劉 婧,陳啟和,章海鋒,傅明亮,何國(guó)慶
(浙江大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)系,浙江杭州310029)
糖苷酶與糖基轉(zhuǎn)移酶工程的研究進(jìn)展
劉 婧,陳啟和*,章海鋒,傅明亮,何國(guó)慶
(浙江大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)系,浙江杭州310029)
近年來(lái)糖苷酶與糖基轉(zhuǎn)移酶工程在應(yīng)用于合成和降解多糖結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展,其重要發(fā)展有通過(guò)完全飽和突變改進(jìn)木聚糖酶耐熱性,從一種倒置糖苷酶中首次衍生化獲得糖苷合成酶,以及出現(xiàn)一類新的經(jīng)過(guò)改良的能夠有效連接硫代糖苷用以合成多糖的糖苷酶;特別是通過(guò)隨機(jī)突變和定向改造方法改進(jìn)糖苷酶活性的應(yīng)用增加。雖然糖基轉(zhuǎn)移酶工程研究還處于起始階段,但是目前基于在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改變酶底物特異性和在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)控制糖基轉(zhuǎn)移酶的構(gòu)象以影響體內(nèi)糖生物學(xué)復(fù)雜變化的研究很可能預(yù)示著該領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)重大的改革浪潮。本文主要綜述和展望了糖苷酶和糖基轉(zhuǎn)移酶的最新研究進(jìn)展。
糖苷酶,糖基轉(zhuǎn)移酶,底物特異性,糖工程,分子工程
Abstract:In recent years,substantial advances have been made in the engineering of glycosidases and glycosyltransferases forthe synthesis and degradation ofglycan structures.Key developments include improvement of the thermostability of xylanase through comprehensive saturation mutagenesis,creation of the first glycosynthase derived from an inverting glycosidase and the emergence of a new class of modified glycosidases capable of efficiently synthesizing thioglycosidic linkages.Of particular note is the increased use of random mutagenesis and directed evolution tactics for tailoring glycosidase activity.Although the engineering of glycosyltransferases is still in its early stages,recent work on the structure-based alteration of substrate specificity and the manipulation of glycosyltransferase profiles in whole cells to effect complex changes in vivo glycobiology probably foreshadows a wave of considerable innovation in this area.
Key words:glycosidases;glycosyltransferases(GTs);substratespecificity;glucoseengineering(GT);molecular engineering
在生物學(xué)體系中,糖基轉(zhuǎn)移酶(GTs)和糖苷酶負(fù)責(zé)合成和降解碳水化合物,糖苷酶以保持或倒轉(zhuǎn)構(gòu)型的形式水解糖苷鍵,其機(jī)理已被廣泛研究和總結(jié)。倒置型糖苷酶經(jīng)過(guò)酸堿催化引導(dǎo)取代反應(yīng)進(jìn)行(圖1a),而保持型糖苷酶則通過(guò)一個(gè)雙取代機(jī)制,即一個(gè)活潑位親核試劑進(jìn)攻反面中心生成一個(gè)共價(jià)的糖基-酶中間產(chǎn)物,然后通過(guò)酸堿催化方式進(jìn)行水解(圖1b)。倒置型GTs遵循類似于倒置型糖苷酶的反應(yīng)機(jī)制(圖1a),而保持型GTs尚缺乏嚴(yán)格的雙取代機(jī)制證據(jù),因此提出了類似 SNⅰ的反應(yīng)機(jī)制[1]。按排列順序相似性分類,糖苷酶大約有100種,相應(yīng)的GTs約為80種。糖苷酶已被發(fā)現(xiàn)采用超結(jié)構(gòu)折疊,與之形成鮮明對(duì)比的是,大部分GTs只有兩個(gè)結(jié)構(gòu)折疊,即折疊A和折疊B。
糖苷酶和GTs對(duì)體外碳水化合物的分解十分有用,但由于它們的排列順序、折疊結(jié)構(gòu)和底物特異性存在較大的差異,一些與特異性催化劑相對(duì)應(yīng)的糖苷連接還不清楚。本文主要闡述目前糖苷酶和糖基轉(zhuǎn)移酶工程的研究進(jìn)展。
由于環(huán)境友好、綠色環(huán)保及通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)容易獲得高產(chǎn)量,酶在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來(lái)越廣泛[2]。糖苷酶就是當(dāng)前研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域,主要研究包括利用纖維素酶和木聚糖酶將由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(一種由大量酚殘基縮合而成的聚合物)組成的纖維素質(zhì)轉(zhuǎn)化成合適的生物燃料,已有相關(guān)研究報(bào)道該領(lǐng)域內(nèi)最新進(jìn)展情況[3]。
隨機(jī)突變和定向進(jìn)化方法已用于培養(yǎng)突變的工業(yè)應(yīng)用酶。一種通過(guò)隨機(jī)突變徹底地進(jìn)化酶的方法已經(jīng)應(yīng)用于增強(qiáng)木聚糖酶的耐熱性[4],這種被稱為基因位點(diǎn)飽和突變(GSSM)的方法能支配蛋白質(zhì)中189個(gè)氨基酸殘基中的任何一個(gè)氨基酸殘基發(fā)生飽和突變,從而產(chǎn)生一個(gè)改進(jìn)的突變酶庫(kù),其中每種酶只有一個(gè)單一部位發(fā)生改變,然后以耐熱性為指標(biāo)篩選這一變異酶,結(jié)果證明改變9種單氨基酸有助于提高耐熱性,再將這9種簡(jiǎn)單替代物組合產(chǎn)生512種可能的變異體。
圖1 改進(jìn)后用于糖苷合成的糖苷酶類型
糖苷酶作為一種通過(guò)轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)合成糖苷的有用工具,在制備各種各樣的多糖結(jié)構(gòu)中有大量成功的應(yīng)用。糖苷酶在合成方面的效用也同樣可與各種工程學(xué)方法相得益彰。最近有報(bào)道稱通過(guò)改變嗜高溫古細(xì)菌(Sulfolobus solfataricus)β-糖苷酶中兩個(gè)與識(shí)別底物有關(guān)的關(guān)鍵殘基,并對(duì)其進(jìn)行合理地修飾,該修飾酶在轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)中可作用于更廣范圍的底物[5]。定向進(jìn)化技術(shù)能夠更有效地增強(qiáng)轉(zhuǎn)糖苷酶的活性。通過(guò)隨機(jī)突變和體外再結(jié)合實(shí)驗(yàn),Dion等[6]能夠減小嗜熱棲熱菌(Thermus thermophilus)β-糖苷酶水解活性,同時(shí)充分增大轉(zhuǎn)糖苷酶活性,從而使β-1,3糖苷鍵連接的產(chǎn)物產(chǎn)量大大高于傳統(tǒng)通過(guò)糖苷酶催化的轉(zhuǎn)糖苷反應(yīng)的產(chǎn)物產(chǎn)量。
雖然糖苷酶被證實(shí)在糖苷合成中具有極其重要作用,但這些酶的使用受兩個(gè)關(guān)鍵因素的制約,即熱力學(xué)逆方向上反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)酶的抑制作用。在上世紀(jì)90年代末,引進(jìn)了一類新的可以只催化合成而不水解糖苷鍵的糖苷酶變異體,因此可以在合成方向上驅(qū)使反應(yīng)的進(jìn)行。這些學(xué)名為“糖苷合成酶”的糖苷酶變異體,能夠與另一種具有同樣效果的酶一起取代親核基團(tuán)而抑制水解。當(dāng)在自然底物中加入構(gòu)型相反的糖基氟化物底物時(shí),該酶通常能將這種活性糖基供體轉(zhuǎn)移給合適的受體,其原理如圖1c所示。
以此為基礎(chǔ),一系列其他的糖苷合成酶迅速被研制出來(lái)。一個(gè)顯著的例子就是最近從嗜熱β-糖苷酶衍化得到一種糖苷合成酶,它能在一些抗原和植物信號(hào)分子中高效地連接 β-1,3糖苷鍵[7]。另外從海棲熱袍菌(Thermotoga maritima)β-葡萄糖酸苷酶衍化得到的能夠連接β-鍵葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸的糖苷合成酶也受到關(guān)注[8],這些β-鍵葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸存在于植物、細(xì)菌細(xì)胞壁以及包含有肝素鈉,硫酸乙酰肝素,硫酸軟骨素,透明質(zhì)酸的哺乳動(dòng)物的糖胺聚糖等大量重要的生物分子中。
一直以來(lái),所有的這些酶都是從β-保持型糖苷酶衍化得到的。直到Honda和Kitaoka[9]首次成功從倒置型酶衍化得到了糖苷合成酶,這種倒置型酶由嗜堿耐高溫枯草桿菌(Bacillus halodurans)的還原端木糖釋放外低聚木糖酶。天冬酰氨殘基作為酶觸反應(yīng)的接觸部位,對(duì)其進(jìn)行單位點(diǎn)飽和突變,結(jié)果產(chǎn)生9種氨基酸替代產(chǎn)物,它們賦予糖苷合成酶以活性。在這些修飾后的能夠催化糖苷合成反應(yīng)的酶中,用半胱氨酸替代后一類酶催化得到的轉(zhuǎn)糖基化產(chǎn)物產(chǎn)量最高。
目前的工作還旨在通過(guò)對(duì)糖苷合成酶的化學(xué)修飾來(lái)提高糖苷的產(chǎn)量,如鞘糖脂,一類有治療效果但極難用化學(xué)或酶法大規(guī)模獲得的復(fù)合物。對(duì)大規(guī)模獲得的需求促成了從紅球菌(Rhodococcus sp.)內(nèi)的糖神經(jīng)酰胺酶Ⅱ,一種從β-內(nèi)糖苷酶衍化得到能夠切斷多糖以及鞘糖脂中脂質(zhì)部分糖苷鍵的糖苷合成酶的設(shè)想[10]。在這種酶的非酶催化部位取代以親核基團(tuán)替代物,這樣改變后的酶能夠與一系列低聚糖氟化物一起濃縮鞘脂類物質(zhì),產(chǎn)生一些溶原性鞘糖脂,包括 GM1和 GM3神經(jīng)節(jié)苷脂,其產(chǎn)率達(dá)95%[11]。
定向進(jìn)化方法在改進(jìn)與改變糖苷合成酶的酶觸活性方面取得顯著成效。使用體內(nèi)板式篩選關(guān)聯(lián)隨機(jī)突變能改進(jìn)酶觸活性以及擴(kuò)大Agrobacterium糖苷合成酶的底物范圍[12]。通過(guò)連續(xù)兩次親核基團(tuán)飽和突變,使酶的催化活性分別提高50%和27%,從而使糖苷合成酶合成多糖的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與天然酶水解多糖的動(dòng)力學(xué)參數(shù)相接近。這種改進(jìn)后的糖苷合成酶還能有效地將α-木糖氟化物作為糖基供體。進(jìn)一步對(duì)木糖基部分轉(zhuǎn)移能力的探究發(fā)現(xiàn),當(dāng)含芳香基的木糖苷作為受體,木糖氟化物作為供體時(shí),轉(zhuǎn)移后形成芳香基糖是以3-位而不是4-位的形式存在的[13]。而用芳香基木糖二苷作為受體時(shí),轉(zhuǎn)移發(fā)生在4-羥基上,這說(shuō)明單糖和二糖限制了糖苷合成酶不同方位上的活性位點(diǎn)。
關(guān)于糖苷合成酶活性定向進(jìn)化方法的選擇,Cornish[14]已進(jìn)行報(bào)道。他們運(yùn)用“化學(xué)互補(bǔ)”法,在酵母體內(nèi)進(jìn)行三代雜交實(shí)驗(yàn),選擇能提高活性的特異腐質(zhì)霉(Humicola insolens)Cel7B糖苷合成酶。這種方法涉及糖基氟化物供體和糖基受體的化學(xué)結(jié)合,且分別有氨甲葉酸和地塞米松參與。在缺乏亮氨酸環(huán)境下,某個(gè)基因(這里指LEU2,需要足夠的亮氨酸)受啟動(dòng)子控制,需要轉(zhuǎn)錄酶(包括活性部位和DNA結(jié)合部位)。活性部位和DNA結(jié)合部位分別與糖皮質(zhì)激素受體和二氫葉酸還原酶發(fā)生結(jié)合。在活化的糖苷合成酶存在下,糖基供體和受體結(jié)合,從而使氨甲葉酸和地塞米松通過(guò)糖苷鍵實(shí)現(xiàn)化學(xué)連接。糖皮質(zhì)激素受體和二氫葉酸還原酶與上述配體相互作用影響轉(zhuǎn)錄酶的重構(gòu),使Leu2基因得以表達(dá)。通過(guò)這個(gè)方法,Cel7B糖苷合成酶活性可以提高到原來(lái)的5倍。
最近報(bào)道一類可以有效催化連接硫代糖苷鍵的新的糖苷酶變異體。這些硫代糖苷酶由無(wú)催化活性殘基的順式糖苷酶與酸性催化殘基置換得到。當(dāng)激活的芳香糖苷作為糖基供體時(shí),糖基酶中間體仍舊形成,不需要底物催化的硫醇受體與這個(gè)中間體有效作用產(chǎn)生硫代糖(圖1d)。此外,硫代糖苷連接的抗糖苷酶斷裂能力防止了修改后的糖苷酶由于存在剩余的水解活性而減少產(chǎn)物的得率。在酸性底物環(huán)境下,Abg飽和位點(diǎn)突變顯示:以谷氨酸代替天然谷氨酸鹽殘基,增強(qiáng)了硫代糖苷連接酶的活性,相對(duì)于原始丙氨酸突變體,整體催化能力是其5倍[15]。其他的一些硫代糖苷連接酶源自各種不同的酶,如上文討論的海棲熱袍菌(T.maritima)β-葡萄糖苷酸酶和糞堿纖維單胞菌(C.fimi)β-甘露糖苷酶。硫代糖苷合成酶與雙突變酶的出現(xiàn),使這一技術(shù)得到進(jìn)一步拓展。這些改進(jìn)后的酶能夠催化激活的糖基氟化物供體糖與親核的硫糖使這兩種活化糖濃縮,本質(zhì)上是在高效進(jìn)攻性復(fù)合體中形成一個(gè)適應(yīng)于被作用官能團(tuán)的構(gòu)架(圖1e)。
作為用來(lái)連接糖苷鍵的天然酶GTs,并由此而來(lái)的具有擴(kuò)展的或必需的底物特異性工程GTs,以合成非天然連接或合并非天然單糖的方式,在合成新型非天然存在以及生物學(xué)相關(guān)的糖結(jié)構(gòu)方面有著極大的潛力。通過(guò)合理設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化產(chǎn)生的異激酶或核苷酸轉(zhuǎn)移酶能夠處理不同種類D-或L-己糖及經(jīng)過(guò)一定程度修飾的糖,克服了合成必要的非天然核糖苷的困難。在這一領(lǐng)域,存在兩種方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)GTs合成糖類,第一種,雜交GTs可以催化需要的非天然糖轉(zhuǎn)移;第二種用蛋白質(zhì)工程途徑修改GT前體的底物特異性以適應(yīng)非天然底物的要求。
至今,GTfA工程主要集中于供體特性研究,而受體結(jié)合位點(diǎn)的形成只取決于供體結(jié)合,其可能結(jié)果是使假定突變位點(diǎn)的驗(yàn)晶分析變得復(fù)雜。應(yīng)用蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中100多種GTfA的X射線晶體結(jié)構(gòu),基于結(jié)構(gòu)的合理重新設(shè)計(jì)變得可行。將UDP-Glc計(jì)算模擬成人體β-1,3-葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶Ⅰ的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示序列中一個(gè)單殘基對(duì)葡萄糖醛酸(Glca)的識(shí)別至關(guān)重要。突變這個(gè)殘基(H308R),產(chǎn)生了一種底物特異性較低的酶,它能夠以相對(duì)原始種 UDP-GlcA活性的13%~42%利用 UDP-Glc、UDP-甘露糖及 UDP-GlcNAc 等供體糖元[16]。底物特異性工程也指導(dǎo)梭菌細(xì)胞毒素合成[17]。
很早以前就已發(fā)現(xiàn),負(fù)責(zé)合成人體血型抗原A和B的GTs(α-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶和α-1,3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶)只有四個(gè)氨基酸是不同的(R/G176,G/S235,L/M226 和 G/A268),因此取代以上兩種酶的這四個(gè)殘基,可轉(zhuǎn)變它們的GT活性[18]。隨后,這些殘基對(duì)酶特異性的影響被應(yīng)用于突變形成一種復(fù)雜的化合物,以及用于動(dòng)力學(xué)和結(jié)晶分析。最近,突變稀有順式-AB等位基因形成的α-1,3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶變異體(P234S)被證實(shí)能同時(shí)產(chǎn)生血型抗原A和B。實(shí)驗(yàn)顯示,P234S突變重組體具有從UDP-Gal到UDP-GalNAc完全相反的供體特異性,雖然四種“關(guān)鍵”氨基酸與B-抗原特異性的結(jié)合機(jī)理還未清楚[19]。X-射線驗(yàn)晶分析顯示,P324S突變體導(dǎo)致M266構(gòu)造發(fā)生改變,為GalNAc 2-N-乙?;鶊F(tuán)留出更多空間。這些血型抗原合成GTs的工程學(xué)例子說(shuō)明相似的酶特異性可以通過(guò)許多誘變改變殘基來(lái)獲得,這一突破具有革命性的意義,同時(shí)也推動(dòng)蛋白質(zhì)工程的發(fā)展。
GTs工程不僅僅限制在點(diǎn)位突變。通過(guò)對(duì)不同幽門螺桿菌菌株的功能區(qū)轉(zhuǎn)換,嘗試對(duì)α-1,3/4-巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶區(qū)位選擇性有更深入的了解。12種巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶嵌合體已合成,其中347-353殘基被證實(shí)為消除或賦予 α-1,4活性的關(guān)鍵區(qū)域[20]。
活性敲出技術(shù)(Activity knock-out)是另一種工程手段,已用于從巴斯德桿菌(Pasteurella multocida)得到透明質(zhì)酸合成酶、在固相上合成的粘多糖。透明質(zhì)酸合成酶是一種天然的雙功能酶,擁有β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶和 β-1,4-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶活性的兩個(gè)催化結(jié)合部位。通過(guò)核苷連接突變,使其中一個(gè)部位失去活性而形成單功能GTs,它可被固定化,用于交替生產(chǎn)單分散結(jié)構(gòu)的粘多糖。應(yīng)用一種從腦膜炎奈瑟菌(Neisseria meningitidis)得到的α-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶參與的工程手段,嘗試捕獲一種反應(yīng)中間體,并以此解釋非倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移酶的一般作用機(jī)制[21]。突變Gln189,一個(gè)晶體圖顯示能在底物反面中心受親核試劑攻擊下迅速平衡的殘基,形成更加親核的谷氨酸殘基,確實(shí)能捕獲一類共價(jià)的糖基酶類。這類共價(jià)體被翻轉(zhuǎn),其kcat值與變異體相似。與GTfA相比,GTfB在工程中應(yīng)用例子很少,這是由于GTfB的晶體分析更少,因此合理的工程嘗試主要還是基于同源序列。然而,GTfBs可作為GT工程的原型,因?yàn)樗鼈兓瘜W(xué)上具有讓各種非糖受體糖基化的自然傾向。一個(gè)典型的GTfB工程例子,即參與烏達(dá)霉素生物合成的GTs經(jīng)過(guò)底物特異性突變,產(chǎn)生可在烏達(dá)霉素G與D-橄欖糖的C4-羥基基團(tuán)之間生成新型 β-1,4鍵連接的酶[22]。最近,通過(guò)相似序列證明,GTfB的一個(gè)單獨(dú)殘基(對(duì)應(yīng)于GlcT中的Q382,GalT中的 H374)在 GlcTs和 GalTs之間能賦予受體不同特異性。從當(dāng)歸中得到UDP-半乳糖:花青素3-O-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的H374Q突變體,能使UDP-Glc連接效率提高40倍,但幾乎不改變Vmax,同時(shí)保留了自身的GalT活性;然而,從黃芩中得到的UDP-Glc:類黃酮7-O-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的Q382H突變體沒(méi)有引入GalT活性,并且削弱了TlcT活性[23]。
以上討論的單氨基酸突變GTs已被有效地用于改變供體的底物特異性。即使到目前為止,在酶工程領(lǐng)域人們還沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí)能完全預(yù)測(cè)此類影響,通過(guò)定向進(jìn)化實(shí)驗(yàn),采用類似于轉(zhuǎn)氨酶定向進(jìn)化中防止混雜的方法可選擇、利用或防止酶的混雜。由于GT結(jié)構(gòu)的剛性,已有人提出對(duì)GTs的操縱可能要比先前想象的要簡(jiǎn)單[24]。至今,GT定向進(jìn)化還沒(méi)有任何應(yīng)用實(shí)例,但很有可能會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。
本文主要報(bào)道改變序列的糖苷酶與GTs工程的進(jìn)展,在引入糖處理酶的細(xì)胞工程領(lǐng)域還存在一些有趣的例子,這些例子同時(shí)也展示了糖酶挑戰(zhàn)大規(guī)模合成寡糖結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)越的生物合成能力。這些糖基化反應(yīng)作用于整個(gè)細(xì)胞,過(guò)度表達(dá)能編譯合適糖苷酶、GTs以及核糖核苷的基因。工程大腸桿菌已用于神經(jīng)節(jié)苷脂GM3、GM2[25]、GD3[26]和GM1
[27]的寡糖部分,Lewis x抗原決定部位以及血型H-抗原的合成[28]。在嘗試將甲醇畢赤酵母(Pichia pastoris)糖基化途徑變化人性化的研究中,這一工作獲得更大進(jìn)展[29]。為了采用同源復(fù)合糖基化方法獲得糖蛋白,將各種GT催化結(jié)合部位與頭序列熔合得到新的GTs,根據(jù)活性與在酵母細(xì)胞中的正確定位進(jìn)行篩選,并推出內(nèi)源酵母高甘露糖型N-多糖的糖基化途徑。從豬體內(nèi)得到α-1,3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行點(diǎn)位突變,這種突變體是合成 Galα-1,3-Gal抗原決定部位所缺乏的,普遍被認(rèn)為是造成豬到靈長(zhǎng)類動(dòng)物異種移植超急性排斥反應(yīng)的原因[30]。
對(duì)糖苷有效合成途徑的探索促進(jìn)了糖苷酶與GTs工程的研究出現(xiàn)重大進(jìn)展。糖苷酶工程通過(guò)改變它們的底物特異性及物理特性,或使用已有的結(jié)構(gòu)信息資源進(jìn)行合理設(shè)計(jì),或結(jié)合先進(jìn)的新型篩選手段,使用定向進(jìn)化策略,從而設(shè)計(jì)出具有新型作用性能的糖酶。雖然合理的GT工程嘗試還相當(dāng)簡(jiǎn)單,但是通過(guò)引入GT和糖苷酶基因來(lái)重構(gòu)哺乳動(dòng)物、真核及原核細(xì)胞已獲得極大成功,形成有效的“糖基化工廠”。為更深入地了解糖苷酶發(fā)酵機(jī)制而投入的大量研究資金已獲得回報(bào)并具備了工程化改造該酶的能力,而這一課題期望同樣能用于GTs。
[1]Persson K,Ly HD,Dieckelmann M,et al.Crystal structure of the retaining galactosyltransferase LgtC from Neisseria meningitidis in complex with donor and acceptorsugar analogues[J].Nat Struct Biol,2001,8(1):166-175.
[2]Panke S,Wubbolts M.Advances in biocatalytic synthesis of pharmaceutical intermediates[J].Curr Opin Chem Biol,2005,9(2):188-194.
[3]Lynd LR,Van Zyl WH,McBride JE,et al.Consolidated bioprocessing of cellulosidic biomass:an update[J].Curr Opin Biotechnol,2005,16(5):577-583.
[4]Palackal N,Brennan Y,Callen WN,et al.An evolutionary route to xylanase process fitness[J].Protein Sci,2004,13(2):494-503.
[5]Hancock SM,Corbett K,F(xiàn)ordham - Skelton AP,et al.Developing promiscuous glycosidases for glycoside synthesis:residues W433 and E432 in Sulfolobus solfataricus β-glycosidase are important glucoside and galactoside specificity determinants[J].Chem Bio Chem,2005,6(5):866-875.
[6]Feng HY,Drone J,Hoffmann L,et al.Converting a β -glycosidase into a β-transglycosidase by directed evolution[J].J Biol Chem,2005,280(44):37088-37097.
[7]Drone J,F(xiàn)eng HY,Tellier C,et al.Thermus thermophilus glycosynthases for the efficient synthesis of galactosyl and glucosyl β-1,3-glycosides[J].Eur J Org Chem,2005(10):1977-1983.
[8]Whitelock JM,Iozzo RV.Heparan sulfate:a complex polymer charged with biological activity[J].Chem Rev,2005,105(7):2745-2764.
[9]Honda Y,Kitaoka M.The first glycosynthase derived from an inverting glycoside hydrolase[J].J Biol Chem,2006,281(3):1426-1431.
[10]Ito M,Yamagata T.A novel glycosphingolipid-degrading enzyme cleaves the linkage between the oligosaccharide and ceramide in neutral and acidic glycosphingolipids[J].J Biol Chem,1986,261(30):14278-14282.
[11]Vaughan MD,Johnson K,DeFrees S,et al.Glycosynthasemediated synthesis of glycosphingolipids[J].J Am Chem Soc,2006,128(19):6300-6301.
[12]Kim YW,Lee SS,Warren RA,et al.Directed evolution of a glycosynthase from Agrobacterium sp.increases its catalytic activity dramatically and expands its substrate repertoire[J].J Biol Chem,2004,279(41):42787-42793.
[13]Kim YW,Chen H,Withers SG.Enzymatic transglycosylation of xylose using a glycosynthase[J].Carbohydr Res,2005,340(18):2735-2741.
[14]Lin H,Tao H,Cornish VW.Directed evolution of a glycosynthase via chemical complementation[J].J Am Chem Soc,2004,126(46):15051-15059.
[15]Mullegger J,Jahn M,Chen HM,et al.Engineering of a thioglycoligase:randomized mutagenesis of the acid-base residue leads to the identification of improved catalysts[J].Protein Eng Des Sel,2005,18(1):33-40.
[16]Ouzzine M,Gulberti S,Levoin N,et al.The donor substrate specificity of the human β-1,3-glucuronosyltransferase I toward UDP-glucuronic acid is determined by two crucial histidine and arginine residues[J].J Biol Chem,2002,277(28):25439-25445.
[17]Jank T,Reinert DJ,Giesemann T,et al.Change of the donor substrate specificity of Clostridium difficile toxin B by sitedirected mutagenesis[J].J Biol Chem,2005,280(45):37833-37838.
[18]Yamamoto F,Clausen H,White T,et al.Molecular genetic-basis of the histo-blood group ABO system[J].Nature,1990,345(6272):229-233.
[19]Marcus SL,Polakowski R,Seto NOL,et al.A single point mutation reverses the donor specificity of human blood group B-synthesizing galactosyltransferase[J].J Biol Chem,2003,278(14):12403-12405.
[20]Ma B,Lau LH,Palcic MM,et al.A single aromatic amino acid at the carboxyl terminusof Helicobacter pylori a-1,3/4-fucosyltransferase determines substrate specificity[J].J Biol Chem,2005,280(44):36848-36856.
[21]Lairson LL,Chiu CPC,Ly HD,et al.Intermediate trapping on a mutant retaining a-galactosyltransferase identifies an unexpected aspartate residue[J].J Biol Chem,2004,279(27):28339-28344.
[22]Hoffmeister D,Wilkinson B,F(xiàn)oster G,et al.Engineered urdamycin glycosyltransferases are broadened and altered in substrate specificity[J].Chem Biol,2002,9(3):287-295.
[23]Kubo A,Arai Y,Nagashima S,et al.Alteration of sugar donor specificities of plant glycosyltransferases by a single point mutation[J].Arch Biochem Biophys,2004,429(2):198-203.
[24]Hu Y,Walker S.Remarkable structural similarities between diverse glycosyltransferases[J].Chem Biol,2002,9(12):1287-1296.
[25]Love KR,Swoboda JG,Noren CJ,etal.Enabling glycosyltransferase evolution:a facile substrate-attachment strategy for phage-display enzyme evolution[J].Chem Bio Chem,2006,7(5):753-756.
[26]Antoine T,Heyraud A,Bosso C,et al.Highly efficient biosynthesis of the oligosaccharide moiety of the GD3 ganglioside by using metabolically engineered Escherichia coli[J].Angew Chem Int Ed Engl,2005,117(9):1374-1376.
[27]Antoine T,Priem B,Heyraud A,et al.Large-scale in vivo synthesis of the carbohydrate moieties of gangliosides GM1and GM2by metabolically engineered Escherichia coli[J].Chem Bio Chem,2003,4(5):406-412.
[28]Dumon C,Bosso C,Utille JP,et al.Production of Lewis x tetrasaccharides by metabolically engineered Escherichia coli[J].Chem Bio Chem,2006,7(5):359-365.
[29]Bobrowicz P,Davidson RC,Li H,et al.Engineering of an artificial glycosylation pathway blocked in core oligosaccharide assembly in the yeast Pichia pastoris:production of complex humanized glycoproteins with terminal galactose[J].Glycobiology,2004,14(9):757-766.
[30]Phelps CJ,Koike C,Vaught TD,et al.Production of a-1,3-galactosyltransferase-deficient pigs[J].Science,2003,299(5605):411-414.
Reseach on the engineering of glycosidases and glycosyltransferases
LIU Jing,CHEN Qi-h(huán)e*,ZHANG Hai-feng,F(xiàn)U Ming-liang,HE Guo-qing
(Department of Food Science and Nutrition,Zhejiang University,Hangzhou 310029,China)
Q814
A
1002-0306(2010)08-0386-05
2009-06-03 *通訊聯(lián)系人
劉婧(1986-),女,碩士研究生,研究方向:食品微生物。
國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(20806069);浙江省科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(2009C32098)。