Ｌ生Ｅ啊　ＲＳ　ＩＮ技ＢＩＯＴ术ＥＣＨＮ通ＯＬＯＧ讯Ｙ　…Ｖｏ１．１一／一－Ｎｏ．３·Ｍ…ａｙ，２ＵＯ—Ｏ，　ＴｒＥ　·ｌ　·ｊ　４３９　

文章编号：１００９—０００２（２００６）０３－０４３９－０４　

微生物几丁质酶研究进展　

王治伟，刘志敏　

军事医学科学院生物工程研究所，北京１０００７１　综　述　

［摘要］　微生物几丁质酶不仅在生物降解几丁质方面起着重要作用，而且可通过水解病原真菌的细胞壁而有效地抑制其　

生长。到目前为止，人们已经分离和克隆出了大量的微生物几丁质酶及其基因。尽管这些几丁质酶各不相同，但它们却具有　

类同的蛋白质结构域：信号肽、催化结构域和几丁质结合结构域等。本文着重介绍几丁质酶的结构和分子特征、表达和调控　

机理，并且分析了该酶的应用前景。　

［关ｔ词］几丁质酶；结构域；降解　

［中圈分类号］Ｑ５５６．９；Ｑ７１　［文献标识码］Ａ　

Ａｄｖａｎｃｅ　ｉｎ　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｈｉｔｉｎａｓｅ　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　Ｍｉｃｒｏｂｅｓ　

ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ—－ｗｅｉ，ＬＩＵ　Ｚｈｉ－ｍｉｎ　

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７１，Ｃｈｉｎａ　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｈｉｔｉｎａｓｅｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｅｓ　ｐｌａｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｉｔｉｎ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｅｈｉｔｉｎａｓｅｓ　ｃａｎ　

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎｈｉｂｉｔ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ｐａｔｈｏｇｅｎｉｃ　ｆｕｎｇｉ　ｂｙ　ｈｙｄｒｏｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｗａｌｌｓ．　Ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｈｉｔｉｎａｓｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　

ｉｓｏｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｇｅｎｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃｌｏｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ．　Ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｅｖｅｒｙ　ｍｅｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｚｙｍｅｓ　ｉｓ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｅａｃｈ　

ｏｔｈｅｒ，ｔｈｅｙ　ｈａｖｅ　ｓｏｍｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｅｐｆｉｄｅ，ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｄｏｍａｉｎ　ａｎｄ　ｃｈｉｔｉｎ—ｂｉｎｄｉｎｇ　ｄｏ—　

ｍａｉｎ　ｅｔｃ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｒｅｖｉｅｗ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅｈｉｔｉｎａｓｅ，ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａ－　

ｎｉｓｍ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｚｙｍｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　

［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｃｈｉｔｉｎａｓｅ；ｄｏｍａｉｎ；ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　

几丁质酶（ｃｈｉｔｉｎａｓｅ）及其底物几丁质（ｃｈｉｔｉｎ）广泛存在于自　

然界中。几丁质又称甲壳质或甲壳素，是一种天然的生物多聚　

物，每年自然界中产生的几丁质数量极其巨大，超过１００亿吨ｌｌ】。　

在天然聚合物中，几丁质的储量仅次于纤维素，位列第二，同时　

它还是自然界中存在最多的含氮聚合物田。几丁质是多数真菌细　

胞壁的主要成分之一，也广泛存在于原生生物、节肢动物和甲壳　

类生物之中。人们对于微生物几丁质及其酶类的研究已经有近　

百年的历史。１９０５年，Ｂｅｎｅｃｋｅ首次发现Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｃｈｉｔｉｎｏｖｒｏｕｓ（现　

分类为蚀几丁质贝内克氏菌。Ｂｅｎｅｃｋｅａ　ｃｈｉｔｉｎｏｖｏｒａ）能利用几丁　

质作为营养物　。Ｆｏｌｐｍｅｒｓ发现利用几丁质的细菌和真菌在几丁　

质平板上形成水解环。并以此来证明几丁质酶的存在。随着对微　

生物几丁质酶研究的深入，现已在许多微生物、植物、动物中发　

现了几丁质酶　。其主要作用在于微生物的形态发生、抗真菌感　

染以及对几丁质类物质的水解等。目前微生物几丁质酶的应用　

已涉及工业、农业、医药、生物技术等多个领域。为了更好地认识　

和利用微生物几丁质酶。人们已经对微生物几丁质酶的分布、定　

位、结构、性质、基因克隆、诱导表达以及调控机制等进行了多方　

面的研究，本文主要对微生物几丁质酶及其应用进展作一综述。　

１　已被分离的微生物几丁质酶及其性质　氏菌、液化沙雷氏菌、嗜水气单胞菌、交替单胞菌属０—７株、蚀几　

丁质贝内克氏菌、巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、　

成团肠杆菌、蓝黑紫色杆菌、铜绿假单胞、嗜麦芽假单胞菌、创伤　

弧菌、弗氏弧菌、哈氏弧菌、黄单胞菌属、类腐败梭菌、产气荚膜　

梭菌、热纤维梭菌等。放线菌类有褶皱链霉菌、浅青紫链霉菌、橄　

榄绿链霉菌、淡紫灰链霉菌、灰色链霉菌、浅天青链霉菌、天蓝色　

链霉菌、热紫链霉菌、葱绿毛链霉菌等。真菌类有木霉属（　－　

ｃｈｏｄｅｒ７Ｍ　ｈａｒｚｉａｎｕｍ、ＴｒｉｃｈｏｄｅｔＪＴｔａ　ｖｉｒｅ　、Ｔｒｉｃｈｏｄｅ，７ｍ　ｈａｍａｔｕｍ）、　

酿酒酵母、白色扁丝霉、白色念珠菌、构巢曲霉、白僵菌、少孢根　

霉等。病毒类有小球藻病毒ＰＢＣＶ一１、苹果蠹蛾颗粒体病毒　

（ＣｐＧＶ）、棉铃虫单核衣壳核多角体病毒（ＨａＳＮＰＶ）、苜蓿银纹夜　

蛾多核型多角体病毒（ＡｃＭＮＰＶ）、杆状病毒等。很多微生物都能　

够产生几丁质酶，而且即便是同一种微生物有时也能产生几种　

不同的几丁质酶。如酿酒酵母就能产生２种内切几丁质酶ｃｔｓｌ　

和ｃｔｓ２；粘质沙雷氏菌产生相对分子质量为２１　０００－５７　０００不等　

的５种几丁质酶　；交替单胞菌属０—７株可产生ＣｈｉＡ、ＣｈｉＢ、　

ＣｈｉＣ和ＣｈｉＤ等共４种不同的几丁质酶　。在同一种微生物中存　

在的几丁质酶也可能性质不同。如在拟诺卡氏菌Ｎｏｃａｒｄｉｏｐｓｉｓ　

ｐｒａｓｉｎａ　０ＰＣ一１３１株产生的３种几丁质酶ＣｈｉＡ、ＣｈｉＢ和ＣｈｉＢＡ　

中，ＣｈｉＡ属于１８家族几丁质酶，而ＣｈｉＢ和ＣｈｉＢＡ则属于１９家　

近年来人们已经分离出了许多微生物几丁质酶，这些微生　ｊ　２王００治５－伟ＩＯ（－ｌ９１７３８一），男，硕士研究生　

物涵盖了细菌、放线菌、真菌和病毒等门类。细菌类有粘质沙雷　［通讯作者】刘志敏，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｌｌｕｚｈｍ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ

　维普资讯 http://www.cqvip.com ４４０　Ｌ生Ｅ　，　ＲＳ　ＩＮ技ＢＩＯ　ＣＨＮ通ＯＬＯＧ讯Ｙ…Ｖｏ１．一１７一Ｎｏ．３一－－Ｍａｙ，２…０ＯＯ—　ＴＴＥ　ＴＥ　．，．　，　

族几丁质酶Ｉｓ］。这说明微生物几丁质酶具有多样性的特点。而且　

即便是来自同一家族的几丁质酶，其催化机制也有所不同。如来　

自气单胞菌１０Ｓ一２４株的１９家族几丁质酶对几丁质的裂解位点　

分别为（一２、一１、＋１、＋２、＋３、＋４），而植物源性的１９家族几丁质酶　

对几丁质的裂解位点却为（一３、一２、一１、＋１、＋２、＋３），且水解的产物　

也不尽相同１９］。微生物几丁质酶的分子大小差异也很大，一般为　

１０　０００～１００　０００，目前研究的相对分子质量最大的是Ｍｉｃｒｏｂｕｌｂ．　

ｒ　ｄｅｇｒａｄａｎｓ　２—４０株的几丁质酶，达到了１４０　０ｏ０【　。微生物几　

丁质酶反应的最适ｐＨ值的变动范围也很大，一般认为是３－１　１，　

但绝大多数微生物几丁质酶最适ｐＨ值为４－６的偏酸性环境。酶　

在ｐＨ值为３～１１时通常都十分稳定，酶的等电点ｐＩ为３．６－８．６。　

微生物几丁质酶往往对热都比较稳定，在４～６０℃时都具有酶活　

性，而像激烈热球菌的几丁质酶在９８－１００￣Ｃ时仍然能正常进行　

水解反应［２２１，但大多数微生物几丁质酶的最适反应温度为４０－　

５０℃，在一２０℃保存２年仍有酶活性。微生物几丁质酶的这种热稳　

定性特点，使其在生物技术产业方面具有巨大的应用潜力。微生　

物几丁质酶的活性还受到环境中金属离子的影响，如Ｆｅ　、Ｆｅ“、　

Ｚｎ　对酶的活性有较大的抑制作用，而Ｍｇ２　和Ｍｎ　＋贝０有一定的激　

活作用『】２１。微生物几丁质酶还具有可诱导性，譬如微生物几丁质　

酶的产生往往需要几丁质和壳聚糖及其水解产物作为底物存　

在；而葡萄糖和几丁质等的降解产物则对微生物的几丁质酶的　

表达起抑制作用。但也有例外，如拟诺卡氏菌Ｎｏｃａｒｄｉｏｐｓｉｓ　

ｐｒａｓｉｎａ　ＯＰＣ一１３１株表达几丁质酶的过程并不受葡萄糖的抑制。　

在自然状态下，绝大多数微生物几丁质酶是分泌表达的，主要是　

因为这些微生几丁质酶在微生物体内的表达往往都伴随着微生　

物的增殖和形态变化的发生。　

２微生物几丁质酶的分类　

人们在研究微生物几丁质酶的过程中，根据其结构和性质　

将微生物几丁质酶进行了相应的分类。根据反应的最适ｐＨ值的　

不同，可将其分为酸性、中性和碱性几丁质酶。微生物中的几丁　

质酶多为酸性酶；而植物中的几丁质酶大多为碱性酶，也有酸性　

酶。并且可能出现在同一植株中。一般认为，植物中的碱性几丁　

质酶与植物对真菌的抗性有关。另一方面，根据同底物的作用部　

位和产物的不同可分为外切和内切几丁质酶，其中外切几丁质　

酶同底物寡糖链的非还原端结合，切下几丁质二糖，同时沿寡糖　

链前移准备进行下一次水解；而内切几丁质酶则随机地同底物　

寡糖链结合并切开相应的糖苷键，然后再进行随机的结合和水　

解。按照糖苷酶的分类标准，根据其氨基酸序列的同源性，可将　

几丁质酶分为１８和１９两个家族　，其中１８家族几丁质酶广泛　

存在于病毒、微生物、植物和动物中；而目前发现的１９家族几丁　

质酶除了在植物中广泛存在外，还存在于链霉菌属和一些拟诺　卡氏菌属的放线菌中，在气单胞菌１０Ｓ一２４株和唐菖蒲伯克霍尔　

德氏菌中也发现了１９家族几丁质酶。绝大多数的微生物１９家　

族几丁质酶和植物的１９家族几丁质酶在催化区有很高的同源　

性㈣。对于目前研究过的所有１８家族几丁质酶来说，在其催化区　

都含有２个Ａｓｐ和１个Ｇｌｕ，即ＤＸＤＸＥ基序，这可能是保证１８　

家族几丁质酶活性的必需关键氨基酸。１８家族几丁质酶具有相　

似的蛋白质三级结构，即都具有由ｄ螺旋和Ｂ折叠构成的圆桶　

形结构，中心是由平行的Ｂ折叠结构组成的内桶，依次为Ｂ　～Ｂｓ，　

由ｄ螺旋结构将它们逐个连接起来，在ｄ螺旋和Ｂ折叠之间有　

段无规卷曲连接。１８家族几丁质酶有２段分别位于Ｂ，和Ｂ　

链上的氨基酸序列是高度保守的，且它们具有相似的结构，与底　

物结合的部位就位于由Ｂ３和Ｂ　链形成的环状缝隙中。而１９家　

族几丁质酶的结构和溶菌酶的三级结构相似，由一个双叶的（ｄ＋　

Ｂ）模体构成。到目前为止，所有研究过的１８家族几丁质酶的水　

解产物都是Ｂ异构体，而１９家族几丁质酶的水解产物都是ｄ异　

构体，而且它们催化水解的机理也有很大差异（表１）１９，　。另有　

人将几丁质酶分为５种类型（Ｉ～Ｖ），１８家族几丁质酶中细菌、　

真菌、病毒和动物源性的为Ⅲ型，植物来源的为Ｖ型；来自植物、　

真菌和其他微生物的１９家族几丁质酶为Ｉ、Ⅱ和Ⅳ型。Ｉ型和　

Ⅳ型在Ｎ端都有一段与底物结合有关的富含半胱氨酸的区域，　

但由于Ⅳ型比Ｉ型少１个半胱氨酸富含区和１个催化区，因而　

显得比Ｉ型小；Ⅱ型同Ｉ型和Ⅳ型有很高的同源性，但没有半胱　

氨酸富含区【９ｊ。由于目前对几丁质酶还在研究阶段，研究者往往　

根据自己的研究情况和需要对几丁质酶进行分类，从而导致目　

前几丁质酶的分类还比较混乱。现在普遍采用的是按照国际酶　

学分类方法进行分类，根据其作为糖水解酶的氨基酸序列的同　

源性，将其分为１８和１９两个家族。　

３　微生物几丁质酶的基因及其蛋白结构　

研究表明，多数微生物几丁质酶的基以单拷贝形式存在，包　

括启动子、ＳＤ序列、结构基因和终止子，这与原核生物的基因结　

构相似。在相应的酶蛋白结构上有对应的结构域，从Ｎ端到Ｃ端　

依次为信号肽、几丁质催化区、几丁质结合区以及一个短的Ｃ端　

区。如酿酒酵母产生的几丁质酶ｃｔｓｌ和ｃｔｓ２都具有这样的蛋白　

结构，研究还发现ｃｔｓｌ和ｃｔｓ２的几丁质结合区的存在并不增加　

几丁质酶对底物的催化效率，结合区只是与该酶在酵母细胞中　

的定位有关㈣。由于多数微生物几丁质酶是胞外酶，因而都有信　

号肽序列，并且信号肽的断裂位点常位于２个Ａｌａ残基之间，信　

号肽的长短因微生物的种属不同差别也很大，同源性高的几丁　

质酶的信号肽的相似性也较高，如肠杆菌Ｇ一１株、粘质沙雷氏　

菌、成团肠杆菌ＩＣ１２７０株及豚鼠气单胞菌的几丁质酶的信号肽　

的相似性就非常高。值得注意的是，有些微生物几丁质酶的基因　

表ｌ

　ｌ８和ｌ９家族几丁质酶催化机制的｝　较　维普资讯 http://www.cqvip.com