杜曉宇,孔晶晶,孫玥,段煉

(太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引言

金屬硫蛋白(Metallothioneine,簡稱MT)是一類存在于生物體的由基因編碼的、富含半胱氨酸的低分子量(<10 kDa)金屬結(jié)合蛋白,廣泛存在于動物界、植物界、真核微生物以及一些原核生物中[1-3],其對于體內(nèi)必需金屬離子(如Zn2+和Cu+等)的轉(zhuǎn)運存儲和代謝以及一些非必需金屬離子(如Cd2+、Hg2+和Pb2+等)的解毒都起著重要的作用[4-5]。隨著環(huán)境污染問題日益加劇,被污染的土壤和水體中很可能富集了大量有毒重金屬離子,而其不能通過化學(xué)或生物方法處理被降解,進(jìn)而可能在食物鏈中不斷積累,對人類健康造成嚴(yán)重的威脅。MT作為一種重金屬結(jié)合蛋白,可通過其上半胱氨酸殘基中的巰基與具有d10構(gòu)型的金屬離子,如Zn2+,Cd2+和Hg2+等,以金屬巰基螯合簇的形式穩(wěn)定配位,形成無毒或低毒絡(luò)合物從而降低重金屬毒害[6-7]。近年來,MT因其高效的重金屬解毒功能及安全性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。

除金屬硫蛋白外,植物和某些微生物中研究的比較早的另一種金屬結(jié)合蛋白為植物螯合肽(phytochelatins,簡稱PCs),其對于重金屬離子的解毒也起著重要的作用[6,8]。Murasugi等[9-10]從S.pombe中分離出兩種形式的Cd2+-PC復(fù)合物,一種是不含硫的低分子量復(fù)合物,另一種是含硫的高分子量復(fù)合物。在體外Na2S存在下用Cd2+滴定低分子量復(fù)合物,發(fā)現(xiàn)復(fù)合物的Cd2+和S2-結(jié)合能力增強(qiáng),形成Cd2+/S2-比例更高的復(fù)合物。研究證明S2-的摻入與酵母中PCs的Cd2+結(jié)合能力增強(qiáng)有關(guān),提高了系統(tǒng)解毒的有效性,且結(jié)合能力取決于反應(yīng)體系中硫化物的濃度[11]。此外,S2-還可以提高鎘γ谷氨酰肽復(fù)合物的熱力學(xué)和pH穩(wěn)定性[12]。在各種重組表達(dá)的融合蛋白,如哺乳動物MT1和MT4[13-14]以及QuercussuberMT2[15-16]中也可檢測到硫離子?；贛T與PCs能夠螯合大量金屬離子的相似性質(zhì),一些研究者對硫化物是否也能增強(qiáng)金屬硫蛋白的金屬離子結(jié)合能力進(jìn)行了研究。如mouse MT4的α和β域兩個結(jié)構(gòu)域,在無S2-時分別結(jié)合4個和3個二價金屬離子;當(dāng)提供S2-時結(jié)合能力增加到4.6個Cd2+和3.9個Cd2+[13]。重組表達(dá)的植物QuercussuberMT2配位約5個二價金屬離子;在S2-存在下,結(jié)合的CdⅡ數(shù)量增加,使該植物MT2的CdⅡ結(jié)合能力提高多達(dá)40%[15-17]。

玉米是重要的糧食作物和飼料作物,也是全世界總產(chǎn)量最高的農(nóng)作物。目前在我國玉米的播種面積僅次于水稻和小麥,在糧食作物中居第三位。我們在前期的研究工作[18]中首次通過基因工程的方法在體外重組表達(dá)得到了Ⅰ型玉米金屬硫蛋白(ZeamaysMetallothionein1,ZmMT1),且對其金屬離子結(jié)合性質(zhì)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明玉米金屬硫蛋白的apo-ZmMT1形式最多可以結(jié)合6個Zn2+、6個Cd2+、10個以及更多的Pb2+。對于硫離子的加入是否會影響高等植物特別是農(nóng)作物體內(nèi)存在的金屬硫蛋白的重金屬結(jié)合能力目前沒有明確結(jié)論。本文在前期研究工作基礎(chǔ)上探究ZmMT1在Na2S存在條件下,在植物體外是否可以增強(qiáng)ZmMT1的金屬離子結(jié)合能力,同時探究了S2-濃度和組分加入順序?qū)mMT1的金屬離子結(jié)合性質(zhì)的影響。

1 材料和方法

1.1 主要化學(xué)試劑

三(羥甲基)氨基甲基鹽酸鹽(Tris-HCl,100 mmol/L,pH 8.0);二硫蘇糖醇(DTT);5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(5,5-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid),DTNB,5 mmol/L);Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 mL溶液含1 mg Cd)購于天津傲然精細(xì)化工研究所;Zn(NO3)2·6H2O(0.01 mol/L);Na2S(0.01 mol/L);所有生化試劑均為Solarbio公司產(chǎn)品,其他化學(xué)品均為分析純。所有溶液均使用去離子水制備。如有必要,溶液用氮氣飽和。

1.2 主要實驗儀器

SW-CJ-1FD(標(biāo)準(zhǔn)型)單人垂直凈化工作臺;FE20 METTLER TOLEDO pH計;UV-1800型紫外分光光度計(日本島津公司);DZ-C-1全溫振蕩器;Milipore超濾管(3 kDa);Eppendorf移液槍;氮氣鋼瓶。

1.3 紫外可見光(UV/Vis)光譜測量

紫外可見吸收光譜在紫外可見分光光度計(島津UV-1800)上進(jìn)行UV吸收測量,掃描速度為600 nm·min-1,掃描波長范圍為200～400 nm,用Origin 8.0進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的曲線擬合并最終用摩爾吸光系數(shù)(L·mol-1·cm-1)表示。所有的光譜都在室溫下記錄。

1.4 原核表達(dá)載體構(gòu)建及蛋白表達(dá)純化

我們之前的報道[18]詳細(xì)介紹了原核表達(dá)載體pGEX-6P-1-ZmMT1的構(gòu)建及其使用含有ZmMT1基因的大腸桿菌BL21(DE3)菌液進(jìn)行玉米金屬硫蛋白的表達(dá)與純化過程。概括來說,將含有目的基因的BL21菌液置于含有氨芐青霉素的新鮮LB液體培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng),180 r/min,37℃下振蕩培養(yǎng)。待OD600約為0.6～0.8時,加入1 mmol/L異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)繼續(xù)誘導(dǎo)表達(dá)蛋白,37℃震蕩培養(yǎng)3～3.5 h,4 ℃,8 000 r/min離心收菌。將收集的菌體重懸于70～80 mL PBS(pH 7.3)緩沖溶液中,并在冰浴環(huán)境中通過超聲破碎菌體細(xì)胞,之后離心收集上清進(jìn)行純化。將菌體上清置于用PBS平衡的GST親和層析柱,搖床上冰浴結(jié)合后掛柱棄去雜蛋白。在存在200 mmol/L二硫蘇糖醇(DTT)的情況下,GST-ZmMT1融合蛋白用PPase蛋白酶在4℃下過夜酶切。將洗脫的粗品ZmMT1轉(zhuǎn)移至3 kDa截留分子量超濾離心管中超濾濃縮純化。蛋白純化結(jié)果見已發(fā)表的工作[18]。

1.5 金屬離子滴定

1.5.1 硫離子存在條件下ZmMT1與金屬離子的結(jié)合性質(zhì)探究

將表達(dá)純化得到的ZmMT1純品,分別在不存在S2-以及[S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1情況下用Zn2+和Cd2+滴定蛋白溶液(10 μmol/L,pH 8.0 Tris-HCl緩沖溶液)。每次滴定,將1 mL蛋白溶液轉(zhuǎn)移到1 cm的比色皿中。S2-以Na2S溶液的形式加入,并將S2-和蛋白溶液的混合物于37℃恒溫培養(yǎng)箱溫育30 min后,以上述同樣步驟進(jìn)行金屬離子滴定。所有實驗滴定過程都在氮氣流下進(jìn)行。

1.5.2 不同硫離子濃度對ZmMT1與金屬離子結(jié)合特性探究

為了探究植物ZmMT1是否具有根據(jù)金屬離子濃度和細(xì)胞供應(yīng)硫化物來調(diào)節(jié)結(jié)合重金屬的能力,在體外存在0、5、10、15、20、25和30倍apo-ZmMT1量S2-的情況下用Cd2+滴定蛋白溶液(15 μmol/L,pH 8.0 Tris-HCl緩沖溶液),分析不同S2-濃度對ZmMT1與金屬離子結(jié)合性質(zhì)的影響。具體為將1 mL蛋白溶液與不同摩爾比S2-于37 ℃溫育30 min后,在室溫氮氣氛圍中進(jìn)行Cd2+滴定,通過紫外光譜觀察LMCT譜帶的變化。

1.5.3 不同滴加順序?qū)mMT1與金屬離子結(jié)合性質(zhì)探究

為了初步探究含硫的CdⅡ-巰基簇形成的機(jī)理,改變apo-ZmMT1(11 μmol/L)、Cd2+(不同摩爾比)和S2-(0.01 mol/L)溶液的加入順序。所有滴定過程都進(jìn)行UV光譜分析,具體步驟如下所述,實驗使用如上所述的同一比色皿。

“apo-ZmMT1+10 S2-+x Cd2+”:將11 μmol/L apo-ZmMT1與濃度為0.01 mol/L的S2-溫育30 min,在氮氣流中用Cd2+不斷滴定含S2-的apo-ZmMT1溶液,于室溫下培養(yǎng)2 min直到觀察到穩(wěn)定的紫外吸收光譜,記錄實驗數(shù)據(jù)。

“apo-ZmMT1+x Cd2++10 S2-”:將11 μmol/L apo-ZmMT1與所需的等量的Cd2+混合,溫育10 min,然后加入S2-。在氮氣流中于室溫下培養(yǎng)2 min,在紫外分光光度計上掃譜,記錄實驗數(shù)據(jù)。

“x Cd2++10 S2-+apo-ZmMT1”:取不同量的Cd2+與濃度為0.01 mol/L的S2-溫育10 min,然后加入11 μmol/L apo-ZmMT1。在氮氣氛圍下于室溫培養(yǎng)2 min,在紫外分光光度計上掃譜,記錄實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 硫離子存在條件下ZmMT1與金屬離子的結(jié)合性質(zhì)探究

2.1.1 ZnⅡ-和ZnⅡ/S-型ZmMT1

當(dāng)在[S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1情況下用Zn2+滴定ZmMT1時,形成ZnⅡ/S-ZmMT1復(fù)合物,配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移(LMCT)帶在265 nm處產(chǎn)生吸收峰(圖1A);無S2-時滴定形成ZnⅡ-ZmMT1復(fù)合物(圖1B),LMCT帶在約230 nm處產(chǎn)生輕微肩峰,肩峰的本質(zhì)主要歸因于巰基配體向金屬的電荷轉(zhuǎn)移過渡到Zn2+的4s軌道,從而產(chǎn)生共價性,其對金屬巰基復(fù)合物相互作用貢獻(xiàn)約50%,其余約50%來自離子相互作用[19]。對比存在S2-時的滴定光譜發(fā)生了LMCT帶的紅移變化,這種現(xiàn)象與用Na2S滴定含ZnⅡ和半胱氨酸比例為1∶2的溶液,且在260至280 nm之間出現(xiàn)新的吸收峰結(jié)果相類似[20]。以265 nm處的摩爾吸光系數(shù)相對于添加的Zn2+繪圖(圖1A,插圖),觀察到在添加至Zn2+量為apo-ZmMT1量8倍左右,吸收光譜基本保持恒定;而在沒有S2-情況下的滴定,僅結(jié)合了約6倍apo-ZmMT1量Zn2+(圖1B,插圖),這表明apo-ZmMT1對Zn2+的結(jié)合能力在硫化物存在下增強(qiáng)。

Fig.1 A: [S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1, UV spectra of 10 μmol/Lapo-ZmMT1 were titrated with Zn2+ in a buffer containing 100 mmol/L Tris-HCl, pH 8.0，The inset shows the change of molar absorption coefficient of the LMCT band at 265 nm as the amount of Zn2+ ions added；B: UV spectra of the analogous titration with Awhen there is no S2-ions，In the inset the molar absorption coefficientat 230 nm is plotted against the added Zn2+ ions圖1 A:[S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1時,在100 mmol/L Tris-HCl,pH=8.0的緩沖溶液中用Zn2+滴定10 μmol/L ZmMT1的UV光譜圖,插圖顯示了在265 nm處隨著Zn2+的量增加LMCT帶的摩爾吸收系數(shù)的變化;B:無S2-時和A同樣滴定的UV光譜圖,插圖以230 nm處光譜的摩爾吸收系數(shù)相對于添加的Zn2+離子繪圖

2.1.2 CdⅡ-和CdⅡ/S-型ZmMT1

為了進(jìn)一步研究硫離子對ZmMT1結(jié)合重金屬離子的影響,我們在S2-存在條件下用Cd2+進(jìn)行滴定。當(dāng)在[S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1情況下Cd2+滴定ZmMT1時,形成CdⅡ/S-ZmMT1復(fù)合物,LMCT帶在275 nm附近的吸收增加(圖2A),且在加入約10倍apo-ZmMT1量的Cd2+之后,吸收強(qiáng)度逐漸恒定(圖2A,插圖)。而CdⅡ-ZmMT1型,即不存在S2-時LMCT帶在約255 nm處形成明顯的酰胺帶肩峰(圖2B),該能帶的形成主要由于S→Cd2+的躍遷進(jìn)入Cd2+的5s軌道;同時涉及配體到配體電荷轉(zhuǎn)移(LLCT)躍遷,即從巰基中的硫到反鍵pπ(pπ*)軌道[5]。隨著Cd2+量的增加,255 nm附近的吸收增加并且在添加到Cd2+量為apo-ZmMT1量6倍左右吸收光譜基本保持恒定(圖2B,插圖)。相比沒有S2-時的滴定,ZmMT1對Cd2+的結(jié)合能力在S2-存在下明顯增強(qiáng),而且CdⅡ/S-ZmMT1復(fù)合物的特征吸收帶相對于CdⅡ-ZmMT1復(fù)合物的特征吸收帶顯示出明顯的紅移。

Fig.2 A: [S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1, UV spectra of 10 μmol/L apo-ZmMT1were titrated with Cd2+ in a buffer containing 100 mmol/L Tris-HCl, pH 8.0,The inset shows the change in the molar absorption coefficient of thered shifted LMCT band at 275 nm plotted against the Cd2+ ions;B: UV spectra of the analogous titration with A when there is no S2- ions,In the inset the molar absorption coefficient at 255 nm is plotted against increased Cd2+圖2 A: [S2-]∶[apo-ZmMT1]=10∶1時,在100 mmol/L Tris-HCl,pH=8.0的緩沖溶液中用Cd2+滴定10 μmol/L apo-ZmMT1的UV光譜圖,插圖顯示275 nm處紅移LMCT帶的摩爾吸收系數(shù)相對于Cd2+的變化曲線;B:無S2-時和A同樣滴定的UV光譜圖。插圖以255 nm處的摩爾吸收系數(shù)對增加的Cd2+作圖

LMCT帶的紅移變化是MT中金屬巰基復(fù)合物形成的特征,通過形成金屬巰基螯合簇結(jié)構(gòu)擴(kuò)大金屬離子結(jié)合能力,其中簇狀結(jié)構(gòu)中的一部分末端半胱氨酸硫醇配體向橋連配體轉(zhuǎn)變[21]。當(dāng)簇的尺寸增加時,對于巰基封端CdS顆粒也觀察到類似的帶向更高波長移動[22]。如上述實驗所揭示的,在硫離子存在下的滴定顯示不同金屬的特征LMCT帶向更高波長方向移動,說明硫離子結(jié)合到金屬巰基簇中進(jìn)一步擴(kuò)大了金屬離子結(jié)合能力。其他一些研究中,比如在CdⅡS-cicMT2的形成過程中[23],以及在S.pombe的含硫PC復(fù)合物中[24],也觀察到類似的吸收帶紅移變化,表明硫化物結(jié)合到鎘(Ⅱ)巰基簇中。

2.2 不同硫離子濃度對ZmMT1與金屬離子結(jié)合特性探究

為了評估ZmMT1上的最大Cd2+結(jié)合能力,我們用較高波長,即275 nm下的摩爾吸光系數(shù)對添加到溶液中的Cd2+作圖,以避免S2-對蛋白質(zhì)270 nm以下總體吸收的影響。如圖3A,在沒有S2-的情況下形成CdⅡ-ZmMT1物質(zhì),吸收強(qiáng)度最低,隨著S2-濃度的增加,特征吸收峰的強(qiáng)度在不斷增加,結(jié)合的Cd2+量也不斷增加(圖3A,插圖)。原因可能由于蛋白結(jié)構(gòu)在不斷擴(kuò)展以適應(yīng)不斷增大的金屬巰基簇結(jié)構(gòu),而沒有整體蛋白質(zhì)大小的變化,或者說其流體動力學(xué)半徑?jīng)]有變化[25]。隨著溶液中S2-初始濃度的增加,結(jié)合的Cd2+的量呈線性增加趨勢(圖3B),促進(jìn)了Cd2+在蛋白上的結(jié)合;但是S2-濃度不宜過高,否則會形成蛋白質(zhì)二聚體、三聚體或更高的聚集體以及CdS聚體,影響蛋白結(jié)合能力,對于ZmMT1最高應(yīng)控制在30倍MT量之內(nèi)。也就是說適當(dāng)增加S2-濃度可以增大ZmMT1的金屬離子結(jié)合能力。

A: UV spectra of Cd2+ ions saturated ZmMT1 solution containing different concentrations of S2-.The inset shows the molar absorption coefficient curve at 275 nm of the titration of ZmMT1solution containing different sulfide concentrations with Cd2+ ions;B: Number of saturated Cd2+ bound by ZmMT1 under different S2- ion concentrations conditionsFig.3 Effect of S2-concentrations on apo-ZmMT1 bound Cd2+ propertiesA:Cd2+飽和的含不同濃度S2-蛋白溶液的紫外光譜圖,插圖為Cd2+滴定含不同S2-濃度的蛋白溶液在275 nm處的摩爾吸收系數(shù)變化曲線;B:不同S2-濃度條件下蛋白結(jié)合的飽和Cd2+個數(shù)隨硫離子S2-濃度變化曲線,圖3 S2-濃度對蛋白結(jié)合Cd2+性質(zhì)的影響

2.3 不同滴加順序?qū)mMT1結(jié)合Cd2+性質(zhì)影響研究

Fig.4 Final UV spectra of 11 μmol/L apo-ZmMT1titrated in a buffer containing 100 mmol/L Tris-HCl,pH 8.0, the order of addition of Cd2+ and S2- ions was changed圖4 在含有100 mmol/L Tris-HCl,pH=8.0的緩沖液中滴定11 μmol/L apo-ZmMT1的終點的UV光譜圖,Cd2+和S2-組分添加的順序改變

為了評估如上所述的組分加入過程對于S2-摻入效率以及隨之對結(jié)合Cd2+的能力的影響,我們改變了各個組分的添加順序,滴定光譜結(jié)果如圖4所示。由圖可觀察到,含硫的CdⅡ-巰基簇的形成導(dǎo)致275 nm附近和更高波長處的吸收帶的變化。“ZmMT1+10 S2-+x Cd2+”這種組分添加順序的光譜的摩爾吸光系數(shù)最大(圖4線c),而“ZmMT1+x Cd2++10 S2-”(圖4線d)和“x Cd2++10 S2-+ZmMT1”(圖4線e)兩種添加順序的光譜的摩爾吸光系數(shù)明顯減小,位于不含硫離子(圖4線b)和含硫離子物質(zhì)(圖4線c)的光譜之間。“ZmMT1+x Cd2++10 S2-”和“x Cd2++10 S2-+ZmMT1”兩種組分添加順序的紫外滴定光譜表明ZmMT1結(jié)合Cd2+的能力沒有明顯增強(qiáng)。這個實驗結(jié)果和Huber等[25]得出的結(jié)果相同,即該兩種組分添加順序的變化都不能成功地使S2-摻入到簇中,只有當(dāng)apo-MT1在加入Cd2+之前首先與S2-一起溫育,S2-才能最大程度摻入到金屬巰基螯合簇中。這種現(xiàn)象可能是由于Cd2+與S2-先形成類似中性的1∶1 CdS復(fù)合物,這個復(fù)合物可以被蛋白質(zhì)結(jié)合,而之后聚集的更高摩爾質(zhì)量的陰離子復(fù)合物不被結(jié)合[25]。此現(xiàn)象和低溫水溶液中形成礦物ZnS的過程的現(xiàn)象類似,即先形成具有1∶1(ZnS)化學(xué)計量的中性配合物,隨著硫化物繼續(xù)添加和水配體結(jié)合生成更大的陰離子絡(luò)合物,如Zn4S64-四聚體[26]。因此,MT必須能夠與先形成的Cd/S復(fù)合物競爭Cd2+,才能使S2-成功地?fù)饺氲酱刂袕亩龃驝d2+結(jié)合能力。綜上可以推測出只要溶液中存在Cd2+,S2-就會先和Cd2+結(jié)合,而不能成功地和蛋白溶液結(jié)合。用蛋白質(zhì)的Cys-S配體替換水或其他不親硫配體是一個增大硫離子摻入MT可行的機(jī)制。

3 結(jié)論

本文我們通過實驗證明,在存在硫離子的情況下一定程度上能增強(qiáng)植物MT如ZmMT1的金屬離子結(jié)合能力;且隨著硫離子濃度的增加,ZmMT1的金屬離子結(jié)合能力逐漸增強(qiáng),但硫離子濃度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)(≤30∶1),否則會形成蛋白質(zhì)聚集體,影響結(jié)合能力。此外通過探究不同物質(zhì)添加順序?qū)mMT1結(jié)合金屬性質(zhì)的影響表明,CdⅡ/S-巰基簇形成遵循一定的路徑,也就是說蛋白溶液在用Cd2+滴定之前先與S2-溫育才可以使S2-成功的摻入到金屬巰基螯合簇中同時增強(qiáng)MT的金屬離子結(jié)合能力;而改變滴加順序時,由于Cd2+對S2-的絡(luò)合能力更強(qiáng),則使得S2-不能很好地?fù)饺氲浇饘賻€基簇中,削弱了S2-對蛋白金屬結(jié)合能力增強(qiáng)的特性。對有機(jī)體來說,適量摻入S2-不失為一種增強(qiáng)有機(jī)體金屬結(jié)合能力的經(jīng)濟(jì)有效的方式,為金屬硫蛋白更有效地清除重金屬離子提供有用的借鑒及理論支撐。然而,硫化物摻入植物MTs中是否會產(chǎn)生某些生理相關(guān)反應(yīng)仍然需要進(jìn)一步探索。