。

背景技术

[0002] 屈昔多巴(L‑threo‑DOPS)是一种新的抗帕金森氏病药物。用于改善由帕金森病引起的步态僵直和直立性头晕；改善由Shy‑Drager综合征或家族性淀粉样神经病所致的直立
性低血压、直立性头晕和昏厥；改善血液透析患者由于直立性低血压引发的头晕和乏力。

[0003] 目前，屈昔多巴的合成方法主要包括化学合成和酶催化法。其中，化学合成法主要是通过加成反应，酯化反应和化学拆分来得到手性的屈昔多巴，虽然化学法操作简单，但是
反应过程中用到了大量的水，重金属和剧毒的硫化氢，并且有大量的光学异构体作为副产
物，不符合目前和将来国家提倡和推进的原子经济学和环境保护政策。而酶催化法具有条
件温和，用水量少(仅为化学法的十分之一)，没有重金属污染，不使用剧毒化学品，手性选
择高等诸多优点，具有很好的应用前景。

[0004] 苏氨酸醛缩酶(Threonine Aldolase，TA)有着十分广泛的应用潜力，它可以催化合成手性的医药关键中间体β‑羟基‑α‑氨基酸。根据苏氨酸醛缩酶对苏氨酸底物α碳上的立
体专一性可将该酶分为L型和D型两类。但是由于苏氨酸醛缩酶的稳定性不好，手性选择性
特别是β‑羟基的手性选择性不足，限制了此酶在手性合成中的应用。因此非常有必要挖掘
具有高选择性的苏氨酸醛缩酶用于屈昔多巴的合成。

发明内容

[0005] 本发明利用宏基因组测序技术从四川黑熊保护及孵育基地的健康黑熊的粪便样品中分离出一种新的L‑苏氨酸醛缩酶基因，命名为L‑TA Sz‑1‑2基因，其核苷酸序列如序列
表中序列2所示，自5’末端第1位到第1032位为开放阅读框，长1032bp，其编码的L‑TA Sz‑1‑
2蛋白的氨基酸如序列1所示，由343个氨基酸序列组成。

[0006] 本发明的L‑苏氨酸醛缩酶属于生物催化剂，能够以3‑/4‑位羟基取代的苯甲醛为底物，以5‑磷酸吡哆醛为辅酶，以甘氨酸为辅底物，在适当的条件和介质内进行酶催化反
应，用于生物合成屈昔多巴(L‑threo‑DOPS)，该方法的非对映选择性能达到30％。由于目前
屈昔多巴主要采用环境不友好，条件严苛的化学合成，酶催化由于较低的de值尚未实现工
业化生产，所以本发明的L‑苏氨酸醛缩酶对于屈昔多巴生物催化具有重要的意义。

[0007] 一方面，本发明提供一种L‑苏氨酸醛缩酶，为如下a1或a2所示：

[0008] a1.SEQ ID NO.1所示的蛋白；

[0009] a2.将SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加所获得的功能相同的蛋白。

[0010] 本发明还提供所述L‑苏氨酸醛缩酶的编码基因。优选，所述编码基因为如下b1‑b3中的任一种：

[0011] b1.SEQ ID NO.2所示的DNA分子；

[0012] b2.在严格条件下与b1限定的DNA分子杂交且编码所述L‑苏氨酸醛缩酶的DNA分子；

[0013] b3.与b1或b2限定的DNA分子具有90％以上的同一性且编码所述L‑苏氨酸醛缩酶的DNA分子。

[0014] 含有所述编码基因的重组载体、表达盒或重组细胞也属于本发明的保护范围。所述载体，可以是克隆载体，包含L‑TA Sz‑1‑2基因和质粒复制所需的其它元件；也可以是表
达载体，包含L‑TA Sz‑1‑2基因和能够使蛋白成功表达的其它元件。重组细胞是指转基因细
胞系或重组菌，可以是包含克隆载体的重组细胞，例如E.coli DH5α；也可以是包含表达载
体的重组细胞，例如E.coli BL21。在适当的条件下培养重组细胞，可诱导L‑TA Sz‑1‑2的表
达。

[0015] 所述L‑苏氨酸醛缩酶在催化反应中的应用也属于本发明的保护范围。

[0016] 本发明还提供一种催化剂，所述催化剂包括所述L‑苏氨酸醛缩酶。所述催化剂可以与其它适合的催化剂同时使用，从而提高酶催化效率或者在同一反应体系中先后进行两
种催化反应。

[0017] 另一方面，本发明提供一种实现底物的选择性醛缩反应的方法，使用所述L‑苏氨酸醛缩酶或所述催化剂对底物进行催化反应。

[0018] 优选，所述催化反应以3,4‑二羟基苯甲醛为底物，以5‑磷酸吡哆醛为辅酶，以甘氨酸为辅底物，合成屈昔多巴。

[0019] 优选，L‑苏氨酸醛缩酶的用量为100‑2000mg/mL，3,4‑二羟基苯甲醛的浓度为1‑100g/L，甘氨酸的浓度为5‑100g/L，5‑磷酸吡哆醛的浓度为0.01‑0.2g/L。

[0020] 优选，所述催化反应控制温度为5‑42℃，搅拌速度为70‑300rpm。

附图说明

[0021] 图1是L‑苏氨酸醛缩酶选择性合成屈昔多巴的示意图。

[0022] 图2是分离的L‑TA Sz‑1‑2基因的琼脂糖凝胶电泳图。

[0023] 图3是L‑TA Sz‑1‑2蛋白的SDS‑PAGE电泳图，其中泳道1为14kDa‑120kDa的Marker，泳道2为L‑TA Sz‑1‑2蛋白。

[0024] 图4是L‑TA Sz‑1‑2与现有的大肠杆菌L‑苏氨酸醛缩酶的序列比对结果。

[0025] 图5是合成屈昔多巴的HPLC图谱，其中峰1为L‑erythro‑DOPS，峰2为L‑threo‑DOPS(屈昔多巴)。

[0026] 图6显示了pH对L‑TA Sz‑1‑2酶促反应de值的影响。

[0027] 图7显示了温度对L‑TA Sz‑1‑2酶促反应de值的影响。

具体实施方式

[0028] 下面结合具体实施例进一步描述本发明，需要声明的是，下述实施例仅作为解释和说明，不以任何方式限制本发明的范围。

[0029] 生物材料：

[0030] E.coli DH5α感受态细胞，购买自天根生化科技(北京)有限公司，货号：CB101；

[0031] E.coli BL21感受态细胞，购买自天根生化科技(北京)有限公司，货号：CB105。

[0032] 实验试剂：

[0033] 粪便DNA基因组提取试剂盒，购买自德国Qiagen公司，货号：51604；

[0034] Prime STAR HS DNA Polymerase，购买自TaKaRa公司，货号：DR010A；

[0035] 琼脂糖凝胶回收试剂盒，购买自Omega，货号：D2500‑01；

[0036] 载体pGEX‑6p‑2，购买自优宝公司：货号VT1259；

[0037] 质粒提取试剂盒OMEGA Plasmid Mini Kit I，购买自OMEGA公司，货号：D6943；

[0038] 限制性内切酶BamHI，购买自大连宝生物科技有限公司，货号：1010S；

[0039] 限制性内切酶XhoI，购买自大连宝生物科技有限公司，货号：1094S；

[0040] T4DNA Ligase，购买自大连宝生物科技有限公司，货号：D2011A；10×T4Ligase buffer，购买自大连宝生物科技有限公司；

[0041] Lysis buffer(裂解缓冲液)：配制而得，10mM pH 7.3的PBS含有PMSF 0.1mM、亮肽素Leupeptin 0.5mg/mL；

[0042] Glutathione Sepharose 4B，购买自GE Healthcare，货号：10223836；

[0043] PreScission Protease，购买自GenScript公司，货号：Z02799‑100；

[0044] BCA试剂盒，购买自Beyotime公司，货号：P0006；

[0045] L‑threo‑DOPS，购买自百灵威科技公司，货号：D4235；

[0046] 甘氨酸，购买自生工生物工程(上海)股份有限公司，货号：A502065；

[0047] 3,4‑二羟基苯甲醛，购自生工生物工程(上海)股份有限公司，货号：A601406；

[0048] PLP，购买自生工生物工程(上海)股份有限公司，货号：A610455；

[0049] EB，购买自百灵威科技公司，货号：242101；

[0050] DNA提取所使用的黑熊粪便，本实验室冻存。

[0051] 以下实施例中未特别说明的生物化学试剂，均为本领域常规试剂，可根据本领域常规方法配制而得或商购获得，均为化学分析纯和生物纯即可。

[0052] 实施例1、L‑TA Sz‑1‑2基因的发现

[0053] 使用灭菌处理的药匙，采取了四川黑熊保护及孵育基地的健康黑熊的粪便样品，并干冰保存运回实验室。使用Qiagen粪便DNA基因组提取试剂盒提取了黑熊粪便的总DNA，
交由上海美吉生物医药科技有限公司进行宏基因组测序。用现有的大肠杆菌L‑苏氨酸醛缩
酶(E.coli.L‑TA)编码基因序列(Genbank登录号为：AOM47009.1)与宏基因组测序数据进行
对比，发现了一种新的L‑苏氨酸醛缩酶基因，命名为L‑TA Sz‑1‑2，其核苷酸序列如序列2所
示。序列2自5’末端第1位到第1032位为开放阅读框，开放阅读框部分为1032bp，其编码的L‑
TA Sz‑1‑2蛋白的氨基酸如序列1所示，由343个氨基酸组成。序列比对结果表明，这种新的
L‑TA Sz‑1‑2基因与现有的大肠杆菌L‑苏氨酸醛缩酶基因序列的一致性为69.86％(图4)。

[0054] 实施例2、L‑TA Sz‑1‑2基因的克隆

[0055] 1)引物设计：对测序获得的L‑TA Sz‑1‑2基因序列设计引物，引物核苷酸序列如下：

[0056] Sz‑1‑2‑BamHI‑F：5′‑CGCGGATCCATGTATAGTTTTAAAAATGATTATA‑3′(序列表中序列3)，

[0057] Sz‑1‑2‑XhoI‑R：5′‑CCGCTCGAGTTATTGTACTTCATCTAATAGCAT‑3′(序列表中序列4)。

[0058] 2)PCR扩增：以黑熊粪便的总DNA为模板，采用步骤1)获得的引物，按照下列PCR体系和程序进行扩增。

[0059] PCR体系：模板DNA是0.5μL，Sz‑1‑2‑BamHI‑F(10μM)是2μL，Sz‑1‑2‑XhoI‑R(10μM)是2μL，0.1％BSA是3μL，Prime STAR HS DNA Polymerase是25μL，补ddH2O至PCR体系为50μ
L。

[0060] PCR程序如下：

[0061] a.94℃预变性5min；

[0062] b.98℃变性10sec，48℃退火10sec，72℃延伸10sec，40个循环；

[0063] c.72℃延伸10min。

[0064] 3)琼脂糖凝胶电泳：使用1.2％琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物，结果如图2所示，出现大小约为1000bp的条带。

[0065] 4)切胶回收：在紫外灯下切取目的条带，使用Omega琼脂糖凝胶回收试剂盒，按照试剂盒说明书中的操作步骤回收目的基因片段。

[0066] 5)双酶切L‑TA Sz‑1‑2基因：以BamHI和XhoI(均购买自大连宝生物科技有限公司)为限制性内切酶，双酶切步骤4)切胶回收的L‑TA Sz‑1‑2基因片段。

[0067] 双酶切体系包括：L‑TA Sz‑1‑2基因是35μL，BamHI是3μL，XhoI是3μL，10×K buffer是6μL，补无菌双蒸水至体系为60μL。37℃酶切3小时。

[0068] 6)回收双酶切产物：使用Omega回收试剂盒，按照试剂盒说明书中的操作步骤回收双酶切目的基因片段。

[0069] 实施例3、L‑TA Sz‑1‑2基因的表达、提取与纯化

[0070] 1.构建连接载体：将L‑TA Sz‑1‑2基因的序列全长连接在载体pGEX‑6p‑2上。

[0071] 连接体系包括：双酶切L‑TA Sz‑1‑2基因是6μL，T4DNA Ligase是1μL，载体pGEX‑6p‑2是2μL，10×T4Ligase buffer是1μL，体系为10μL，16℃连接12h。

[0072] 2.转化E.coli DH5α感受态细胞，步骤如下：

[0073] 1)感受态细胞E.coli DH5α放置冰上融化。

[0074] 2)将步骤1所得的连接体系加入融化的E.coli DH5α感受态中，冰上30min。

[0075] 3)42℃热处理90s。

[0076] 4)冰上静置2min。

[0077] 5)加入无抗LB培养基600μL，摇床温度37℃，摇床摇速150rpm，时间45min。

[0078] 6)吸取200μL菌液，涂布于氨苄青霉素(Amp+)抗性LB平板培养基上。

[0079] 7)37℃过夜培养。

[0080] 3.阳性克隆鉴定，步骤如下：

[0081] 1)挑选单菌落，接种于LB/Amp+的液体培养基中，180rpm、37℃培养12小时，14000rpm离心4min获取菌体。

[0082] 2)使用OMEGA Plasmid Mini Kit I质粒提取试剂盒，按照说明书中的操作步骤提取质粒。

[0083] 3)使用克隆引物Sz‑1‑2‑BamHI‑F和Sz‑1‑2‑XhoI‑R按照实施例2中的PCR体系和程序进行PCR验证，确定基因片段成功插入pGEX‑6p‑2载体中。

[0084] 4)将鉴定正确的重组质粒送上海生工公司测序，将测序结果比对正确的重组质粒pGEX‑6p‑2/L‑TA Sz‑1‑2作为基因表达载体。

[0085] 4.L‑TA Sz‑1‑2的表达

[0086] 1)质粒转化E.coli BL21细胞

[0087] a.‑80℃中取出E.coliBL21感受态细胞冰上放置10min。

[0088] b.加入2μL表达载体pGEX‑6p‑2/L‑TA Sz‑1‑2，冰上放置30min。

[0089] c.42℃热处理90sec。

[0090] d.冰上放置2min。

[0091] e.复苏，加入600μL LB培养基，于37℃，150rpm摇床培养45min。

[0092] f.吸取200μL菌液，涂布于Amp+LB平板培养基上。

[0093] g.37℃培养过夜，即得到重组细胞。

[0094] 2)重组细胞表达与纯化

[0095] a.将重组细胞接种入无菌LB液体培养基中，氨苄青霉素终浓度为50μg/mL，37℃，180rpm摇床培养。

[0096] b.待菌液OD600≈0.8时，加入终浓度为0.5mM的异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)，16℃诱导12h。8000rpm，5min收集菌体。

[0097] c.按1L培养体系加30mL Lysis buffer的比例重悬菌体，超声破菌至澄清。12000rpm离心20min。取上清。

[0098] d.将上清与Glutathione Sepharose 4B结合，填料使用的比例为每升培养体系使用5mL填料，4℃结合2h。轻轻垂直颠倒混悬。

[0099] e.结合完毕后，5000rpm，5min沉淀填料。填料用4℃预冷PBS冲洗3‑5个柱体积，去除杂蛋白。

[0100] f.加入PreScission Protease酶切缓冲液。

[0101] g.4℃酶切过夜。酶切完毕后，将上清从层析柱中放出。

[0102] h.将所得样品进行SDS‑PAGE，鉴定其分子量大小及纯度，分子量约为38.7KD，使用BCA试剂盒按照试剂盒说明书的操作步骤测定纯化蛋白的浓度。

[0103] 结果如图3所示，获得的L‑TA Sz‑1‑2酶蛋白纯度很高，呈单一条带。图3中泳道1为14kDa‑120kDa的蛋白分子标记，泳道2为L‑TA Sz‑1‑2。

[0104] 实施例4、L‑TA Sz‑1‑2最适pH值测定

[0105] 配置不同pH梯度的pH缓冲液：pH 6.0‑8.0：50mM磷酸钠缓冲液；pH 8.0‑9.0：50mMTris‑HCl；pH 9.0‑11：50mM甘氨酸‑NaOH，每个梯度间隔0.5个pH值。测定L‑苏氨酸醛缩
酶在pH 6.0‑11.0范围合成屈昔多巴，选择性最高的最佳pH。

[0106] 测定de值(Diastereoisomeric excess，非对映体过量百分率)：[(L‑threo‑DOPS–L‑erythro‑DOPS)/(L‑threo‑DOPS+L‑erythro‑DOPS)]*100％

[0107] 以3,4‑二羟基苯甲醛为底物，以5‑磷酸吡哆醛为辅酶，以甘氨酸为辅底物，使用实施例3获得的L‑苏氨酸醛缩酶进行催化反应，控制温度为5‑42℃，搅拌速度为70‑300rpm，合
成屈昔多巴。催化反应体系中，L‑苏氨酸醛缩酶的用量为100‑2000mg/mL，3,4‑二羟基苯甲
醛的浓度为1‑100g/L，甘氨酸的浓度为5‑100g/L，5‑磷酸吡哆醛的浓度为0.01‑0.2g/L。利
用HPLC检测屈昔多巴和它的非对映异构体，HPLC参数设置为：波长280nm，柱温30℃，甲醇：
0.1％(W/V)磺酸庚烷缓冲盐＝90：10，流速1mL/min。通过峰面积计算其非对映选择性。

[0108] 结果如图6所示，本发明的L‑TA Sz‑1‑2的最适pH落在比较宽泛的区域内，在pH6.0‑11均有较高非对映选择性，均具有28％‑32％范围的非对映选择性(de值)，表明本发
明的L‑TASz‑1‑2具有较宽的pH适应性。

[0109] 实施例5、L‑TA Sz‑1‑2最适温度测定

[0110] 将酶反应样品在5‑42℃摇床中200rpm反应2h，按照实施例4测定de值的方法检测与计算de值。每个样品进行不少于3次的重复实验，结果取平均值。

[0111] 结果如图7所示，37℃时达到最高的非对映选择性，为29.66％，并且37℃时相同反应条件下产量较其他温度高，所以在其他条件相同情况下，选择该温度作为酶促反应最优
温度。该温和的温度使本发明的苏氨酸醛缩酶更适于工业应用。