肖舒文,胡永紅
(河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050024)
果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(fructose-1,6-bisphosphate aldolase,F(xiàn)BA)是普遍存在于生物體內(nèi)的一種代謝酶,對(duì)糖酵解和糖異生至關(guān)重要[1].在高等植物中,F(xiàn)BA還參與卡爾文循環(huán),是調(diào)控光合作用速率的重要酶之一[2].本文中,筆者對(duì)FBA的分類進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,著重介紹了其在生物體內(nèi)的功能及其在抗真菌和病原體中的應(yīng)用等,旨在為今后深入研究FBA提供理論依據(jù).
FBA具有(β/α)8桶折疊結(jié)構(gòu),根據(jù)反應(yīng)機(jī)理不同分為2類:Ⅰ類是已知的四聚體,主要存在于高等真核生物中,如動(dòng)物、植物和藻類;Ⅱ類主要以同源二聚體的形式存在于細(xì)菌中[3].Ⅰ類FBA由賴氨酸殘基構(gòu)成其活性位點(diǎn),可與底物形成席夫堿中間產(chǎn)物,由于該結(jié)構(gòu)受到硼氫化物的抑制,因此Ⅰ類FBA活性會(huì)受到硼氫化物抑制[4-6].Ⅰ類FBA的四聚體結(jié)構(gòu),由4個(gè)分子量約為40 kDa的亞基構(gòu)成,且具有最大催化活性所需的酪氨酸殘基[7],如圖1所示[8].根據(jù)免疫學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不同[9],Ⅰ類FBA可細(xì)分為3種特定類型,即A,B,C型,主要存在于脊椎動(dòng)物不同組織中.A型主要存在于骨骼肌和血液紅細(xì)胞中,B型主要存在于小腸、肝、腎中,C型主要存在于平滑肌細(xì)胞和神經(jīng)組織中[10],這3種類型都由氨基酸組分不同的4個(gè)多肽鏈構(gòu)成.Ⅱ類FBA發(fā)揮活性作用時(shí)需要一個(gè)2價(jià)金屬陽(yáng)離子作為輔助因子,通常是Zn2+,Ca2+或Fe2+,其活性受到金屬離子螯合劑的競(jìng)爭(zhēng)性抑制[11].Ⅱ類FBA的重要氨基酸和三維結(jié)構(gòu)非常保守,具有使其形成二聚體的“二聚化手臂”,如圖2所示[12].根據(jù)其內(nèi)部氨基酸序列的同源程度又將Ⅱ類FBA分成2類,即A型和B型,A型是鋅依賴性的,B型具有其他不同的2價(jià)金屬輔因子[1].
圖1 Ⅰ類FBA四聚體結(jié)構(gòu)[8]Fig.1 The Tetramer Structure of Class I FBA
圖2 Ⅱ類FBA二聚體結(jié)構(gòu)[12]Fig.2 The Dimer Structure of Class Ⅱ FBA
FBA是一種古老的、進(jìn)化上保守的代謝酶[13].對(duì)于同時(shí)擁有FBA 2種類型的生物體來(lái)說(shuō),大多數(shù)只表達(dá)其中一種[7].在糖酵解和糖異生反應(yīng)中,F(xiàn)BA催化底物果糖-1,6-二磷酸(fructose-1,6-bisphosphate,F(xiàn)BP)裂解為3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate,G3P)和磷酸二羥丙酮(dihydroxyacetone phosphate,DHAP)或反向的醛醇縮合反應(yīng),在此過(guò)程中FBA將C6分子分裂為C3分子,然后轉(zhuǎn)化為丙酮酸,最后合成生物體內(nèi)的脂肪酸或氨基酸[14].卡爾文循環(huán)是光合作用中暗反應(yīng)的一部分,是光合碳中最重要的一條途徑.FBA參與卡爾文循環(huán)中的第3個(gè)階段,即核酮糖-1,5-二磷酸(ribulose-1,5-biphosphte,RuBP)的再生.在比階段中,磷酸丙糖異構(gòu)酶催化DHAP生成G3P,G3P再與DHAP在FBA催化下轉(zhuǎn)化為FBP,F(xiàn)BP又經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)最終生成RuBP.因此,F(xiàn)BA在植物光合作用的暗反應(yīng)階段起重要作用,可固定CO2,并將3C化合物轉(zhuǎn)化為6C化合物,同時(shí),也是控制光合作用速率的重要酶之一[2].由此可見(jiàn),FBA的主要功能在于參與生物體內(nèi)的能量代謝,除此之外他還有一些“兼職”功能.
FBA基因所表達(dá)的蛋白是一種纖溶酶原(plasminogen,Plg)結(jié)合蛋白[15-17].有研究發(fā)現(xiàn),副球孢子菌FBA存在于真菌表面并由真菌分泌,可激活宿主Plg形成纖溶酶,有利于病原體真菌擴(kuò)散到宿主體內(nèi)更深的組織[18].為驗(yàn)證FBA此功能,將副球孢子菌FBA基因克隆到表達(dá)載體pGEX-4T-3中,并通過(guò)大腸桿菌表達(dá)獲得重組蛋白rFBA.Far-western blotting分析表明,該蛋白與Plg的結(jié)合呈劑量依賴性.將副球孢子菌Pb01株系在人纖溶酶原、纖溶酶原激活劑條件下培養(yǎng),當(dāng)培養(yǎng)基中加入rFBA抗體時(shí),宿主的纖溶酶活性降低,推測(cè)rFBA抗體阻斷了真菌表面FBA與纖溶酶原的結(jié)合.進(jìn)而得出結(jié)論,副球孢子菌FBA在真菌入侵宿主組織中發(fā)揮重要作用,增加了其在宿主組織中的傳播潛力.華支睪吸蟲(Clonorchissinensis)排泄分泌產(chǎn)物中存在多種蛋白混合物,在其侵染宿主時(shí)會(huì)結(jié)合宿主體內(nèi)某些上皮細(xì)胞,使其產(chǎn)生毒性物質(zhì),從而導(dǎo)致宿主受到傷害[19].有研究報(bào)道,華支睪吸蟲可激活宿主的纖溶酶原形成纖溶酶,而纖溶酶負(fù)責(zé)纖維蛋白和細(xì)胞外基質(zhì)的降解,可激活膠原酶釋放肽,使寄生蟲在宿主體內(nèi)獲得營(yíng)養(yǎng)[20].將華支睪吸蟲果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(CsFBA)開(kāi)放閱讀框插入到pET30(a+)載體中,并將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌BL21(DE3)表達(dá),其重組CsFBA蛋白(rCsFBA)分子量約為45.0 kDa[21].酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)和配體印跡分析表明,rCsFBA及華支睪吸蟲總提取物和分泌產(chǎn)物中的天然CsFBA均能與人纖溶酶原結(jié)合.華支睪吸蟲在感染宿主時(shí),通過(guò)其肌肉吸盤鉤在宿主膽管上皮,并不斷從血管中攝取血液用于供能.華支睪吸蟲分泌物中CsFBA可促進(jìn)宿主體內(nèi)纖維蛋白水解,消除宿主在止血過(guò)程中形成的纖維蛋白凝塊,以維持血液的正常流動(dòng).因此,華支睪吸蟲能夠從宿主組織中獲得足夠的營(yíng)養(yǎng),在宿主中成功地存活和定殖.
在檢測(cè)牛分枝桿菌(Mycoplasmabovis)FBA作為黏附素的研究中,利用PCR技術(shù)擴(kuò)增牛分枝桿菌FBA基因,將其克隆到原核表達(dá)載體pET28(a+)中,構(gòu)建pET28(a+)-FBA質(zhì)粒,并轉(zhuǎn)入大腸桿菌表達(dá),純化獲得重組牛分枝桿菌FBA蛋白(rMbFBA).熒光顯微鏡顯示,用兔抗rMbFBA預(yù)處理可降低牛分枝桿菌與胚胎型牛肺細(xì)胞(embryonic bovine lung,EBL)的粘附.此外,粘附抑制試驗(yàn)顯示,在用兔抗rMbFBA處理后,牛分枝桿菌對(duì)EBL細(xì)胞的感染率下降了34.4 %,表明FBA參與了細(xì)菌對(duì)EBL細(xì)胞的粘附[22].將腦膜炎球菌rFBA在非變性條件下表達(dá)和純化,得到的rFBA顯示出醛縮酶活性,證實(shí)純化后的酶處于天然構(gòu)象.細(xì)胞分離實(shí)驗(yàn)表明,腦膜炎球菌FBA既存在于細(xì)胞質(zhì),也存在于外膜.流式細(xì)胞術(shù)顯示,外膜的FBA可被特異性抗體識(shí)別.通過(guò)比較腦膜炎球菌野生型、缺乏FBA的突變株和互補(bǔ)突變株與人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human brain microvascular endothelial,HBME)之間的相關(guān)性和入侵能力,結(jié)果顯示,與野生型或互補(bǔ)型菌株相比,F(xiàn)BA突變株粘附HBME細(xì)胞單層膜的能力顯著降低.表明FBA是腦膜炎奈瑟菌黏附人體細(xì)胞所必需的[23].Chaves等[18]檢測(cè)了副球孢子菌rFBA及rFBA抗體在感染巨噬細(xì)胞過(guò)程中的作用,通過(guò)免疫印跡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巨噬細(xì)胞能夠結(jié)合副球孢子菌的rFBA,此時(shí)rFBA表現(xiàn)為黏附素.將巨噬細(xì)胞用副球孢子菌rFBA孵育后,副球孢子菌對(duì)巨噬細(xì)胞的感染率降低79 %;將副球孢子菌孵育rFBA抗體時(shí),感染率降低86 %,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,rFBA抗體的加入可阻斷FBA與巨噬細(xì)胞的結(jié)合,從而減少其與副球孢子菌之間的相互作用,說(shuō)明FBA是參與真菌粘附、入侵和傳播的重要毒力因子.
早期的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究顯示,F(xiàn)BA基因?qū)τ诟ダ饰魅谔囟l件下的生存和生長(zhǎng)是必不可少的,并且在發(fā)病機(jī)制中起著調(diào)節(jié)作用,該酶位于碳代謝與宿主氧化還原穩(wěn)態(tài)之間的交叉點(diǎn)[24].FBA失活可以抵抗體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng),這一特征促使研究者首先測(cè)試了編碼過(guò)氧化氫酶的獨(dú)特基因katG的表達(dá),該過(guò)氧化氫酶將H2O2分解成H2O和O2.研究表明,H2O2在感染katG突變體細(xì)菌的巨噬細(xì)胞溶質(zhì)中積累,并通過(guò)Ca2+觸發(fā)炎癥反應(yīng)[25-26].在培養(yǎng)基中過(guò)夜培養(yǎng)細(xì)菌,qRT-PCR分析顯示弗朗西塞拉菌FBA失活引起其katG基因轉(zhuǎn)錄增加12倍.當(dāng)FBA突變體細(xì)菌感染巨噬細(xì)胞時(shí),其調(diào)控katG表達(dá)比野生型菌調(diào)控katG表達(dá)上調(diào)了7倍,表明FBA與katG之間是“負(fù)反饋調(diào)節(jié)”關(guān)系.FBA介導(dǎo)的katG轉(zhuǎn)錄表達(dá)在宿主細(xì)胞溶質(zhì)中進(jìn)行,成為調(diào)節(jié)受感染細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)的手段,可調(diào)控促炎癥細(xì)胞因子IL-6產(chǎn)生.當(dāng)宿主體內(nèi)炎癥反應(yīng)發(fā)生時(shí),細(xì)菌將調(diào)節(jié)自身FBA的轉(zhuǎn)錄,用來(lái)維持細(xì)胞體內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài),使細(xì)菌在宿主體內(nèi)能更好的生存.在釀酒酵母中,Ⅱ類FBA除了在糖酵解中的功能之外,還與RNA聚合酶Ⅲ發(fā)生物理相互作用,并在控制其轉(zhuǎn)錄中起作用.在生物體內(nèi)RNA聚合酶Ⅲ主要負(fù)責(zé)tRNA,5S RNA及其他小RNA的轉(zhuǎn)錄,Cies'la等[27]通過(guò)免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酵母中FBA與RNA聚合酶Ⅲ復(fù)合物發(fā)生相互作用,且失活的FBA過(guò)量產(chǎn)生仍能抑制酵母細(xì)胞的表型,表明FBA在RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄中的作用與其催化活性無(wú)關(guān).FBA通過(guò)促進(jìn)RNA聚合酶Ⅲ與染色質(zhì)的結(jié)合來(lái)加強(qiáng)RNA聚合酶Ⅲ的轉(zhuǎn)錄.因此,除在糖酵解中的功能外,F(xiàn)BA在RNA聚合酶Ⅲ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中也起到一定的作用.
研究發(fā)現(xiàn),番茄(Solanumlycopersicum)幼苗中FBA的表達(dá)及酶活性在遭受低溫脅迫時(shí)發(fā)生顯著變化[28].構(gòu)建番茄FBA基因家族成員FBA7的RNAi表達(dá)載體,對(duì)低溫脅迫的番茄幼苗進(jìn)行轉(zhuǎn)化,結(jié)果顯示,F(xiàn)BA7表達(dá)量減少,且FBA及卡爾文循環(huán)中其他主要酶的活性降低.與野生型相比,干擾FBA7引起植物凈光合速率、RuBP、可溶性糖含量、種子大小等指標(biāo)下降,且在低溫、低光照強(qiáng)度條件下,表現(xiàn)出發(fā)芽率降低,超氧陰離子和過(guò)氧化氫水平升高.結(jié)果表明,番茄FBA7在調(diào)節(jié)番茄幼苗生長(zhǎng)和耐低溫中具有重要作用.馬齒莧(Sesuviumportulacastrum)中FBA(SpFBA)cDNA全長(zhǎng)1 452 bp,開(kāi)放閱讀框?yàn)? 071 bp.半定量PCR分析表明,SpFBA在根中表達(dá)比在葉和莖中高,且在非生物,如海水、氯化鈉、脫落酸和聚乙二醇等刺激下,2~12 h內(nèi)根中表達(dá)量顯著升高.這些結(jié)果表明,SpFBA在應(yīng)對(duì)鹽脅迫和相關(guān)非生物脅迫下,在提高馬齒莧的生存能力方面起著重要作用[29].
Ⅱ類FBA(FBA-Ⅱ)存在于真菌、細(xì)菌和寄生蟲中,但在高等植物和哺乳動(dòng)物中不存在,此特征使其成為開(kāi)發(fā)新型抗真菌藥物的選擇性靶標(biāo).FBA在白色念珠菌(Candidaalbicans)中是一種相對(duì)豐富和穩(wěn)定的蛋白,在系統(tǒng)性念珠菌病小鼠中,消耗FBA可減弱白色念珠菌的毒力,說(shuō)明FBA可用作抗真菌的藥物靶點(diǎn)[30].研究者通過(guò)虛擬篩選、結(jié)合-構(gòu)像評(píng)價(jià)策略和酶活性測(cè)定等方法,合理設(shè)計(jì)了幾種具有較強(qiáng)抗真菌作用的新型白色念珠菌FBA-Ⅱ抑制劑(Ca-FBA-Ⅱ).研究發(fā)現(xiàn),在Ca-FBA-Ⅱ的存在下,白色念珠菌的活性降低,且殺菌活性源于對(duì)真菌體內(nèi)FBA-Ⅱ的抑制[31-33].因此,F(xiàn)BA可作為抗真菌感染的藥物靶點(diǎn).
3.2.1 作為抗細(xì)菌的候選疫苗
肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae)是在嬰兒、老年人和免疫功能低下人群中發(fā)現(xiàn)的主要病原體.用肺炎鏈球菌重組FBA和佐劑共同免疫小鼠,會(huì)引發(fā)針對(duì)肺炎鏈球菌致命攻擊的保護(hù)性免疫反應(yīng).與單獨(dú)給小鼠注射佐劑相比,rFBA與佐劑共同作用會(huì)引起小鼠體內(nèi)CD4+T細(xì)胞數(shù)量的顯著增加,同時(shí)小鼠體內(nèi)的Th1與Th2型細(xì)胞因子數(shù)量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示rFBA成為一種理想的抗肺炎鏈球菌候選疫苗[34].美人魚發(fā)光桿菌殺魚亞種(Photobacteriumdamselaesubsp.piscicida,Phdp)是引起魚類“巴斯德氏菌病”的病原菌,被認(rèn)為是全球海洋魚類養(yǎng)殖中最危險(xiǎn)的細(xì)菌病原體之一.為防止其爆發(fā)傳播,Pham等[35]研究了FBA基因?qū)Πl(fā)光桿菌癥的免疫保護(hù)作用.將Phdp菌的FBA重組蛋白免疫亞洲海鱸(Latescalcarifer),結(jié)果顯示特異性抗體水平和溶菌酶活性增加.再用Phdp菌株侵染海鱸,結(jié)果顯示免疫FBA組魚在感染后3 d獲得高存活率(70.21 %),且脾臟中細(xì)菌濃度顯著低于對(duì)照組.表明重組FBA蛋白成功誘導(dǎo)魚類防御,抑制Phdp菌入侵和繁殖.因此,F(xiàn)BA是防治魚類發(fā)光桿菌癥的良好候選疫苗.此外,通過(guò)免疫信息學(xué)預(yù)測(cè)綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)FBA的T細(xì)胞、B細(xì)胞表位肽疫苗,研究結(jié)果為后期抗菌疫苗開(kāi)發(fā)提供依據(jù)[36].
3.2.2 作為抗支原體的候選疫苗
豬肺炎支原體(Mycoplasmahyopneumoniae,Mhp)是一種介于細(xì)菌與病毒之間的呼吸道病原體,該病原體使全球養(yǎng)豬業(yè)遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失.經(jīng)SOE-PCR技術(shù)成功克隆Mhp的FBA基因,通過(guò)大腸桿菌BL21表達(dá),親和層析法純化重組蛋白rFBA.流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果顯示,F(xiàn)BA位于Mhp菌株表面,表明rFBA促進(jìn)Mhp與豬氣管上皮細(xì)胞的粘附.用rFBA蛋白免疫兔子,獲得rFBA多克隆抗體,并分別用rFBA抗體、免疫前血清孵育Mhp,之后添加到含有豬氣管上皮細(xì)胞的細(xì)胞板中.實(shí)時(shí)定量PCR數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,rFBA抗體可抑制Mhp對(duì)氣管上皮細(xì)胞的粘附,使效率降低76 %[37].因此,F(xiàn)BA成為開(kāi)發(fā)抗豬肺炎支原體及其類似病原體疫苗的潛在靶點(diǎn).
3.2.3 作為抗寄生蟲的候選疫苗
研究者們?cè)诖竽c桿菌中克隆并鑒定了旋毛蟲(Trichinellaspiralis)FBA基因,并對(duì)重組Ts-FBA(rTs-FBA)在旋毛蟲發(fā)育階段的表達(dá)規(guī)律及其對(duì)小鼠感染旋毛蟲的免疫保護(hù)作用進(jìn)行了研究[38].結(jié)果表明,Ts-FBA基因在旋毛蟲不同發(fā)育階段均有表達(dá),在旋毛蟲肌肉幼蟲的排泄-分泌產(chǎn)物中也有表達(dá).用rTs-FBA對(duì)小鼠進(jìn)行免疫,在每次免疫前和最后一次免疫7 d后收集小鼠血清樣品,并進(jìn)行免疫熒光檢測(cè),表明Ts-FBA主要定位于寄生線蟲的表面和胚胎.用rTs-FBA免疫的小鼠可產(chǎn)生以Th2為主的Th1/Th2混合體液免疫,且其IgG,IgE水平顯著升高.此外,用旋毛蟲侵染免疫后小鼠,結(jié)果顯示旋毛蟲成蟲量減少48.7 %,肌肉幼蟲量減少52.5 %,提示Ts-FBA是一種預(yù)防和控制旋毛蟲感染的有效疫苗靶點(diǎn).Mccarthy等[39]通過(guò)PCR克隆得到盤尾絲蟲(Onchocercavolvulus)果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(Ov-FBA)全長(zhǎng)序列,插入質(zhì)粒pRSET中,構(gòu)建重組質(zhì)粒pOvFBA,并轉(zhuǎn)入大腸桿菌進(jìn)行表達(dá),且在盤尾絲蟲病動(dòng)物模型中測(cè)試其保護(hù)效果.結(jié)果顯示,在接種疫苗的動(dòng)物模型中幼蟲存活率降低50 %,表明Ov-FBA可作為誘導(dǎo)盤尾絲蟲病保護(hù)性免疫靶點(diǎn)的潛力.Marques等[40]在篩選曼氏血吸蟲(Schistosomamansoni)成蟲cDNA表達(dá)文庫(kù)時(shí),發(fā)現(xiàn)并鑒定出FBA,將該基因克隆到pGEX-4T-3載體中,并在大腸桿菌中表達(dá)為融合蛋白(GST/P44),接種重組P44的小鼠能夠產(chǎn)生高水平的IgG或IgG1,此外,用該抗原免疫小鼠可顯著保護(hù)57 %的小鼠免受曼氏血吸蟲感染,并減少肝肉芽腫的形成.因此,在寄生蟲免疫過(guò)程中FBA發(fā)揮了重要作用.
FBA已被用作生物催化劑,用于合成一些藥物化合物.微生物金屬依賴型Ⅱ類FBA比哺乳動(dòng)物體內(nèi)的Ⅰ類FBA具有更高的穩(wěn)定性,是一種較好的工業(yè)催化劑[41].從超嗜熱菌(Aquifexaeolicus)中純化的FBA具有獨(dú)特的Ⅱ類醛縮酶特性,在100 ℃下表現(xiàn)出極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性.基于以上特征,超嗜熱菌中的FBA可作為一種工業(yè)應(yīng)用的高溫嗜熱酶[42].
FBA普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物中,是糖酵解途徑中的關(guān)鍵限速酶,是調(diào)節(jié)生物體內(nèi)代謝作用不可或缺的.FBA除參與糖酵解外,在植物體內(nèi)也是卡爾文循環(huán)中的主要酶之一,可對(duì)各種非生物脅迫發(fā)生響應(yīng),提高植物的生存能力.目前越來(lái)越多的研究關(guān)注細(xì)菌、真菌等生物的FBA作用,為深入揭示FBA功能奠定基礎(chǔ).此外,F(xiàn)BA在抗真菌、細(xì)菌、寄生蟲方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛.通過(guò)分子生物學(xué)、免疫學(xué)、生物信息學(xué)等實(shí)驗(yàn)方法,使得FBA成為開(kāi)發(fā)抗細(xì)菌、真菌和寄生蟲疫苗的有效突破點(diǎn)[43-45].因此,探索FBA基因在病原體感染中的作用機(jī)制,對(duì)于高效疫苗的開(kāi)發(fā)具有重要意義.