Spirulina maxima藻蓝蛋白裂合酶CpcS的克隆、表达及功能研究(文献综述)
- 藻蓝蛋白
藻蓝蛋白是从螺旋藻中分离出的一种深蓝色粉末，是一类普遍存在于蓝藻细胞中的光合辅助色素。主要存在于蓝藻、红藻和隐藻中。属蛋白质结合色素，因此具有与蛋白质相同的性质，等电点为3.4，溶于水不溶于醇和油脂，对热、光、酸不稳定。在弱酸性和中性下稳定（pH4.5~8），酸性时（pH4.2）发生沉淀，强碱可至脱色。它既是一种蛋白质，又是一种极好的天然食用色素，同时又是良好的保健食品。
藻蓝蛋白是一种特殊的色素蛋白，由开链四吡咯化合物和脱辅蛋白通过硫链键结合[1]，其理论研究和应用近年来得到广泛的重视。分离纯化的藻蓝蛋白在溶液中呈蓝色，并发出紫色荧光，在波长620nm具有特征吸收峰。藻蓝蛋白在螺旋藻中的含量高达10%〜20%,是螺旋藻细胞中重要的光合作用的天然色素，在光合作用中能以近乎100%的高效率把光能优先地传递给光系统[2,3]。
- 藻蓝蛋白的生物合成
光学活性藻蓝蛋白的合成过程中重要的一步是藻蓝胆素与脱辅基蛋白的共价偶联，而藻蓝胆素与脱辅基蛋白的正确连接需要特定的色基裂合酶的催化。光学活性藻胆蛋白的生物合成一般需要脱辅基藻蓝蛋白（CpcA,CpcB），色基合成酶（Hox1,PcyA），色基裂合酶三种元件的共同参与。藻蓝蛋白的合成是一个复杂的过程，研究得比较详细的是蓝藻中的 Synechococcus sp.PCC 7002。在该藻种中的七个多肽链上有8个不同的色素连接位点， 且所有发色基团均为藻蓝胆素[4]。其中cpcE基因和cpcF基因编码的蛋白，当它们共同作用时，对于催化藻胆蛋白的alpha;-亚基与发色团连接过程非常重要。Fairchild等的工作也证明[5]，cpcE和cpcF在大肠杆菌中表达的蛋白能够在体外特异性地催化藻蓝胆素连接到藻蓝蛋白alpha;-亚基的色素连接位点，即Cys-84上，并形成正确的反应物。CpcE 和CpcF是被发现的第一个具有特异性位点催化的藻蓝色素蛋白裂合酶。通过对CpcE 和CpcF的功能研究和蛋白同源性比对，可能发现其他一系列的色素蛋白裂合酶，同时也可能清晰地研究藻胆蛋白的生物合成途径。
- 藻蓝蛋白裂合酶
藻蓝蛋白裂合酶CpcE/F首先由Fairchild小组从Synechococcussp.PCC 7002中发现[5]，研究结果表明CpcE/F能够在体外催化藻蓝胆素（PCB）与藻蓝蛋白alpha;亚基脱辅基蛋白（CpcA）共价连接，PCB是以硫醚键连接到Cys-84上，该结果还指出需要2个亚基协同作用才能起到催化作用，证实CpcE/F是催化藻蓝蛋白合成的裂合酶[6]。
藻蓝蛋白和藻红蓝蛋白已经被研究的很详细，继催化alpha;-亚基的Cys-84连接PCB的裂合酶CpcE/F、PecE/F被发现后，beta;亚基Cys-84位的裂合酶CpeS也被报道。越来越多的裂合酶最近已被确定可催化色素的结合，它们不仅对色素，而且对脱辅基蛋白和结合位点也具有特异性。
- 螺旋藻藻蓝蛋白的重要价值及生物合成的意义
藻蓝蛋白既可以作为天然色素广泛应用于食品、化妆品、燃料工业，同时藻蓝蛋白具有强烈荧光可制成荧光试剂、荧光探针、荧光示踪物质等，用于临床医学诊断、免疫化学及生物工程等研究领域中[7.8]。作为一种重要的生理活性成分，又可制成药品用于医疗保健上。同时藻蓝蛋白还是一种无毒副作用的理想光敏剂[3]。螺旋藻多糖和藻蓝蛋白是螺旋藻中的重要活性物质[9]。近年来，国内外人员研究表明，螺旋藻具有抗疲劳、抗辐射、抗病毒、抑制肿瘤、抗过教、增强免疫力等多种功能，这决定了螺旋藻及其活性成分在功能性食品研究与开发方面有着广阔的应用前景[10]。尽管可以从天然蓝藻里面提取一定量的藻胆蛋白，但工艺和复杂，分离纯化困难，提取量也不多，因此，螺旋藻藻蓝蛋白的生物合成对于大量制取藻蓝蛋白就有了特别重要的意义。由于藻蓝蛋白具有良好的开发前景,在螺旋藻的含量较高,螺旋藻中藻蓝蛋白的研究成了藻类蛋白研究的热点。
- 螺旋藻藻蓝蛋白裂合酶功能研究的意义
藻胆蛋白的合成过程早已清楚，但是在众多的基因中去筛选催化藻胆蛋白特定色素结合位点的裂合酶是一项复杂但是很有意义的工作。有实验表明[11]，把色素合成酶和裂合酶融合后，其催化产生的色素蛋白，与不融合相比较，其光谱峰位置基本没有改变，但其荧光量子率有所提高，这可能与缩短了色素化的时间有关。在CpcS参与的催化反应中，涉及PEB的荧光产量提高了一倍多，这可能是由于CpcS有结合和稳固色素的能力，它增强了色素的穿梭与传递。
自由基过剩是机体衰老的主要原因，可引起多种疾病(如动脉粥样硬化、心血管疾病、脑神经细胞变性、糖尿病及肿瘤等)。目前，服用过多的合成抗衰老药物对人体有毒副作用。因此，寻求新的天然抗氧化剂、抗衰老药物对人类健康具有重要意义，海洋生物抗氧化剂因其抗氧化作用强、种类多、结构复杂、副作用低等优点成为人们研究的热点。研究表明，螺旋藻和藻胆蛋白具有抗氧化活性，能抑制机体内自由基积累，延缓机体衰老，抑制肿瘤的发生，并具有降血压活性。国外已有报道，从紫球藻中己得到具有明显降血压作用的活性肽。因此合理开发和利用螺旋藻及藻蓝蛋白提高其应用价值对人类抗衰老工程具有极其重要的意义。而藻胆色素的生物合成为脱辅基蛋白和辅基色素的结合创造条件,一般来说，其结合需要裂合酶的催化。对裂合酶的研究是藻胆蛋白生物合成的最后一步。尽管藻胆蛋白的应用仍然受到较多因素的影响，但是裂合酶作用的研究对藻胆蛋白合成过程具有重要的意义。
参考文献：
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