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D-丙氨酸缺失时耻垢分枝杆菌中丙氨酸消旋酶对生长必需
摘要:丙氨酸消旋酶,由alr基因编码,是在肽聚糖生物合成中合成D-丙氨酸的一种重要
酶。发现耻垢分枝杆菌中的alr基因的缺失突变株需要D-丙氨酸才能在培养基中生长。这
表明,丙氨酸消旋酶是耻垢分枝杆菌细胞壁的生物合成中D-丙氨酸的唯一来源,并证实丙
氨酸消旋酶可以作为一个靶基因来开发抗分枝杆菌药物。
结核病是世界传染病死亡率领先的疾病。每年近200万人死于结核病,三分之一的世
界人口潜伏感染结核杆菌(6,35)。由于其对全球健康的重要性,研究者对抗结核药物的
识别和发展有极大的兴趣。一个具有显著历史价值的目标就是丙氨酸消旋酶(5,14,22)。
丙氨酸消旋酶是维生素B6的磷酸盐同型二聚体酶,其催化L-丙氨酸向D-丙氨酸的转化,
是细菌细胞壁生物合成肽聚糖层中一个关键步骤。丙氨酸消旋酶通常不存在于真核生物中
但原核生物中普遍存在,这使得这种酶成为新型抗菌药物开发很吸引力的目标。
虽然D-丙氨酸对细菌细胞壁的形成至关重要,但确定是哪个基因对D-丙氨酸生物合成
途径重要是复杂的。细菌含有一个或两个丙氨酸消旋酶的基因。具有两个基因的物种,一
个是组成型表达和合成代谢,而另一种是诱导型和分解代谢(25-27)。这些基因提供细
胞壁生物合成所需要的D-丙氨酸,并通过敲除这些细菌的几个基因的研究确定,在无外源
D-丙氨酸时丙氨酸消旋酶对生长是必不可少的。某些细菌中,产生D-丙氨酸的另一种途
径,是利用D-氨基酸转氨酶。例如,在单核细胞增生李斯特氏菌中,dal和dat基因,分
别编码丙氨酸消旋酶和D-氨基酸转氨酶,必须都失活以产生D-丙氨酸营养缺陷体
(29)。这也是事实,对于某些细菌具有一个D-氨基酸转氨酶,如枯草芽孢杆菌,丙氨
酸消旋酶在丰富和最小含量L-丙氨酸(2,8,28)培养基已被证明是必要的。
在分枝杆菌,关于丙氨酸的必要性的数据到目前为止仍有争议。耻垢分枝杆菌研究表
明,即使在D-丙氨酸缺乏时,丙氨酸消旋酶对生长是非必需(4)。在该研究中的丙氨酸
消旋酶基因插入失活。虽然这种失活不是致命的,但是突变显示大大降低增长能力和对D-
环丝氨酸的高度灵敏,这是丙氨酸消旋酶的一种抑制剂。该作者将意想不到的结果归于可
能存在另外一个D-丙氨酸的合成的替代的途径,有可能涉及D-氨基酸转氨酶。然而,随后
2
的耻垢分枝杆菌mc155基因组的公布却未能显示出任何显著同源性的D-氨基酸转氨酶。
另外,萨塞蒂等具有里程碑意义的研究,通过划定全基因组转座子插入失活所有生长所必
需的结核分枝杆菌基因,表明丙氨酸消旋酶明显对生长必需(21)。因为结核分枝杆菌和
耻垢分枝杆菌之间的这个意外的差异,而且由于最近耻垢分枝杆菌表现出极大的效用可代
替结核分枝杆菌用于抗结核药物的设计(1),我们决定重新研究这个问题。
耻垢分枝杆菌alr基因的缺失导致需D-丙氨酸才能生长。该ALR基因在耻垢分枝杆菌
2
mc155失活(23)是通过将其99%的编码序列替换为来自pUC18K的卡那霉素抗性编码序
列(表1)生长和诱变使用的标准协议的如先前所述(30)。所有常规克隆均在大肠杆菌
DH10B中进行,培养于初始pH7.0,37℃下在LB培养基或在LB琼脂板(20)。当需要
时,蔗糖加入10%到平板(重量/体积),和卡那霉素,潮霉素,和庆大霉素分别使终浓
度为25,50和5微克/毫升。alr基因的侧翼区(1,000bp)由PCR扩增分别使用的引物
对AlrKO1和AlrKO2和引物对AlrKO3和AlrKO4(表1)。由此产生扩增子的同时将卡那
霉素抗性序列(KpnI-HindⅢ片段含来自pUC18K的APHA-3)连接到含BamHⅠ-XbaⅠ转
移载体pPR23(19,30),这样就产生pDM2(图1)。敲除载体pDM2电转化到耻垢分
2
枝杆菌菌株mc155(0.2厘米间隙比色皿在2.5千伏,1,000Ω和25μF),然后在28℃下
筛选有卡那霉素抗性(Kanr)的菌落,复制温度敏感性载体。所得到的菌株(DM5)在
28℃下在补充有0
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