Stenotrophomonas maltophilia KJ-2 균주로부터 얻은 PolyMG-specific 알긴산분해효소의 상동성 모델링 및 활성자리 연구

Abstract

알긴산은 <TEX>${\alpha}$</TEX>-L-guluronic acid와 <TEX>${\beta}$</TEX>-D-mannuronic acid가 (1-4) 결합한 선형 산성다당류이다. 알긴산은 다양한 알긴산 분해효소들에 의하여 분해되는데 <TEX>${\beta}$</TEX>-제거반응으로 비환원 말단에 이중결합이 있는 불포화 우론산 올리고머가 생산된다. 본 연구실에서는 이전에 Stenotrophomonas maltophilia KJ-2로부터 새로운 구조를 가진 polyMG lyase를 재조합하였다. KJ-2 polyMG lyase의 단백질구조를 예측하기 위하여 상동성 모델링을 한 결과 Azotobacter vinelandii가 생산하는 세 종류의 polyMG lyase들이 모두 PL7 family에 속하는 반면 KJ-2 polyMG lyase는 PL6 family에 속하였다. 또한 <TEX>$^1H$</TEX>-NMR spectra를 분석한 결과 polyMG lyase는 M-<TEX>${\beta}$</TEX>(1-4)-G 당쇄결합을 분해하고 G-<TEX>${\alpha}$</TEX>(1-4)-M 결합은 거의 분해하지 못하는 것으로 나타났다. 예측된 polyMG lyase 모델을 기초로 하여 14군데 아미노산 잔기를 선택하였으며 17개의 돌연변이체를 만들어 알긴산 분해효소의 활성을 측정하였다. Lys220Ala, Arg241Ala, Arg241Lys및 Arg265Ala 돌연변이체들은 완전히 알긴산 분해효소의 활성을 잃었으며 Arg155Ala, Gly303Glu 및 Tyr304Phe 돌연변이체들의 분해활성은 19.1-39.3%까지 감소하였다. 이러한 결과들로부터 Arg155, Lys220, Arg241, Arg265, Gly303 및 Tyr304 들은 알긴산 분해효소의 촉매활성과 기질결합에 중요한 잔기들임을 알 수 있다. Alginates are linear acidic polysaccharides composed with (1-4)-linked <TEX>${\alpha}$</TEX>-L-guluronic acid and <TEX>${\beta}$</TEX>-Dmannuronic acid. Alginate can be degraded by diverse alginate lyases, which cleave the alginate using a <TEX>${\beta}$</TEX>-elimination reaction and produce unsaturated uronate oligomers. A gene for a polyMG-specific alginate lyase possessing a novel structure was previously identified and cloned from Stenotrophomonas maltophilia KJ-2. Homology modeling of KJ-2 polyMG-specific alginate lyase showed it belongs to the PL6 family, whereas three Azotobacter vinelandii polyMG lyases belong to the PL7 family of polysaccharide lyases. From <TEX>$^1H$</TEX>-NMR spectra data, KJ-2 polyMG lyase preferably degraded the M-<TEX>${\beta}$</TEX>(1-4)-G glycosidic bond than the G-<TEX>${\alpha}$</TEX>(1-4)-M glycosidic bond. Seventeen mutants were made by site-directed mutagenesis, and alginate lyase activity was analyzed. Lys220Ala, Arg241Ala, Arg241Lys, and Arg265Ala lost alginate lyase activity completely. Arg155Ala, Gly303Glu, and Tyr304Phe also lost the activity by 60.7-80.1%. These results show that Arg155, Lys220, Arg241, Arg265, Gly303, and Tyr304 are important residues for catalytic activity and substrate binding.