(福建省海洋環(huán)境與漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)中心,福建 福州 350003)
不管是高等植物還是低等植物,氮素的同化都是一個(gè)非常重要的生理過程。無機(jī)氮只有被轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮,才能被植物細(xì)胞所吸收利用。細(xì)胞內(nèi)氮的吸收同化過程有三個(gè)主要步驟:第一步是氮的跨膜運(yùn)輸,環(huán)境介質(zhì)中的氮被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi);第二步是硝酸鹽在硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)作用下轉(zhuǎn)化成氨;第三步是氨在谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下被轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮。GS作為細(xì)胞內(nèi)氮和碳同化的樞紐,在這一同化過程中起著關(guān)鍵性的作用[1-5]。
海洋赤潮是一個(gè)嚴(yán)重的生態(tài)問題,尤其是有毒赤潮,越來越引起重視。鏈狀亞歷山大藻是全球分布較廣的有毒赤潮藻種,能產(chǎn)生麻痹性貝類毒素(PSP毒素),毒害人類、鳥類和魚類[6-8]。本研究以鏈狀亞歷山大藻為實(shí)驗(yàn)材料,通過離子交換、分子篩和疏水層析等純化技術(shù)來分離純化GS,并對(duì)GS的理化特性進(jìn)行研究,為從生物化學(xué)角度更深入認(rèn)識(shí)鏈狀亞歷山大藻對(duì)氨的同化機(jī)制及氮營(yíng)養(yǎng)生理提供理論依據(jù)。
鏈狀亞歷山大藻分離自長(zhǎng)江口,由廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室種質(zhì)中心提供。藻種培養(yǎng)條件是光照周期(光照14 h,黑暗10 h),光照強(qiáng)度為4 000 Lux,培養(yǎng)溫度為21℃。實(shí)驗(yàn)用海水采自臺(tái)灣海峽外海水。海水經(jīng)過0.45 μm孔徑的濾膜過濾后,高溫滅菌,然后保存在黑暗處。
藻類培養(yǎng)采用半連續(xù)培養(yǎng)的方法。鏈狀亞歷山大藻經(jīng)缺氮f/2培養(yǎng)基馴化后,添加硝酸鹽并在第二天GS活力達(dá)到最高值后,收集藻細(xì)胞用于GS的分離純化。
1.2.1 GS活力測(cè)定
在富集得到的藻細(xì)胞中加入1 mL GS抽提液,超聲破碎(功率280 W,2 s),間隔時(shí)間2 s,破碎次數(shù)40次,破碎后的藻細(xì)胞在70 000×g下離心50 min,每mL上清液中加入100 mmol/L、pH 7.0的鏈霉素硫酸鹽0.1 mL,充分混合均勻后在70 000×g下離心50 min,得到GS粗提液,按照Bernard等的方法測(cè)定GS活力[9]。
1.2.2 GS純化
用孔徑5 μm篩絹過濾收集藻液90 L,離心濃縮至50 mL離心管中(8 000×g,10 min)。加入酶抽提液buffer A(2 mL/g):50 mmol/L tris-HCl、pH=7.5、2 mmol/L DTE、1 mmol/L EDTA 和2.5 mmol/L MgCl2,冰浴超聲破碎,功率為280 W,間隔時(shí)間/工作時(shí)間=2 s/2 s,破碎5 min。破碎后的粗提液加入一定量的酶抽提液在70 000×g下超高速離心,溫度4℃,時(shí)間50 min。取上清液加入200 μL的鏈霉素(100 μL/mL)混勻,在70 000×g超高速離心,50 min。上清液用0.45 μm孔徑的膜過濾。粗提液通過預(yù)先用buffer A平衡過的DEAE-Seoharose column(2.6 cm×25.0 cm),采用0.15至1.00 mmol/L 的NaCl梯度洗脫,收集各組分,測(cè)定GS活力。洗脫速度4 mL/min,總洗脫體積400 mL。將DEAE-Seoharose收集到的酶液用超低溫真空濃縮至3 mL,用Sephacry1 S-300分子篩柱(1.6 cm×100.0 cm)進(jìn)一步純化,用含0.15 mol/L的NaCl緩沖液洗脫,收集各組分,測(cè)定GS活力。獲得的酶液用超低溫真空濃縮至3 mL,經(jīng)Phenyl-Sepharose CL-4B層析柱(1.6 cm×20.0 cm)進(jìn)一步純化,收集各組分,測(cè)定GS活力。
1.2.3 GS亞基分子量測(cè)定
根據(jù)Davis[10]的方法,采用聚丙烯酰胺凝膠電泳測(cè)定亞基分子量。
1.2.4 總分子量測(cè)定
采用Sephacry1 S-300分子篩柱(1.6 cm×100.0 cm)分離的方法確定。
1.2.5 GS特性研究
反應(yīng)最適溫度和最適pH:GS活力反應(yīng)溫度梯度分別為5、10、15、20、25、30和40℃,pH梯度分別為4.0、5.0、6.0、6.5、7.0、8.0、9.0和10.0。
金屬離子對(duì)GS活力的影響:選擇Fe3+、Fe2+、Cu2+、Mn2+、K+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Ce2+和Mg2+金屬例子,反應(yīng)濃度均為0.5 M。
1.2.6 蛋白含量測(cè)定
根據(jù)Bradford[11]的方法測(cè)定收集峰的蛋白含量,以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白。
GS粗提物經(jīng)離子交換柱梯度洗脫結(jié)果見表1。DEAE-Sepharos柱(2.6 cm×25.0 cm)經(jīng)緩沖液預(yù)平衡后,用0.15~0.50 mol/L NaCl線性梯度洗脫GS粗提物,根據(jù)快速蛋白檢測(cè)結(jié)果分步收集各組峰,并對(duì)收集峰進(jìn)行GS活力測(cè)定,當(dāng)NaCl濃度洗脫至0.32 mol/L時(shí),GS蛋白被洗脫下來,GS活力為3.55 U·mg-1protein。GS凝膠過濾層析洗脫結(jié)果表明離子交換層析所得GS樣品經(jīng)冷凍干燥后濃縮至3 mL,上樣至Sephacry1 S-300凝膠層析柱中,用0.15 mol/L NaCl抽提緩沖液進(jìn)行洗脫,收集洗脫峰進(jìn)行GS活力檢測(cè),GS活力為15.6 U·mg-1protein。將凝膠過濾層析所得GS樣品,上樣至Phenyl-sepharose CL-4B疏水層析柱中,用含70%乙二醇緩沖液進(jìn)行洗脫,收集洗脫峰進(jìn)行酶活檢測(cè),GS活力為19.86 U·mg-1protein。
鏈狀亞歷山大藻GS分子量采用凝膠過濾法來確定。標(biāo)準(zhǔn)蛋白峰洗脫體積分別為:藍(lán)色葡聚糖(Blue dextran)2 000,45.45 mL;甲狀腺球蛋白(Thyroglobulin),54.35 mL;鐵蛋白(Ferritin),60.09 mL;醛縮酶(Aldolase),66.53 mL;伴白蛋白(Conalbumin),69.84 mL;卵清蛋白(Ovalbumin),71.00 mL。GS樣品峰洗脫體積為60.35 mL,通過計(jì)算得出GS分子量為430 kD。
鏈狀亞歷山大藻GS亞基分子量通過變性凝膠電泳來確定,見圖1,通過換算得到亞基分子量大小為55.6 kD。
純GS酶學(xué)特性結(jié)果表明鏈狀亞歷山大藻GS反應(yīng)的適宜pH范圍為7.5到9.5,其中最大酶活力pH為8.0(圖2)。GS活力隨溫度的增加而增加,至25℃時(shí),GS活力達(dá)到最大,而后隨溫度的進(jìn)一步增加而降低(圖3)。金屬離子對(duì)GS活力影響較大:Fe2+和Fe3+離子參加的反應(yīng)中未檢測(cè)到酶活力,Mg2+離子參加的反應(yīng)中酶活力最高,Cu2+、Ce2+、Mn2+、Ca2+、Ni2+、Zn2+和K+對(duì)GS活力有不同程度的抑制作用(圖4)。
鏈狀亞歷山大藻GS粗提物經(jīng)DEAE-Sepharose離子交換、Sephacry1 S-300分子篩凝膠過濾和Phenyl-sepharose CL-4B疏水層析等分離純化步驟后,最終得到純化的GS,純化倍數(shù)為130,酶活為19.86 U·mg-1protein,其中在離子交換層析過程中,GS量損失最大,但純化倍數(shù)最高(表1)。GS的催化作用受到環(huán)境因子的影響,反應(yīng)環(huán)境中溫度、pH和離子強(qiáng)度等因素的變化都會(huì)影響酶的活力,特別是經(jīng)過抽提及純化過程處理后,導(dǎo)致酶損失較大,加上鏈狀亞歷山大藻中GS含量極低,致使得率比較低,因此在進(jìn)行GS純化時(shí),純化速度要快,操作要連續(xù)。
Mann等[12]、Hirel等[13]研究表明,植物細(xì)胞中的GS同功酶因定位不同而產(chǎn)生差異,根據(jù)細(xì)胞中分布,分為GS1和GS2,GS1以細(xì)胞質(zhì)型GS形式存在;GS2以葉綠體型GS形式存在。根據(jù)組成GS單體分子量差別,分為GSⅠ、gGSⅡ和gGSⅢ。Kumadaet等[14]、Amaya[15]等認(rèn)為GSⅠ廣泛分布在細(xì)菌、古細(xì)菌、真核生物中,其亞基分子量大小為55 kD;GSⅡ分布在植物共生菌、真核生物中,其亞基分子量大小為36 kD;GS Ⅲ分布在藍(lán)細(xì)菌中,其亞基分子量為75 kD;相對(duì)于GSⅠ,GSⅡ和GSⅢ分布的種類很有限。Meister[1]和Kleinschmidt[16]研究表明,植物和動(dòng)物組織來源的GS的分子量一般在400 kD左右,有8個(gè)相同的亞基組成,但在不同細(xì)菌類群中,GS分子量大小差別較大。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鏈狀亞歷山大藻的GS分子量大小為430 kD,由8個(gè)分子量為55.6 kD亞基組成。根據(jù)亞基分子量大小判斷,鏈狀亞歷山大藻GS屬于GSⅠ類型。
表1 鏈狀亞歷山大藻GS純化
pH是影響酶活力的一個(gè)重要因子。細(xì)胞或生物體內(nèi)的酶常常在某一pH范圍內(nèi)才表現(xiàn)出較大活力,而表現(xiàn)出酶最大活力時(shí)的pH稱為酶的最適pH。pH對(duì)酶反應(yīng)速率的影響,一方面是由于酶本身是蛋白質(zhì),過酸或過堿易使酶變性失活;另一方面是pH影響了酶分子的活力中心上有關(guān)基團(tuán)的解離或底物的解離,影響酶與底物的結(jié)合,從而影響酶的活力。研究表明,不同生物其GS反應(yīng)的最適pH范圍也不相同。Ahmed等[17]研究多種海洋浮游植物GS反應(yīng)最適pH范圍時(shí)發(fā)現(xiàn),GS反應(yīng)的最適pH范圍為7.0到8.0。Bressler等[2]報(bào)道,中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)、魯茲帕夫藻(Pavlovalutheri)、偽矮海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)等GS的最適反應(yīng)pH為7.0到7.8。García-Fernández等[18]報(bào)道Monoraphidriumbraunii綠藻的 GS反應(yīng)最適pH范圍為7.5 到8.0。Kim等[19]在研究Klebsiellapneumoniae細(xì)菌GS在 pH為8.0時(shí)酶活力最大。本研究發(fā)現(xiàn),鏈狀亞歷山大藻GS反應(yīng)較適pH范圍較廣,為7.5~9.5,其中最大酶活力為pH 8.0。
溫度是影響酶活力的另一個(gè)重要因子。絕大多數(shù)酶在低溫時(shí)酶反應(yīng)進(jìn)行緩慢,當(dāng)溫度逐漸升高時(shí),反應(yīng)速率也逐漸升高,達(dá)到最高值后,反應(yīng)速率隨溫度的進(jìn)一步升高迅速降低[1]。在一定條件下,一種酶只在某一溫度時(shí)活力最大,該溫度就是酶反應(yīng)的最適溫度。鏈狀亞歷山大藻GS在溫度5~40℃范圍均能反應(yīng),最適的反應(yīng)溫度為25℃。
GS參加的反應(yīng)需要在一定金屬離子作為底物的條件下才能進(jìn)行,且對(duì)金屬離子具有選擇性。Kim等[19]在研究Klebsiellapneumoniae細(xì)菌GS特性發(fā)現(xiàn),該菌GS在金屬M(fèi)n2+、Cu2+、Ni2+存在下,GS活力能表達(dá),而在Fe2+、Fe3+、K+、Pb2+、Zn2+、Ca2+、Ce2+存在下GS活力為0。Kameya[20]等在研究嗜熱鏈球菌(Hydrogenobacterthermophilus)時(shí)也發(fā)現(xiàn)GS在金屬M(fèi)g2+離子存在下活力最高。本研究發(fā)現(xiàn)Cu2+、K+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Ce2+和Mn2+對(duì)GS有不同程度的抑制作用,F(xiàn)e2+和Fe3+則完全抑制了GS的活力,而在Mg2+離子存在下活力最高(圖4)。
1)鏈狀亞歷山大藻GS粗提物經(jīng)DEAE-Sepharose離子交換、Sephacry1 S-300分子篩凝膠過濾和Phenyl-Sepharose CL-4B疏水層析等處理后,得到純的GS,分子量為430 kD,由8個(gè)分子量為55.6 kD的亞基組成。按照亞基分子量的大小判斷,鏈狀亞歷山大藻GS屬于GSⅠ類型。
2)GS反應(yīng)的最適pH和溫度分別為8.0和25℃。Mg2+離子參與的GS反應(yīng),GS活力表達(dá)最高,Cu2+、K+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Ce2+、Mn2+對(duì)GS活力均有一定的抑制作用,F(xiàn)e2+和Fe3+則完全抑制了GS活力。
3)本研究從鏈狀亞歷山大藻中分離、純化GS,但所做工作還比較初步,對(duì)GS的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步深入研究,如GS的分子調(diào)控機(jī)制和不同營(yíng)養(yǎng)鹽條件下GS的表達(dá)等,有助于更加深入地認(rèn)識(shí)鏈狀亞歷山大藻的氮營(yíng)養(yǎng)生理特性和赤潮形成的營(yíng)養(yǎng)學(xué)機(jī)制。
參考文獻(xiàn):
[1]Meister A.Glutamine synthetase of mammals [J].Enzymes,1974,10:699-754.
[2]Bressler S L,Ahmed S I.Detection of glutamine synthetase activity in marine phytoplankton:Optimization of the biosynthetic assay [J].Marine Ecology Progress,1984,14(2-3):207-217.
[3]Caputo C,Criado M V,Roberts I N,et al.Regulation of glutamine synthetase 1 and amino acids transport in the phloem of young wheat plants [J].Plant Physiology & Biochemistry,2009,47(5):335-342.
[4]Thomsen H C,Eriksson D,M?ller I S,et al.Cytosolic glutamine synthetase:a target for improvement of crop nitrogen use efficiency? [J].Trends in Plant Science,2014,19(10):656-663.
[5]Li Y,Wang M,Zhang F,et al.Effect of post-silking drought on nitrogen partitioning and gene expression patterns of glutamine synthetase and asparagine synthetase in two maize(Zeamays,L.)varieties [J].Plant Physiology & Biochemistry,2016,102:62-69.
[6]Abi-Khalil C,F(xiàn)inkelstein D S,Conejero G,et al.The paralytic shellfish toxin,saxitoxin,enters the cytoplasm and induces apoptosis of oyster immune cells through a caspase-dependent pathway [J].Aquatic Toxicology,2017,190:133-141.
[7]Shin H H,Li Z,Kim E S,et al.Which species,Alexandriumcatenella(Group I)orA.pacificum(Group IV),is really responsible for past paralytic shellfish poisoning outbreaks in Jinhae-Masan Bay,Korea? [J].Harmful Algae,2017,68(6):31-39.
[8]林佳寧,顏天,張清春,等.福建沿海米氏凱倫藻赤潮對(duì)皺紋盤鮑鰓組織抗氧化酶活性的影響研究[J].海洋科學(xué),2016,40(6):17-22.
[9]Bernard S M,M?ller A L B,Dionisio G,et al.Gene expression,cellular localization and function of glutamine synthetase isozymes in wheat(TriticumaestivumL.)[J].Plant Molecular Biology,2008,67(1-2):89-105.
[10]Davis B J.Disc electrophoresis.Ⅱ.method and application to human serum proteins [Z].Annals of the New York Academy of Sciences,1964,121(2):404-427.
[11]Bradford M M A.A rapid and sensitive method for quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of proteindye binding [J].Analytical Biochemistry,1976,72(s1-2):248-254.
[12]Mann A F,F(xiàn)entem P A,Stewart G R.Tissue localization of barley(Hordeumvulgare)glutamine synthetase isoenzymes [J].FEBS Letters,1980,110(2):265-267.
[13]Hirel B,Gadal P.Glutamine Synthetase Isoforms in Pea Leaves:Intracellular Localization [J].Zeitschrift Für Pflanzenphysiologie,1981,102(4):315-319.
[14]Kumada Y,Benson D R,Hillemann D,et al.Evolution of the glutamine synthetase gene,one of the oldest existing and functioning genes [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1993,90(7):3009-3013.
[15]Amaya K R,Kocherginskaya S A,Mackie R I,et al.Biochemical and mutational analysis of glutamine synthetase type III from the rumen ana erobeRuminococcusalbus8 [J].Journal of Bacteriology,2005,187(21):7481-7491.
[16]Kleinschmidt J A,Kleiner D.The glutamine synthetase fromAzotobactervinelandii:purification,characterization,regulation and localization [J].European Journal of Biochemistry,1978,89(1):51-60.
[17]Ahmed S I,Kenner R A,Packard T T.A comparative study of the glutamate dehydrogenase activity in several species of marine phytoplankton [J].Marine Biology,1976,39(1):93-101.
[18]García-Fernández J,López-Ruiz A,Humanes L,et al.Purification and characterization of glutamine synthetase from the green algaMonoraphidiumbraunii[J].Plant Science,1997,123(1-2):77-84.
[19]Kim Y J,Yoshizawa M,Takenaka S,et al.Ammonium assimilation inKlebsiellapneumoniaeF-5-2:That can utilize ammonium and nitrate ions simultaneously purification and characterization of glutamate dehydrogenase and glutamine synthetase [J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2002,93(6):584-588.
[20]Kameya M,Arai H,Ishii M,et al.Purification and properties of glutamine synthetase fromHydrogenobacterthermophilus,TK-6 [J].Journal of Bioscience & Bioengineering,2006,102(4):311-315.