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中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology 2008 28 ): 89~94 蚯蚓体内一组脱氧核糖核酸酶的酶学性质研究 刘志贞 樊慧杰 康慧芳 姚建强 杨利军 山西医科大学基础医学院 太原 030001 2首都儿科研究所 北京 100020 摘要 目的:研究一组新型蚯蚓脱氧核糖核酸酶( earthwormdesoxyribonucleases EWDs )的主要生化性 质。方法:采用 SDSPAGE MALDITOF 、紫外分光光度方法。结果:确定了 EWD EWD EWD (总称 为: EWDs )的分子量分别为 157.2kDa 69.1kDa 63.5kDa 37℃pH4.6 以小牛胸腺 DNA为底物时, EWDs Km值分别为 1.58mg/ml 3.95mg/ml 1.52mg/ml Vmax 分别为 5.36mg/ ml ·min ), 2.87mg/ ml ·min ), 4.89mg/ ml ·min )。EWDs 55℃保温 10min ,酶活性完全丧失,在 40℃以下酶活性都比 较稳定。这 种脱氧核糖核酸酶最适 pH值分别是 5.2 4.4 4.8 ,酸性条件下较稳定。Mn 2+ Ca 2+ 是蚯 蚓组织脱氧核糖核酸酶 EWD EWD EWD 的抑制剂, Mg 2+ EWD3 有较明显的抑制作用。结论:蚯 蚓组织中发现的脱氧核糖核酸酶 EWDs 具有独特的酶学特征,不同于已经发现的 DNase DNase ,是 种新型的脱氧核糖核酸酶,但其作用机理和分类有待于进一步的研究和归类。 关键词 蚯蚓脱氧核糖核酸酶 分子量 酶学性质 中图分类号 Q819 收稿日期: 20070815  修回日期: 20071012 国家自然科学基金( 30472251 ),山西省青年科技研究基金 20051044 ),资助项目 通讯作者,电子信箱: niub2004@126.com 蚯蚓,又名地龙,无脊椎动物,环 节 动 物 门,寡 毛 纲。我国医学对地龙的药用记载与研究已有 4000 年的历史。随着对蚯蚓药用价值及药用活性成分的深 入研究,发现蚯蚓体内含有丰富的药用蛋白质活性成分。 国内外发现并分离纯化出多种蚯蚓组织有效成分,主要 有蚯蚓溶栓酶、蚓激酶、胆碱酯酶、过氧化氢酶等 我们从蚯蚓组织中分离得到一组能杀灭病毒的具 有核酸酶活性的成分,其可降解各种来源的核酸物质, 推测是通过降解病毒的遗传物质来达到抗病毒作用。 通过进一步的分离纯化,我们得到了 种脱氧核糖核 酸酶,命名为 EWDs EWD EWD EWD )。本文主要 研究这 种蚯蚓脱氧核糖核酸酶的特征性常数及影响 酶活性的因素等,为进一步研究开发提供实验依据。 1 材料与方法 1.1 材料与试剂 实验样品: 种蚯蚓组织脱氧核糖核酸酶( EWD EWD EWD ),本室纯化所得。蚯蚓:赤子爱胜蚓 Eiseniafoetida ),购自北京双桥农场蚯蚓养殖基地。 低分子量蛋白质标准( LowMolecularMarker ),购 自 AmershamBioscience ;小牛胸腺 DNA ,丝氨酸蛋白酶抑 制剂( PMSF ),购自 Sigma 公司;其它试剂均为分析纯。 1.2 主要仪器 高速低温离心机, Hitachi 20PR52日 本; LCQ DECAXPPLUSESIITMS ThermoFinnigan ;微型凝胶 电泳装置, Thermo 1.3 1.3.1 EWDs 分离纯化 新鲜洗净的蚯蚓经组织匀 浆,加入 1.5倍体积 pH4.6NaAc 0.1mol/L )缓冲液 (包含 17.4 μ g/mlPMSF ), 4℃过夜抽提,离心后上清加 15%预冷丙酮沉淀,再次离心所得上清中追加预冷 丙酮至终浓度为 50%,离心收集沉淀,真空干燥得粗提 物蛋白粉。粗提物蛋白粉用上样缓冲液复溶后上样至 DEAESepharoseFastFlow层析柱( 1.6cm×30cm ),用 NaAc 缓冲液盐梯度洗脱,分部收集,经过琼脂糖凝胶 法进行活性测定。收集活性蛋白质洗脱峰上样至 CM SepharoseFastFlow层析柱( 1.6cm×30cm ),用 NaAc 冲液盐梯度洗脱,分部收集。活性洗脱成分经超滤浓

蚯蚓体内一组脱氧核糖核酸酶的酶学性质研究 · 蚯蚓,又名地龙,无脊椎动物,环节动物门,寡毛 纲。我国医学对地龙的药用记载与研究已有4000余

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    中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2008,28(3):89~94

    蚯蚓体内一组脱氧核糖核酸酶的酶学性质研究

    刘志贞1 樊慧杰1 康慧芳1 姚建强1 杨利军1 牛 勃1,2(1山西医科大学基础医学院 太原 030001 2首都儿科研究所 北京100020)

    摘要 目的:研究一组新型蚯蚓脱氧核糖核酸酶(earthwormdesoxyribonucleases,EWDs)的主要生化性质。方法:采用SDSPAGE、MALDITOF、紫外分光光度方法。结果:确定了EWD1,EWD2、EWD3(总称为:EWDs)的分子量分别为157.2kDa,69.1kDa和63.5kDa。37℃,pH4.6以小牛胸腺DNA为底物时,EWDs的Km值分别为1.58mg/ml,3.95mg/ml,1.52mg/ml;Vmax分别为5.36mg/(ml·min),2.87mg/(ml·min),4.89mg/(ml·min)。EWDs在55℃保温10min,酶活性完全丧失,在40℃以下酶活性都比较稳定。这3种脱氧核糖核酸酶最适pH值分别是5.2,4.4,4.8,酸性条件下较稳定。Mn2+,Ca2+是蚯蚓组织脱氧核糖核酸酶EWD1,EWD2,EWD3的抑制剂,Mg

    2+对EWD3有较明显的抑制作用。结论:蚯蚓组织中发现的脱氧核糖核酸酶EWDs具有独特的酶学特征,不同于已经发现的DNaseⅠ和DNaseⅡ,是种新型的脱氧核糖核酸酶,但其作用机理和分类有待于进一步的研究和归类。

    关键词 蚯蚓脱氧核糖核酸酶 分子量 酶学性质中图分类号 Q819

    收稿日期:20070815  修回日期:20071012 国家自然科学基金(30472251),山西省青年科技研究基金(20051044),资助项目通讯作者,电子信箱:niub2004@126.com

      蚯蚓,又名地龙,无脊椎动物,环节动物门,寡毛

    纲。我国医学对地龙的药用记载与研究已有4000余

    年的历史。随着对蚯蚓药用价值及药用活性成分的深

    入研究,发现蚯蚓体内含有丰富的药用蛋白质活性成分。

    国内外发现并分离纯化出多种蚯蚓组织有效成分,主要

    有蚯蚓溶栓酶、蚓激酶、胆碱酯酶、过氧化氢酶等[1]。

      我们从蚯蚓组织中分离得到一组能杀灭病毒的具

    有核酸酶活性的成分,其可降解各种来源的核酸物质,

    推测是通过降解病毒的遗传物质来达到抗病毒作用。

    通过进一步的分离纯化,我们得到了3种脱氧核糖核

    酸酶,命名为EWDs(EWD1,EWD2,EWD3)。本文主要

    研究这3种蚯蚓脱氧核糖核酸酶的特征性常数及影响

    酶活性的因素等,为进一步研究开发提供实验依据。

    1 材料与方法

    1.1 材料与试剂

      实验样品:3种蚯蚓组织脱氧核糖核酸酶(EWD1、

    EWD2、EWD3),本室纯化所得。蚯蚓:赤子爱胜蚓

    (Eiseniafoetida),购自北京双桥农场蚯蚓养殖基地。

    低分子量蛋白质标准(LowMolecularMarker),购自

    AmershamBioscience;小牛胸腺 DNA,丝氨酸蛋白酶抑

    制剂(PMSF),购自Sigma公司;其它试剂均为分析纯。

    1.2 主要仪器

      高速低温离心机,Hitachi,20PR52日本;LCQ

    DECAXPPLUSESIITMS,ThermoFinnigan;微型凝胶

    电泳装置,Thermo。

    1.3 方 法

    1.3.1 EWDs分离纯化 新鲜洗净的蚯蚓经组织匀

    浆,加入 1.5倍体积 pH4.6NaAc(0.1mol/L)缓冲液

    (包含17.4μg/mlPMSF),4℃过夜抽提,离心后上清加

    入15%预冷丙酮沉淀,再次离心所得上清中追加预冷

    丙酮至终浓度为50%,离心收集沉淀,真空干燥得粗提

    物蛋白粉。粗提物蛋白粉用上样缓冲液复溶后上样至

    DEAESepharoseFastFlow层析柱(1.6cm×30cm),用

    NaAc缓冲液盐梯度洗脱,分部收集,经过琼脂糖凝胶

    法进行活性测定。收集活性蛋白质洗脱峰上样至CM

    SepharoseFastFlow层析柱(1.6cm×30cm),用NaAc缓

    冲液盐梯度洗脱,分部收集。活性洗脱成分经超滤浓

  • 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.28No.32008

    缩后,作为酶纯品用于后续研究。以上操作非特殊说

    明均在0~4℃进行。

    1.3.2 EWDs酶活性测定(紫外分光光度法) 37℃条

    件下,在3ml小牛胸腺 DNA(4g/L)反应底物体系中分

    别加入EWDs酶纯品1ml,迅速混匀,在3分钟内测定

    混合液OD260变化。DNA酶活力单位定义为:37℃,规

    定条件下每分钟降解小牛胸腺 DNA使260nm处吸光

    值变化0.001所需要的酶量定义为一个活力单位(U)。

    计算公式为:酶活力(U/ml)=ΔOD260(3min)/(3×

    0.001)。

    1.3.3 分子量测定 (1)SDSPAGE法 参照文献方

    法[2]。(2)MALDITOF质谱分析法 参照文献方法[3],

    由国家人类基因组北方研究中心协助完成。

    1.3.4 EWDs酶动力学常数测定 在温度为37℃,pH

    为4.6的条件下,EWDs与一系列浓度的底物(小牛胸

    腺DNA)反应,运用紫外分光光度法得其反应初速度,

    由底物浓度的倒数1/[S]为横坐标,反应速度的倒数

    1/V为纵坐标作双倒数图可求得酶动力学常数 Km和

    Vmax[4]。

    1.3.5 EWDs温度稳定性测定 在 pH4.6的条件下,

    分别将3种酶液在不同温度中保温10min,恢复到37℃

    后测定各管残余酶活力,以37℃保温处理的酶液活力

    为100% ,获得温度—稳定性曲线。

    1.3.6 EWDs最适 pH及 pH稳定性测定 在37℃的

    条件下,不同的pH反应体系中分别测定EWDs的酶活

    力,以小牛胸腺 DNA为底物,以紫外分光光度法测定

    酶活性。得到其反应的最适pH。分别将3种酶在不同

    的pH缓冲液中保持10min后恢复为最适pH各自测定

    残余酶活力,以最适pH处理的酶液活力为100%,获得

    pH稳定性结果。

    1.3.7 金属离子对 EWDs酶活性的影响 反应体系

    中加入氯化物形式二价阳离子(Mg2+,Mn2+,Ca2+)使

    其终浓度为5mmol/L,测定 EWDs酶活性改变,与不加

    相应离子的测活体系进行比较。

    2 结 果

    2.1 PAGE电泳结果(图1)

    2.2 分子量测定结果

    2.2.1 SDSPAGE法测定分子量的结果

      SDSPAGE电泳分离后,分别计算 EWD1,EWD2,

    图1 EWDs的10%聚丙烯酰胺凝胶电泳结果

    Fig.1 10% PAGEofEWDs1:EWD22:EWD13:EWD3

    EWD3的迁移率,对照标准曲线得出分子量。EWD1有

    两个亚基,大亚基分子量81kDa,小亚基分子量55kDa,

    合计136kDa;EWD2的分子量为62kDa;EWD3的分子

    量为58kDa(图2)。

    图2 EWDs的10%变性聚丙烯酰胺

    弹片胶电泳结果

    Fig.2 10%SDSPAGEofEWDs1:marker;2:EWD3;3:EWD2;4:EWD1

    2.2.2 质谱测定分子量的结果 上面图中横坐标显

    示质量电荷比(m/z),图3中61908.322和95285.066

    的峰是EWD1两个亚基分子的单电荷峰,32932.437和

    46813.331的峰是上述两个亚基的双电荷峰。EWD1是

    61907.322Da和 95284.066Da的合计,分子量为

    157193.388Da。从图 4中得出 EWD2 的分子量为

    69074.741Da,推测为单亚基蛋白质。图5显示 EWD3的分子量为63461.35Da,推测为单亚基蛋白质。经质

    谱(MALDITOFMS)法测定 EWD1,EWD2,EWD3的分

    子量分别为:157.2kDa,69.1kDa和63.5kDa。

    2.3 EWDs的最大反应速度及米氏常数

      以小牛胸腺 DNA为底物时,蚯蚓组织脱氧核糖核

    酸酶 EWD1,EWD2,EWD3的 Km值分别为:1.58mg/

    ml,3.95mg/ml,1.52mg/ml。Vmax分别为5.36mg/(ml

    ·min),2.87mg/(ml·min),4.89mg/(ml·min)。

    09

  • 2008,28(3) 樊慧杰 等:蚯蚓体内一组脱氧核糖核酸酶的酶学性质研究

    图3 EWD1的分子量质谱结果

    Fig.3 MALDITOFmassspectraofEWD1

    图4 EWD2的分子量质谱结果

    Fig.4 MALDITOFmassspectraofEWD2

    图5 EWD3的分子量质谱结果

    Fig.5 MALDITOFmassspectraofEWD3

    19

  • 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.28No.32008

    2.4 EWDs温度稳定性

    图6 EWDs的温度稳定性

    Fig.6 EWDsstabilitiesatvarioustemperatures

      结果表明 EWDs在大于55℃的时候酶活性均为

    0,完全丧失。EWDs在不超过40℃的范围内酶活性较

    稳定。蚯蚓组织脱氧核糖核酸酶(EWDs)对温度较

    敏感。

    2.5 EWDs最适pH及pH稳定性结果(图7,8)

    图7 不同pH值对EWDs活性的影响

    Fig.7 EffectofpHontheactivityofEWDs

      如图7所示,EWDS的最适 pH分别为5.2,4.2,

    4.8,都偏酸性。从图8可得EWD1的pH稳定性最强,

    pH3.0~9.0保持 10min后均有活性,EWD2在 pH≤

    3.0,≥7检测不出酶活性。EWD3在 pH≤3.0,≥6.0

    检测不出酶活性。这3种DNA酶均在酸性条件下稳定

    性较强。

    2.6 金属离子对EWDs活性的影响(图9)

      如图示,Mn2+是 EWD1,EWD2,EWD3的抑制剂,

    Ca2+也表现出对 EWD1,EWD2,EWD3明显的抑制作

    用,Mg2+对EWD3有较明显的抑制作用;3种离子均未

    图8 EWDs的pH稳定性

    Fig.8 EWDsstabilitiesatvariouspH

    图9 金属离子对EWDs活性的影响

    Fig.9 EffectofmetalionontheactivityofEWDs

    表现出对EWDs的激活作用。

    3 讨 论

      脱氧核糖核酸酶已在多种动物体内发现,其具有

    降解DNA的作用,在核苷酸代谢、维持体内 DNA生理

    性浓度及降解异源核酸物质方面均有重要意义。

    DNaseⅠ是最早发现的脱氧核糖核酸酶类,是该家族中

    最主要的成员之一,其活性依赖二价金属阳离子存

    在[5]。DNaseⅡ是一种酸性核酸内切酶,其活性不依赖

    金属离子的存在,它可水解DNA为3′磷酸的寡核苷酸

    片断[6]。DNaseⅡ存在于各种哺乳动物的组织中[7]。

    尽管来自各种不同种属和组织的 DNaseⅡ酶学性质非常相似,但这些酶的化学性质并不完全一样(如分子

    量、亚基结构)。

      本文主要研究了从蚯蚓组织中分离出来三种脱氧

    核糖核酸酶的一些生化性质,采用两种不同的方法测

    定了EWD1,EWD2,EWD3的分子量,对分子量的测定SDSPAGE结果小于质谱的测定结果。质谱测定分子

    量相对精确[8],本研究结合 SDSPAGE以质谱测定的分子量结果为准,分别为:157.2kDa,69.1kDa,63.5

    29

  • 2008,28(3) 樊慧杰 等:蚯蚓体内一组脱氧核糖核酸酶的酶学性质研究

    kDa。SDSPAGE和 MADLTTOF的结果均表明,EWD1由两条肽链组成,EWD2,EWD3属于单亚基蛋白质。分

    子量的研究结果表明,EWDs分子量远远大于 DNase

    I,DNaseⅡ。

      Km值是酶的特征性常数,测定 Km值是研究酶的

    一种重要的方法。Km值表示酶与底物的亲和力,Km

    小,说明酶与底物的亲和力强。本实验测得 EWD1,

    EWD2,EWD3的Km值分别为:1.58mg/ml,3.95mg/ml,

    1.52mg/ml。表明EWD3与底物亲和力最强。

      EWDs的最适pH比较偏酸,除EWD1外,其他两种

    EWDs在pH3.0以下和6.0以上几乎没有活性,只有

    EWD1在pH3.0以下和6.0以上仍具有活性。这几种

    酶与已发现的DNaseI,DNaseⅡ不同,属新型的脱氧核

    糖核酸酶。

      研究的结果与已知的 DNaseI,DNaseⅡ的主要性

    质总结见Table1。

    表1 EWDs,DNaseⅠ和DNaseⅡ 的生化性质的比较

    Table1 ComparisonofbiochemicalcharacterizationbetweenEWDs,DNaseⅠ andDNaseⅡ

    name DNaseI DNaseⅡ EWD1 EWD2 EWD3source蚯蚓 蚯蚓 蚯蚓molecularweight 31~42kDa 26.5~45kDa 157.2kDa 69.1kDa 63.5kDaoptimumpH 7.0(6.5~8.0) 5.0(3.5~6.5) 5.2(4.8~5.6) 4.2(4.0~4.8) 4.8(4.0~5.2)inhibiter EDTA,G-actin Ca2+,Mg2+,Mn2 Mn2+,Ca2+ Mn2+,Ca2+ Mn2+,Ca2+,Mg2+

    activator Ca2+,Mg2+ EDTA

      这些研究结果提供的参数尚无法确定 EWDs的脱

    氧核糖核酸酶分类。因此,有待于进一步深入研究。

    但这些数据为证实它们是一类新的蛋白质提供了进一

    步的佐证,开阔了对脱氧核糖核酸酶的研究,也为研究

    开发提供可靠的实验依据。

    参考文献

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    质谱分析法.生物化学与生物物理学报(英文版),1999,31

    (1):31~36

    ZengR,ShaoXX,XiaQC,BiochemistryandBiophycics

    Journal(EnglishEdition),1999,31(1):31~35

    39

  • 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.28No.32008

    StudyonBiochemicalCharacterizationofaGroupofEarthwormDeoxyribonucleases

    LIUZhizhen1 FANHuijie1 KANGHuifang1 YAOJianqiang1 YANGLijun1 NIUBo1,2

    (1ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan 030001,China)(2Children’sHospitalAttachedtotheCapitalInstituteofPaediatrics,Beijing 100020,China)

      Abstract Objective:Tostudythemaincharacteristicsofearthwormdeoxyribonucleases(EWDs).Methods:SDSPAGEandMADLTTOFwereusedtothestudy.Results:ThemolecularweightsofEWDs(EWD1,EWD2andEWD3)were157.2kDa,69.1kDaand63.5kDarespectively.Undertheconditionof37℃,pH4.6andtakecalfthymusDNAassubstrate,theKmvaluesofEWDswere1.58mg/ml,3.95mg/ml,1.52mg/mlandtheVmaxwere5.36mg/(ml·min),2.87mg/(ml·min)and4.89mg/(ml·min),respectively.TheEWDsweresensitivetotemperature,whichdidn’tshowanyactivitywhenthetemperaturerisesto55℃ for10minandshowedstabilitybelow40℃.TheoptimumpHwere5.2,4.4,4.8,respectively.Mn2+,Ca2+wereinhibitorsofEWDs,andMg2+hadnegativeeffectonEWD3enzymeactivity.Conclusion:EWDshasuniquecharacteristicswhicharedifferentfromDNasesknownbefore.  Keywords Earthwormdeoxyribonuclease Molecularweight Enzymologicalcharacter

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