趙貴琴,李婷婷,宋敏杰,孫 宏,勵建榮*,謝 晶,鄧尚貴
痛風作為一種常見的慢性病,其發(fā)病人數呈逐年上升趨勢。目前對于痛風的治療方法主要有抑制尿酸生成和促進尿酸排泄兩種,其中抑制尿酸生成的藥的效果遠高于促進尿酸排泄的藥[1]。常用的抑制尿酸生成的藥,例如別嘌呤醇、非布司他這類化學藥物對腎臟有較大的副作用,不宜長期使用[2]。開發(fā)生物活性成分作為黃嘌呤氧化酶抑制劑成為近年的研究熱點。例如:Li 等[2]從脫酚核桃水解產物、大豆水解產物和鰹魚水解產物中提取出黃嘌呤氧化酶抑制肽;姚蘭等[3]從大葉冬青中分離出了抑制黃嘌呤氧化酶的有效成分;Shi 等[4]從尖蕾狗牙花中分離出的生物堿成分也能較好地抑制黃嘌呤氧化酶。此外,高良姜[5]、鼠曲草[6]、蘆薈[6]、槲皮素[7]等植物源性前體物質中都分離出可有效抑制黃嘌呤氧化酶作用的物質。
嘌呤類物質是引起痛風的前體物質,且黃嘌呤氧化酶(Xanthine oxidase,XOD)是人體尿酸代謝中的最后一個酶,該酶在治療高尿酸血癥及通風方面受到廣泛關注。有研究指出可以通過抑制黃嘌呤氧化酶的活性來減少尿酸的生成[8]。目前已報道許多植物源的黃嘌呤氧化酶抑制劑,如綠原酸[9]、黃酮類物質[10]、白皮杉醇[11]、白藜蘆醇[11]、異丹葉大黃素[11]等,而動物源性的黃嘌呤氧化酶抑制劑鮮有報道。本文選取鱸魚體內的一種肌球蛋白作為研究對象。
傳統(tǒng)的蛋白質純化方法根據蛋白質的溶解度、分子大小、帶電性質和配體特異性的分離方法分為四類[12]。其中根據溶解度的大小純化蛋白可以用鹽析、等電點沉淀和低溫有機溶劑沉淀法;根據蛋白質分子大小可以用透析、超濾和凝膠過濾法;根據帶電性質可用電泳法和離子交換層析法;根據配體特異性分離可以用親和色譜法[13-16]。傳統(tǒng)的蛋白純化方法具有過程繁瑣、歷時長,且得到的產物純度低、產量小等缺點。分子對接技術可以縮短蛋白純化過程所需時間,并可很好地篩選出所需的多肽,對多肽進行生物活性預測及試驗驗證,得出效果良好的多肽。呂靖[17]通過分子對接技術篩選到可以抑制脲酶活性的抑制劑,尿素的快速水解會引起氨的非生產性揮發(fā),造成局部環(huán)境pH值的升高,給環(huán)境和人體帶來負面影響,通過篩選脲酶抑制劑以緩解對環(huán)境和人體造成的危害。樊玥[18]利用分子對接技術將三肽與黃嘌呤氧化酶對接,篩選出其中具有較強ACE 抑制效果的三肽。Palakurti 等[19]利用虛擬篩選、3D 建模篩選出β-分泌酶抑制劑,這類酶抑制劑可以有效緩解阿爾茲海默癥。Wu 等[20]利用分子對接技術成功地從甜高粱籽粒酶解產物中篩選出血管緊張素轉換酶抑制肽,開發(fā)預防高血壓的新型產品。
綜上所述,本文將利用虛擬酶解、分子對接,并結合體外實驗驗證等方法,從鱸魚肌球蛋白中篩選可有效抑制黃嘌呤氧化酶的多肽。通過合成這些多肽,并體外抑制試驗驗證,最終獲得具有良好黃嘌呤氧化酶抑制效果的肽。
鱸魚肌球蛋白氨基酸序列,來自美國國立生物技術信息中心NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)蛋白數據庫[21]:Myosin-7B (Myosin heavy chain 7B,cardiac muscle beta isoform) [Dicentrarchus labrax]1936 aa protein。
別嘌呤醇結構,來自美國國立生物技術信息中心NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)數據庫[21]。
黃嘌呤氧化酶,北京索萊寶科技有限公司;黃嘌呤標準品,北京索萊寶科技有限公司;甲醇(色譜級),上海麥克林生化科技有限公司;冰乙酸(色譜級),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;抗超氧陰離子試劑盒,南京建成生物工程研究所;四丁基氫氧化銨離子對試劑(色譜級),上海邁瑞爾公司;活性肽(純度>95%),生工生物工程(上海)股份有限公司。
高效液相色譜儀島津LC-2030,日本島津公司;電子分析天平MS105DU,瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司;渦旋混合器XH-T,金壇區(qū)白塔新寶儀器廠;電熱恒溫水槽DK-8D,上海-恒科學儀器有限公司;Discovery Studio 2017 R2 Client,美國Accelrys 公司。
1.3.1 虛擬酶解 從美國國立生物技術信息中心NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)蛋白數據庫中檢索鱸魚肌球蛋白可以得到Myosin-7B (Myosin heavy chain 7B,cardiac muscle beta isoform)[Dicentrarchus labrax],該肌球蛋白來自鱸魚心肌,共有1 936 個氨基酸。將該蛋白通過網站(https://www.expasy.org/)PeptideCutter[22]進行虛擬酶解。其中所使用的酶為低特異性的胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶(pH 1.3)、胰蛋白酶,通過這3 種酶的共同作用將上述蛋白質水解為多肽鏈,然后根據需要選擇四肽、五肽和六肽。
1.3.2 分子對接 從蛋白質數據庫PDB(http://www.rcsb.org/)[18]中獲取黃嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase,XOD) 的3D 結構,從中檢索到了1FIQ——一種從牛乳中獲取的黃嘌呤氧化酶的晶體結構。受體蛋白1FIQ 共有6 個結合位點,主要位點為:Fe2S2(無機)團簇(FES)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、二氧鉬離子(MOS)。根據文獻記載,FAD 苯并咪唑類似物對XOD 具有非競爭性、不可逆抑制作用[23],因此,在本次分子對接過程中選擇FAD 結合位點。該結合位點共有12 個氨基酸殘基結合位點:Asp360、Val259、Asn351、Val342、Phe337、Thr262、Glu263、Ile264、Gly350、Ser347、Leu257、Leu404,在該結合位點處能與這些氨基酸殘基結合,則有能抑制XOD 的可能性。同時用篩選出的多肽與黃嘌呤位點進行對接,對結果進行驗證。
將得到的XOD 晶體結構導入Discovery Studio 2017 R2 Client(DS2017),并對其進行分子對接前的去水加氫原子等一些準備操作。將上一步得到的多肽在DS2017 軟件中進行3D 建模,將其作為配體進行能量最小化。
以1FIQ 作為受體蛋白,以虛擬酶解的多肽為配體,以(X:32.366,Y:17.515,Z:111.022)為對接中心,以7.2 為對接半徑進行分子對接。采用Dock Ligands 中的半柔性對接LibDock 進行分子對接,并且設置參數為剛性優(yōu)化、快速篩選,其余設置為默認值進行分子對接。按打分將篩選出的多肽進行下一步操作。
1.3.3 藥物代謝動力學預測 利用Discovery Studio 2017 R2 Client 進行藥物代謝動力學(ADMET)的預測,進一步篩選多肽。ADMET 是對藥物的吸收、分布、代謝、排泄和毒性進行全面的研究[24],ADMET 性質研究主要以人源性或人源化組織功能性蛋白質為“藥靶”,將體外研究技術與計算機模擬等方法相結合[25],研究藥物與體內生物物理和生物化學屏障因素間的相互作用,為體外篩選XOD 抑制劑提供了良好的基礎。
1.3.4 黃嘌呤氧化酶抑制效果驗證 通過高效液相色譜法進行活性驗證,以黃嘌呤轉化量反映酶活性變化,用1 mL 黃嘌呤(200 μL/mL)與50 μL黃嘌呤氧化酶(0.1 U/mL)反應作為空白對照,在反應體系中分別加入 0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,2.0,3.0 mg/mL 的多肽1 mL,根據加入多肽后對整個反應體系中黃嘌呤的轉化量的影響確定其抑制作用,整個反應體系在35 ℃下反應20 min,隨后加入20 μL 鹽酸(1 mol/L)作為反應終止劑。色譜條件根據任麗琨等[26]的研究并稍有改變,色譜條件為:柱溫45 ℃,流動相=V甲醇∶V混合液(V水∶V冰乙酸∶V四丁基氫氧化銨=997∶1.5∶1.5)=5∶95,檢測波長254 nm,流速0.5 mL/min,進樣量10 μL 進行等度洗脫檢測。
超氧陰離子檢測按照試劑盒方法進行檢測,用超氧陰離子試劑盒檢測XOD 氧化黃嘌呤或次黃嘌呤轉化為尿酸的過程中產生的超氧陰離子O2-。
從NCBI 中獲得一條有1 936 個氨基酸的鱸魚肌球蛋白。肌球蛋白是鱸魚體內的主要蛋白之一,并且具有可靠的氨基酸序列。利用Peptide Cutter 模塊,并選擇其中的低特異性的胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶(pH 1.3)、胰蛋白酶3 種酶的組合作用于鱸魚肌球蛋白。因為肽鏈過長的多肽不容易與XOD 的活性位點結合,因此選擇氨基酸較少的肽鏈,根據需要篩選了所需肽鏈,共得到三肽100 條、四肽45 條、五肽39 條、六肽33 條,具體結果如表1所示。
表1 鱸魚肌球蛋白虛擬酶解結果Table 1 Results of virtual enzymatic hydrolysis of myosin in bass
黎青勇[27]已經研究了抑制XOD 的三肽,因此本文主要對四肽、五肽、六肽進行研究。分子對接可以通過研究分子間相互作用從而預測分子間的結合方式,因而被廣泛用于抑制劑的篩選。
受體蛋白1FIQ 共有6 個結合位點,主要活性位點為:Fe2S2(無機)團簇(FES)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、二氧鉬離子(MOS)。根據文獻記載FAD 苯并咪唑類似物對XOD 具有非競爭性、不可逆抑制作用[27],因此,在本次分子對接過程中選擇FAD 結合位點。該結合位點共有12 個氨基酸殘基結合位點:Asp360、Val259、Asn351、Val342、Phe337、Thr262、Glu263、Ile264、Gly350、Ser347、Leu257、Leu404,在該結合位點處能與這些氨基酸殘基結合,則有抑制XOD 的可能性。同時用篩選出的多肽與黃嘌呤位點進行對接,對結果進行驗證。
圖1 1FIQ(左)及FAD 配體(右)Fig.1 1FIQ (left) and FAD ligand (right)
2.2.1 ADMET 及分子對接結果 根據分子對接的打分結果分別選擇出3 種多肽打分最高的10條多肽并對這30 種多肽進行了ADMET 預測。如表2所示,所有多肽水溶性良好且都未顯示出TOPKAT 毒性以及肝毒性,這表明打分較高的這些肽對人體有害的可能性較小[28],雖然穿透血腦屏障的可能性不明確,但是由于其吸收率低可以猜測其對血腦屏障的穿透力也極低,可忽略不計。綜上所述,ADMET 預測結果顯示了人體友好型多肽。
表2 ADMET 及分子對接結果Table 2 ADMET and molecular docking results
根據表3所示內容,在ADMET 預測中只有血漿蛋白預測結果顯示出了差異性,其中EADR、QSSR、ADVDR、NEAVR、NEISTR 的預測結果中顯示其與血漿蛋白的結合能力高于90%,表明這5種多肽與血漿蛋白的結合能力可能高于目標酶,即不能到達目標結合位點產生相應反應[30],因此,這5 種肽不能用于接下來的活性驗證過程。
表3 ADMET 賦分參考表[28-29]Table 3 ADMET scoring reference table[28-29]
在ADMET 預測性能相差不大的情況下,選擇分子對接打分較高的3 種多肽進行分子對接的進一步結合分析以及活性驗證,有文章指出芳香族氨基酸殘基,如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和組氨酸這4 種氨基酸的多肽,更有利于抑制XOD[27],因此選擇選擇五肽EQEEY 進行驗證。最終選擇四肽DIDH、五肽EQEEY、六肽DEEIDN 進行接下來的分析。
2.2.2 多肽抑制XOD 機理 多肽需要與XOD 結合后,才能產生正向或反向的結果,基于此分析DIDH、EQEEY 和DEEIDN 在分子對接過程中與XOD 形成的結構,并對其進行分析。該過程中用已知的XOD 抑制劑別嘌呤醇作為對照,并對篩選出的3 個多肽與XOD 的結合方式與別嘌呤醇與XOD 的結合方式進行對比分析。
(續(xù)表2)
圖2為3 種多肽與XOD 結合后的2D 可視化分析。圖2a 為已知的XOD 抑制劑別嘌呤醇,以它為對照來分析篩選出的3 種肽與XOD 的結合,從而推斷3 種肽是否有抑制XOD 的潛力。別嘌呤醇與XOD 的氨基酸殘基Gly265、Asn261、Gly350 之間形成范德華作用力,與XOD 的氨基酸殘基Glu263、Leu257、Thr262、Ser347 形成氫鍵作用力,與XOD 的氨基酸殘基Val258 和Ile264 之間形成疏水相互作用。別嘌呤醇通過與XOD 的這些氨基酸殘基相互作用結合,從而產生抑制效果。圖2b為DIDH 與XOD 的相互作用模式圖,其中DIDH與XOD 的氨基酸殘基 Glu267、Thr262、Leu305、Lys256、Ala302、Leu287、Pro281、Leu245、Glu402、Lys249 之間形成范德華力,與XOD 的氨基酸殘基Ile264、Gly260、Asn261、Val259、Glu263、Ser347、Gly350、Gly349、Ala301、Leu404 之間形成氫鍵相互作用,與XOD 的氨基酸殘基Leu257、Leu398、Ile403、Ala346、Ile353 之間形成疏水相互作用。圖2c 為EQEEY 與XOD 的相互作用模式圖,EQEEY與XOD 的氨基酸殘基 Asn351、Gly350、Glu267、Ser347、Val345、Gly260、Leu257、Pro253、Glu254、Ala255、Ile353、Gly399、Pro400、Leu397、Lys395、Ser392 之間形成范德華力,與XOD 的氨基酸殘基Val259、Glu263、Ile264、Arg394、Leu398、Thr396 之間存在氫鍵作用,與XOD 的氨基酸殘基Ala346之間產生疏水相互作用。圖2d 為DEEIDN 與XOD 的相互作用模式圖,DEEIDN 與XOD 的氨基酸殘基 Val345、Leu404、Gly349、Thr354、Ile353、Ala346、Val342、Ile264、Asn331、Phe337、Leu305、Gly265、Val258、Pro400、Gly399、Glu402、Lys249、Ile403、Arg394 形成范德華作用力,與XOD 的氨基酸殘基Thr262、Asn261、Ser347、Gly260、Thr396、Leu257、Val259、Lys256 形成氫鍵相互作用,與XOD 的氨基酸殘基Leu398 形成疏水相互作用。
圖2 別嘌呤醇-XOD(a)、DIDH-XOD(b)、EQEEY-XOD(c)、DEEIDN-XOD(d)FAD 結合位點2D 模式圖Fig.2 2D pattern diagram of FAD binding sites of Allopurinol-XOD (a),DIDH-XOD (b),EQEEY-XOD (c),DEEIDN-XOD (d)
3 種肽與XOD 的氨基酸殘基結合情況可以看出,DEEIDN 與XOD 的結合最為穩(wěn)固,不僅作用的氨基酸數量最多,而且形成氫鍵的數量也多,DEEIDN 相比于其它兩種肽,與重要氨基酸殘基的結合量是4,是3 種肽里最多的,所以預測DEEIDN 將擁有最好的XOD 抑制活性。DIDH 的氫鍵形成數量是10,是3 種肽里形成氫鍵最多的肽,因此與XOD 形成了最穩(wěn)定的結構[31],但是由于其氨基酸數量是3 種肽里最少的,這可能導致了其與有效氨基酸殘基的結合數量不高,所以抑制活性較DEEIDN 低[32]。最后是EQEEY,它是與XOD 作用最少的肽,與有效氨基酸殘基的結合有2 個,因此預測其活性較低,但是因為其分子質量大于DIDH,所以可能在進入活性口袋的過程中易被阻隔[33]。根據上述結果,以別嘌呤醇與XOD 的氨基酸殘基結合為標準,統(tǒng)計了篩選出的3 種肽與別嘌呤醇一致的結合位點,其中只有疏水相互作用沒有出現在篩選出的3 種肽中。
將篩選出的3 種肽與XOD 的已知活性抑制位點——黃嘌呤結合位點(對接中心為X:20.162026,Y:9.638915,Z:122.168331)進行對接,只有四肽DIDH 可以與該位點結合。DIDH 與XOD 的氨基酸殘基 Phe649、Val1011、Ser876、Phe1099、Leu873、Ser1075、Phe1013 之間形成范德華力,與Glu802、Pro1076、Asn768 之間形成氫鍵,與Leu648、Leu1014 間形成疏水相互作用。黃嘌呤位點的對接可以證明DIDH 有可能是在這個位點與XOD 對接從而抑制XOD 活性,但是其它篩選出的肽卻無法通過該位點進行直接對接,間接證明了FAD 位點成為XOD 抑制肽的篩選位點。與黃嘌呤結合位點相比,FAD 位點處可以與更多的氨基酸殘基相接觸,并且因為可定義的活性位點半徑遠大于黃嘌呤結合位點,所以可以容納分子質量較大的肽,這一點也說明了黃嘌呤位點只能與四肽DIDH 結合。
圖3 DIDH-XOD 黃嘌呤結合位點2D 模式圖Fig.3 2D pattern diagram of DIDH-XOD xanthine binding site
表4 XOD 氨基酸殘基結合對照表Table 4 Comparison table of XOD amino acid residue binding
2.2.3 活性驗證結果 從生工生物工程(上海)股份有限公司合成了純度>95%的DIDH、EQEEY、DEEIDN 以進行最終的活性驗證,首先用質量濃度為10 mg/mL 的3 種多肽驗證其是否有XOD 抑制性,然后確定有抑制效果的多肽,并測定其半抑制濃度。
根據圖4b 可以確定黃嘌呤在該液相條件下在9.844 min 時出的峰,其峰面積為6 166 632,然后在相同的條件下檢測出加入50 μL XOD 后結果如圖4a 所示,黃嘌呤的峰面積減小為3 418 978,這說明在該反應條件下XOD 具有良好的酶活能夠降解黃嘌呤。在此基礎上,分別向反應體系中加入10 mg/mL 的3 種多肽,在反應相同時間后發(fā)現其具有良好的XOD 抑制活性,加入3 種多肽的反應體系中,黃嘌呤并未明顯減少,其峰面積保持在6 048 187,5 959 283,6 030 867,與對照組黃嘌呤的含量差別不大,因此可以看出,3 種多肽具有良好的XOD 抑制活性。根據圖5可以直觀地看出3種肽中DEEIDN 擁有相對較好的XOD 抑制性,3種肽的抑制效果都非常明顯。該結果與上述的分子對接結果相一致。
圖4 黃嘌呤+XOD(a)、黃嘌呤(b)、黃嘌呤+XOD+DIDH(c)、黃嘌呤+XOD+EQEEY(d)、黃嘌呤+XOD+DEEIDN(e)液相示意圖Fig.4 High performance liquid phase diagram of xanthine+XOD (a),xanthine (b),xanthine +XOD+DIDH (c),xanthine +XOD+EQEEY (d),xanthine +XOD+DEEIDN (e)
圖5 黃嘌呤+XOD(a)、黃嘌呤(b)、黃嘌呤+XOD+DIDH(c)、黃嘌呤+XOD+EQEEY(d)、黃嘌呤+XOD+DEEIDN(e)活性驗證效果統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical results of activity verification of xanthine +XOD (a),xanthine (b),xanthine +XOD+DIDH (c),xanthine +XOD+EQEEY (d),xanthine+XOD+DEEIDN (e)
為了進一步確認3 種多肽的抑制活性,通過濃度梯度反應以及SPSS 軟件確定其半抑制濃度[34]。
抑制率的計算公式為:
表5 DIDH、EQEEY、DEEIDN 的抑制率及半抑制濃度統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of inhibitory rates and semi-inhibitory concentrations of DIDH,EQEEY,DEEIDN
在相同濃度下,3 種肽的抑制率及半抑制濃度都有不同的分布。從抑制率方面來看,DEEIDN的抑制率在濃度變化不大的情況下迅速發(fā)生變化,隨著濃度的變化幅度增大,其抑制率的增速反而下滑,這說明其半抑制濃度較小,根據SPSS 的統(tǒng)計分析其IC50=0.503 mg/mL,具有較強的XOD抑制活性,是3 種多肽中半抑制濃度最小的,并且DEEIDN 在相同的情況下,抑制率也是最高的,這與上述的分子對接結果相一致。DIDH 的抑制率是最低的,其半抑制濃度IC50=0.976 mg/mL,數據表明DIDH 對XOD 的抑制性是最低的,根據與XOD氨基酸殘基的結合情況來看,很有可能是因為與Gly350 形成的范德華力的抑制效果大于與Ser347形成氫鍵的效果。在這種高劑量的情況下,可能會對人體造成未知的傷害,并且其工業(yè)化應用的成本高,不宜產業(yè)化使用。EQEEY 在濃度較小的情況下,抑制率就已經是三者中最高的,隨著濃度的增大,抑制率的升高速率逐漸減慢,導致了其半抑制濃度的增大,其半抑制濃度IC50=0.512 mg/mL。EQEEY 的抑制效果比DIDH 高,但又比EQEEY低,但其在低濃度的范圍下抑制率較高,可以將這一特性轉化為實際生產中的應用,在質量濃度小于0.5 mg/mL 的使用情況下,這3 種肽中EQEEY最具競爭力。
由于XOD 將黃嘌呤或次黃嘌呤轉化為尿酸的同時,會產生超氧陰離子O2-從而導致對機體的氧化損傷,因此可以從超氧陰離子的產生效果間接來看小肽分子對XOD 的抑制性。
抗超氧陰離子自由基活力單位的公式:
3 種肽的抑制超氧陰離子的效果已經統(tǒng)計出,在稀釋相同倍數的情況下,加入DEEIDN 后產生的抗超氧陰離子自由基單位最多。3 種多肽的抗自由基能力都低于標準品VC,但是對于空白組來說,可以減少超氧陰離子自由基對人體的損傷。3 種多肽的抗超氧陰離子自由基的能力 DEEIDN>EQEEY>DIDH,與上述3 種多肽的活性驗證結果相一致,也與分子對接結果相一致。說明3 種多肽不僅對超氧陰離子自由基的產生有一定的抑制效果,而且對XOD 具有一定的抑制效果,成功篩選出了具有XOD 抑制性的活性肽。
表6 DIDH、EQEEY、DEEIDN 的超氧陰離子抑制效果Table 6 Inhibitory effect of DIDH,EQEEY,DEEIDN on superoxide anion
本文通過線上虛擬酶解從鱸魚肌球蛋白中分離出了多肽,并且對符合分子對接要求的多肽進行了ADMET 預測及分子對接打分,從中成功地篩選出對人體友好,且有抑制XOD 活性潛力的3種多肽。在對這3 種多肽進行活性驗證后,發(fā)現了六肽DEEIDN 不僅具有良好的XOD 抑制率,半抑制濃度低于另外兩種肽,并且可以有效地清除超氧陰離子自由基,減少黃嘌呤氧化酶反應過程中產生的活性氧對人體造成的氧化傷害,是一種有研究前景的XOD 抑制肽。
協(xié)同增效是功能性肽的一個發(fā)展趨勢[35-36],因此,在篩選出XOD 抑制肽后,可以尋求其它有效成分與篩選出的多肽一起作用于XOD,使其抑制效果大于單一抑制劑對XOD 的抑制性是本試驗下一步的目標。