共表达β-1,3-葡聚糖合成酶基因(gls)和尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因(ugp)对灵芝多糖产量和单糖组成的影响

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灵芝具有抗氧化,抗肿瘤,免疫调节等药理活性,灵芝多糖是灵芝的主要活性成分之一。由于其重要的药理学活性,提高灵芝多糖的生产有重要意义。β-1,3-葡聚糖合成酶是参与灵芝多糖合成的重要酶,可将UDP-葡萄糖单体重复催化合成β-1,3葡聚糖链。在平菇和灰树花中,β-1,3-葡聚糖合成酶基因的表达与多糖的合成呈正相关。早期研究发现,在灵芝中过量表达灵芝多糖合成途径中的关键酶基因,例如ugp,pgm,gmp等,可以有效的提高灵芝多糖的产量。但在灵芝中过量表达β-1,3-葡聚糖合成酶基因对灵芝多糖合成的影响仍不清楚;此外在灵芝多糖代谢生产中,先前的研究主要针对过量表达多糖合成途径中的单个基因。通过代谢工程手段在其它物种中操作多个基因已经被证明是更有效的方式,但是,在灵芝中同时过量表达两个基因是否会更有效的提高多糖的产量,是不清楚的。本研究中,我们从灵芝的基因组中克隆获得了β-1,3-葡聚糖合成酶基因gls。gls基因全长6410 bp,编码1781个氨基酸,预测的蛋白质分子量大小为204.15k Da。gls基因编码的蛋白NCBI上报导的其它物种的β-1-3葡聚糖合酶蛋白序列相似度在90%以上。为探究gls基因对灵芝多糖产量的影响,我们构建了过表达gls基因灵芝工程菌株Oe-GLS,并对其进行发酵培养,检测了发酵过程中野生型灵芝菌株WT和Oe-GLS的生物量,胞外多糖和胞内多糖含量以及多糖合成途径相关基因磷酸葡萄糖变位酶基因pgm和UDP-葡萄糖焦磷酸化酶基因ugp的转录水平变化。结果表明,与野生型灵芝WT菌株相比,Oe-GLS的胞内多糖的最大含量是20.20±0.95 mg/100 mg,较WT提高了20%。对多糖合成途径中相关基因转录水平的分析显示,过量表达gls基因没有使pgm和ugp的转录水平发生上调,但与WT菌株相比,Oe-GLS灵芝菌株中gls基因的最大转录水平是WT菌株的7.3倍,胞内多糖的提高可能gls基因转录水平的上调有关。已有研究表明UDP-葡萄糖焦磷酸化酶基因ugp是参与灵芝多糖葡萄糖代谢途径中的关键酶基因,同时过量表达gls基因和ugp基因可能会更好的提高灵芝多糖的产量。因此,我们在灵芝中同时过量表达了gls和ugp基因。对工程菌株和WT菌株发酵后发现,在发酵周期内,灵芝工程菌株Oe-G+U胞外多糖和胞内多糖的最大产量分别是1.48 g±0.09 g/L和23.88±0.69 mg/100 mg,分别是WT菌株的1.5和1.3倍。灵芝工程菌株中pgm,ugp和gls基因的最大转录水平分别是WT菌株的1.8,8.3和6.4倍。灵芝工程菌株多糖产量的提高可能是由于这些基因转录水平的提高导致。我们的结果暗示了在灵芝中同时过量表达gls和ugp基因比单独过量表达gls基因效果好。早期的研究发现通过培养基优化提高灵芝胞外多糖的同时,也会使灵芝胞外多糖的单糖组成与抗氧化活性发生改变。为探究在灵芝中同时过量表达gls和ugp基因对灵芝胞外多糖单糖组成和抗氧化活性的影响,我们使用DEAE-Cellulose和Sephadex G-200柱色谱对灵芝菌株Oe-G+U和WT菌株的胞外多糖进行分离纯化,得到WT-0-1,WT-0.1-1,G+U-0-1,G+U-0.1-1四种组分的灵芝多糖。对四种多糖的单糖组成和体外抗氧化活性进行分析结果表明,与WT菌株相比,同时过量表达gls和ugp基因后对灵芝多糖单糖的种类没有影响,但是分别提高了葡萄糖在G+U-0-1和G+U-0.1-1中的占比。其中,葡萄糖在G+U-0-1和G+U-0.1-1的占比分别是86.72%和72.52%,与WT-0-1和WT-0.1-1相比分别提高了8.51%和9.64%,可能是gls和ugp基因同时过量表达后导致了UDP-葡萄糖的增加。此外,对多糖的抗氧化活性的研究表明G+U-0-1和G+U-0.1-1对·OH的清除能力和总还原力分别比WT-0-1和WT-0.1-1强,可能是单糖组成发生变化导致。以上的研究表明,gls基因是参与灵芝多糖合成的关键酶基因;在灵芝中同时过量表达两个基因是有效的提高灵芝多糖产量的方式;此外,在灵芝中同时过量表达gls和ugp基因可以提高葡萄糖在灵芝多糖中的占比,增强体外抗氧化活性。我们的研究为灵芝多糖的高效生产提供了新的策略,为以后通过调控灵芝多糖组分而提高其药理活性的研究奠定基础。
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