卡拉胶酶是一类专一性降解卡拉胶分子中β-1,4糖苷键的糖水解酶，根据其降解底物的不同主要分为κ-、ι-和λ-卡拉胶酶三种类型。卡拉胶酶广泛应用于寡糖制备、卡拉胶结构鉴定、海藻原生质体制备等方面。目前所发现的卡拉胶酶大多数属于κ-卡拉胶酶，而ι-和λ-卡拉胶酶较少。根据序列和结构的特征，ι-卡拉胶酶被归属为糖水解酶82家族（GH82），目前该家族共有9个基因，其中只有4个进行了重组表达和性质研究，但其底物识别机制仍不清楚。
糖生物学实验室于文功教授课题组从青岛近海分离到一株海洋细菌Cellulophaga sp. QY3，从该菌中发现了两种新的ι-卡拉胶酶CgiA和CgiB，克隆了其编码基因，并在大肠杆菌中进行了高效表达。这两种酶都归属于GH82家族，只断裂ι-卡拉胶分子中的β-1,4糖苷键，对κ-和λ-卡拉胶均不降解。于文功教授课题组与英国Imperial College柴文刚教授、山东大学王禄山教授、法国Centre National de la Recherche Scientifique的Gurvan Michel教授合作，对CgiA的结构和功能进行了研究，初步阐明了GH82家族的底物识别机制。
CgiA降解非胶态底物时表现出随机内切酶的特点，而降解胶态底物时则采用持续性降解的方式，这一特点是在GH82家族的ι-卡拉胶酶中首次报道。通过对CgiA三维结构和降解产物的综合分析可知，该酶的催化腔大小为8（-4~+4），最小降解底物为新ι-卡拉六糖，六糖在催化腔中占据-4~+2位点。通过对GH82家族催化腔的保守性分析、定点突变、突变酶的催化动力学分析等，证明了Y229、R254是该酶与底物结合相关的重要氨基酸残基，分别与-1、+1位相邻糖单元的硫酸根相互作用。Y229的侧链羟基通过氢键与底物相互作用，而侧链苯环应该是为羟基提供合适的距离和朝向，另外Y229前后相邻的都是在GH82家族中完全保守的甘氨酸，这两个甘氨酸能够为酪氨酸残基与底物的有效结合提供必要的空间和柔性。+1位的R254与ι-卡拉胶中DA2S的硫酸根形成离子键，而κ-卡拉胶与ι-卡拉胶具有相同的骨架结构，唯一的区别是κ-卡拉胶的糖单元DA上缺少硫酸基团，因此CgiA与κ-卡拉胶的结合力弱，所以无法催化κ-卡拉胶的β-1,4糖苷键的断裂。
CgiB是一种典型的内切酶，降解主产物为新ι-卡拉四糖，且四糖在终产物中约占80%，并且该酶发挥活性时不依赖NaCl，因此对卡拉胶寡糖的酶解制备和纯化具有重要意义。
该研究得到了国家自然科学基金、863课题、海洋公益性行业科研专项基金等项目的资助。
论文链接：
PLoS One, 2013, 8(5): e64666 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3669377/
Biotechnol Lett, 2013, 35: DOI: 10.1007/s10529-013-1244-0
