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高等生物只存在I型脂肪酸合成代谢(Type I fatty acid biosynthesis,FAS I)途径,而Ⅱ型脂肪酸合成代谢(Type Ⅱ fatty acid biosynthesis,FAS Ⅱ)途径是一种广泛存在于植物、细菌和多种项复门原虫等的特殊代谢途径。FASⅡ途径的相关酶是由各自基因所编码的7种独立单功能酶,显著区别于FAS I途径中由一个基因所编码被融合成1个多功能的多酶复合体,是研发新型抗菌药、抗真菌药和抗项复门原虫药物的良好靶标。
本研究利用当代生物信息学和比较基因组学技术注释得到与柔嫩艾美耳球虫(Eimeria tenella)Ⅱ型脂肪酸合成代谢途径的关键酶:丙二酰单酰辅酶A:ACP转酰基酶(Malonyl-CoA:ACP transacylase,MCAT)基因序列相关的两个重叠群(Contig)(Contig00009244和Contig00014823)。对这两个Contigs进行注释拼接得到预测的序列,以预测的序列设计特异性引物,以E.tenella总RNA为模板,用RT-PCR方法成功扩增出长855bp的Etmcat基因部分序列片段;在此基础之上,用RACE技术扩增获得Etmcat基因1858bp的全长cDNA序列片段;以全长cDNA序列设计特异性引物,以E.tenella基因组DNA为模板,用PCR方法成功扩增出Etmcat基因2553bp的全长gDNA序列片段。生物信息学分析结果显示,Etmcat基因有4个大的内含子,长为1143bp的ORF编码一个包括5端引导信号(信号肽和转导肽)长为380个氨基酸的多肽片段,与其它物种MCAT的同源性在17-39%之间,具有保守的活性位点(S160)和两个保守的Motif(丙二酰单酰辅酶A结合位点“GXSXG",holo-ACP结合位点“GQGXQ");预测的三级结构显示,与其它物种的MCAT具有相同的活性催化中心。
利用整合自杀质粒介导的同源重组方法将大肠杆菌(Escherichia coli)mcat温度敏感突变株(E.coli fabD89)的Ecmcat基因功能性置换为去除信号肽和转导肽的Etmcat,成功构建了一个带有EtMCAT的E.coli重组菌,此重组菌在E.colifabD89的非适应温度下(39℃)能够恢复生长,初步证实EtMCAT与EcMCAT具有相同的功能。
选择不同的原核表达载体(pET-32a(+)、pMAL-c2x和pProExHTa),利用E.coli Rosseta(DE3)重组表达EtMCAT的不同序列片段(EtMCAT1:完整ORF;EtMCAT2:无信号肽的片段;EtMCAT3:无信号肽和转导肽的功能片段),优化表达策略,结果显示仅有EtMCAT3能够得到重组表达:温度对pMAL-c2x和pET-32a(+)载体的表达量有显著的影响,随着温度的降低,表达量明显增加;此外低温诱导能够明显提高这两种载体所表达目的蛋白的可溶性。但低温培养对pProExHTa载体的表达量无明显改善,而且在各种条件下仅能以包涵体形式存在。采用α酮戊二酸脱氢酶(a-Ketoglutarie acid deydrogenase,KDH)偶联反应系统测定重组蛋白的酶活性,并进行动力学和抑制动力学分析,不同表达载体表达的可溶性蛋白的酶比活力相近(pMAL-c2x:74.054±6.96;pET-32a(+):73.65±4.86),但包涵体形式的重组蛋白复性后活性急剧下降或无活性。同时测定温度对酶活性的影响,结果显示重组表达的EtMCAT(rEtMCAT)在37℃时酶活性最高,其次为28℃,在42℃时最低,仅约为37℃时的42%。以pET-32a(+)表达的重组蛋白进行酶动力学、酶抑制动力学分析,结果显示,rEtMCAT对Malonyl-CoA的Km=22.8±4.04uM,对holo-ACP的Km=20.7±4.62 uM,Vmax=549.76±6.96nmol/min,与其他物种MCAT的Km相近。紫堇块茎碱(Corytuberine)是rEtMCAT的有效抑制剂,其IC50=16.47±2.38 uM。
通过生物信息学方法解析EtMCAT的抗原表位,并对E.tenella数据库进行搜索比对,选择EtMCAT特异的抗原表位。以其序列为基础设计引物,特异性扩增编码抗原表位的序列片段(EtMCATanti),重组表达并免疫小鼠制备特异性抗体,利用激光共聚焦技术(Confocal)研究EtMCAT在E.tenella子孢子内的免疫荧光亚细胞定位。结果显示,EtMCAT定位于E.tenella子孢子的项质体,并发现部分子孢子可能具有多个项质体。
本研究首次克隆了E.tenella的mcat基因,用E.coli温度敏感mcat突变株间接验证了EtMCAT的功能,系统分析了其编码蛋白的体外活性和生化特征,建立一个以EtMCAT为靶标的抑制物筛选模型,并发现了Corytuberine对rEtMCAT的抑制活性。为E.tenella MCAT作为新型抗球虫药物研制的潜在靶标提供了理论和实验基础。