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细菌几丁质酶的结构与功能研究进展

江苏农业科学2012年第4o卷第4期 

钟万芳,丁少军.细菌几丁质酶的结构与功能研究进展[J].江苏农业科学,2012,40(4):1—3 

细菌几丁质酶的结构与功能研究进展 

钟万芳 ,丁少军 

(1.南京林业大学,江苏南京210037;2.江苏省农业科学院植物保护研究所,江苏南京210014) 

摘要:细菌几丁质酶因其潜在的应用价值而越来越受关注。细菌几丁质酶属于糖苷水解酶家族的18、19家族。 

典型的细菌几丁质酶包括将成熟几丁质酶分泌到胞外的信号肽、起催化作用的催化区、特异性结合氨基葡萄糖及几丁 

质的几丁质结合区以及一个功能尚不清楚的短的c端区域。本文重点介绍了细菌几丁质酶的结构域及其功能。 

关键词:细菌;几丁质酶;结构域 

中图分类号:Q939.105 文献标志码:A 文章编号:1002—1302(2012)04—0001—02 

几丁质(c ̄tin)是真菌细胞壁的重要成分,与真菌细胞的 

发生和维持以及分隔的形成有关,几丁质对真菌生长及其功 

能具有重要意义。因此可以利用几丁质酶降解真菌细胞壁中 

的几丁质,从而抑制甚至杀死病原真菌…。几丁质也是昆虫 

体壁、内外表皮、呼吸道、肠腔等组织的主要成分,昆虫生长发 

育的各个时期都需要一定量几丁质。几丁质代谢随昆虫的不 

同生长发育阶段而变化,并保持相对稳定,这对昆虫正常生长 

发育至关重要。高等植物和高等动物体内则不含几丁质,几 

丁质酶对高等动物、植物没有直接毒性,因此选择几丁质酶来 破坏昆虫几丁质结构或几丁质代谢平衡,对于协同防治虫害 

具有极大的发展潜力 。 。自20世纪80年代以来,已经从 

动物、植物、微生物中克隆获得了几丁质酶基因。根据氨基酸 

序列的同源性,糖苷水解酶可分为58个家族 ,根据该分类 

方法几丁质酶属于18和19家族。18家族存在于大多数细 

菌、真菌、病毒、线虫、昆虫、节肢动物、哺乳动物和一些植物 中 J,19家族主要存在于植物和少数革兰氏阳性细菌中。细 

菌几丁质酶由于潜在的商业用途颇受关注。目前,借助x射 

线晶体衍射技术和NMR技术,黏质沙雷氏菌(Serrat/a iT ̄rce8一 

cerl ̄)60 ku的几丁质酶A 和环状芽孢杆菌(Bac/// circu— 

lans)WL一12株6o ku的几丁质酶A 的三维结构都已被解 

析。本文重点介绍了细菌几丁质酶的结构域及其功能,旨在 

为阐明其作用机理提供参考。 

1细菌几丁质酶的结构域与功能 

大多数细菌几丁质酶前体都具有相似的结构域,从N端 

到C端依次为信号肽(signal peptide)、催化域(catalytic do— 

main)、几丁质结合域(chitin binding domain)及一个短的C端 

区域。 

收稿日期:2011—10—08 

基金项目:国家自然科学基金(编号:30500341);江苏省自然科学基 金(编号:BK2011678);江苏省农业科技自主创新资金[编号:CX (09)615]。 作者简介:钟万芳(1978一),男,福建上杭人,博士研究生,助理研究 

员,主要从事微生物农药研究。Tel:(025)84390891;E—mail: 

wfzhong88@yahoo.corn.crl。 通信作者:丁少军,男,博士,教授,博士生导师,主要从事生物技术研 

究。E—mail:dshaojun@njfu.edu.cn。 1.1信号肽 

由于大多数细菌几丁质酶为胞外酶,因此都具有信号肽 

序列,信号肽的剪切位点常位于2个Ala残基之间。几丁质 

酶不同,其信号肽的长度及剪切位点也各不相同,但同源性较 

高的几丁质酶信号肽的相似性也较高,如黏质沙雷氏菌、豚鼠 

气单胞菌Aeromonaz caviae)、肠杆菌(Enterobacter sp.)G一1 

株的几丁质酶信号肽序列完全相同。有些细菌几丁质酶基因 

在另一种细菌中表达时,信号肽剪切位点会发生改变,如环状 

芽孢杆菌WL一12几丁质酶A的信号肽剪切位点在Ala4。一 

Ala4 之间,而在大肠杆菌中表达时却在A :一Leu,,之间 。 

信号肽剪切位点发生改变可能是因为不同细菌在翻译后加 

工、修饰及蛋白的输出机制不同所引起的。值得关注的是, 

Streptomyces plicatus的几丁质酶基因在自身宿主中表达时可分 

泌到胞外,但在大肠杆菌中表达时却留在大肠杆菌细胞内 。 

1.2催化域 

催化域是几丁质酶催化几丁质水解的关键区域,同源性 

较高,都含有2个高度保守的区段。其中Glu和Asp残基高 

度保守,可能是在降解几丁质时直接与几丁质糖苷键作用的 

残基。须要指出的是,催化域的同源性与菌株的亲缘远近没 

有关联,如气单胞菌Aeromonas sp.No.10S一24菌株的几丁质 酶Chil、Chi2、Chi3催化域的相似性并不高 】。催化域的 

保守氨基酸残基差异决定了该酶属于糖苷水解酶18或l9家 

族,目前除链霉菌属、气单胞菌No.10S一24菌株、伯克霍尔 

德氏菌等少数细菌的几丁质酶属于19家族外,其他都属于 

18家族。 

有些细菌几丁质酶含有多个催化域,如Microbulbifer 

degradans 2—40几丁质酶B含有2个催化域,其中N端催化 

域降解几丁二糖衍生物4 一methylumbelliferyl—N,N 一diace. 

tylchitobiose的速率是C端催化域的13.6倍,而C端催化域 

降解几丁三糖衍生物4 一methylumbelliferyl—N,N ,N 一tri. 

acetylchitotriose的速率是N端催化域的2.7倍。进一步研究 

发现,N端催化域和c端催化域分别表现外切几丁质酶、内切 

几丁质酶活性 。 

1.3几丁质结合域 

根据几丁质结合域三维结构的不同,可以分成I、Ⅱ和Ⅲ 

型。真菌和植物的几丁质结合域属于I型;病毒和昆虫的几 

丁质结合域属于Ⅱ型;细菌的几丁质结合域属于Ⅲ型。目前 一2一 江苏农业科学2012年第40卷第4期 

还不清楚这3种类型的结合域在功能上是否存在差异。 

在许多细菌几丁质酶的几丁质结合域中,芳香族氨基酸 

Tyr和Trp高度保守,该结构域与纤维素酶、蛋白酶的序列也 

存在相似性。几丁质酶通过不同折叠,将结合域中的芳香族 

氨基酸暴露在分子表面,通过其实现与几丁质的结合。突变 

试验证明了这一点,如Hardt等突变Bacillus circulans ChiA1 

几丁质结合域中的芳香族氨基酸Trp687后,基本消除了其与 

几丁质的结合能力 。 

与纤维素酶的纤维素结合域相似,几丁质酶的几丁质结 

合域主要负责与几丁质结合,使催化域更好地发挥水解作用。 

如Svitil等发现,V/br/o horv ̄几丁质酶ChiA的几丁质结合域 

缺失后,丧失了结合到晶体几丁质的能力,虽然该几丁质酶仍 

然能降解晶体几丁质,但是降解能力较野生型几丁质酶有所 

下降” 。K@ma等发现缺失了几丁质结合域的Aeromonas 

sp.No.10S一24几丁质酶对胶体几丁质和晶体几丁质的水解 

活性分别下降了30%和65%_I 。在含有多个结构域的细菌 

菌株中也发现类似结果,如嗜水气单孢菌(Aeromonas - 

drophila)JP101几丁质酶92有2个重复的几丁质结合域,在 

其都存在的情况下,几丁质酶对粉末几丁质和胶体几丁质的 

结合能力分别是单个几丁质结合域的l2倍和1O倍 。几 

丁质结合域可能还有其他作用,如Svitil等发现,缺失了几丁 

质结合域的 n叫几丁质酶ChiA水解胶体几丁质的能力 

下降了5倍,而且降解产物也由N一乙酰氨基葡萄糖单体变 

为多聚体,增加了几丁质酶的内切活性 。 

一些纤维索结合域除能结合纤维索分子外,还能结合几 

丁质分子,一些几丁质结合域也能结合纤维素分子 。但是 

许多几丁质结合域仍保留了结合特异性,如B.circulans的几 丁质酶ChiA1只能结合几丁质,不能结合纤维素 。Shen等 

推测芳香族氨基酸或其他氨基酸的空间位置决定了这种特异 

性 ,但是该推测还有待进一步证明。 

1.4 C端区域 

目前几丁质酶C端序列的作用尚不清楚,Tsujibo等认为 

假单胞菌属(Aheronomas sp.)0—7菌株几丁质酶的c端序列 

由20个氨基酸形成一个疏水核,在酶蛋白通过细胞膜时,此 疏水核起重要作用 J。 

并非所有细菌几丁质酶都含有上述结构域,如多数肠杆 

菌(Enterobacter sp.)不含几丁质结合域,而Bacillus cereus 

NCTU2几丁质酶ChiNCTU2则只有催化域 。除上述结构 

外,一些细菌几丁质酶还含有其他功能区域,如环状芽孢杆菌 

WL一12几丁质酶ChiA1、ChiD,苏云金芽胞杆菌几丁质酶 

ChiA71、ChiA74、Ichi、Kchi、Schi等都含有黏蛋白Ⅲ型同源区 

(fibmnectin typeⅢlike domain) J。 

2细菌几丁质酶的三维结构 

利用x射线晶体衍射技术和NMR技术,黏质沙雷氏菌 

6O ku几丁质酶A 和环状芽孢杆菌60 ku几丁质酶A 的 

三维结构已被解析。其三维结构相似,都是由8条 螺旋和 

8条卢折叠形成的( +卢)8圆桶形结构,中心是由平行的卢 

折叠结构组成的内桶,依次为卢1~卢8,并由 螺旋结构将其 

逐个连接起来,在a螺旋和 折叠之间有一段无规则卷曲连 

接,从而在桶状结构表面形成了一个底物结合部位。除了形 成桶状结构外,还有一个Ⅳ端口折叠丰富的结构域(几丁质 

结合域)和一个小的ot+ 结构域,其功能尚不清楚。其他18 

家族几丁质酶也具有相同的桶状结构,因此具有相同功能。 

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