酪氨酸酶結(jié)構(gòu)功能分析及其抑制物的設(shè)計

熊東彥，李志遠，黃 丹，慕 昕，劉 楨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

酪氨酸酶結(jié)構(gòu)功能分析及其抑制物的設(shè)計

熊東彥，李志遠，黃 丹，慕 昕，劉 楨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑色素生成與酪氨酸酶相關(guān)。在保證健康的前提下，為了適當抑制黑色素生成，美白皮膚，我們使用生物信息學(xué)方法研究了酪氨酸酶的性質(zhì)，并針對其性質(zhì)設(shè)計了抑制分子。利用遺傳算法得到了不同物種的酪氨酸酶系統(tǒng)進化樹，發(fā)現(xiàn)東非狒狒、獼猴等的酪氨酸酶與人類的具有較高的相似度。在PDB數(shù)據(jù)庫中預(yù)測到人類酪氨酸酶與巨大芽孢桿菌酪氨酸酶在空間結(jié)構(gòu)上具有最大相似度。N端與C端分別有1個β-折疊，N端與C端之間有多個α-螺旋。由此發(fā)現(xiàn)，Zn2+和Cl-能夠有效降低酪氨酸酶的活性。黑色素合成受信號通路調(diào)控，JNK通路可以通過阻止cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白來抑制酪氨酸酶的合成。雌激素為黑色素合成的“第一信使”，其作用通過ER途徑介導(dǎo)，由此尋找到抑制其活性的分子，比如埃克替尼、阿帕替尼。

酪氨酸酶；生物信息學(xué)；抑制分子；系統(tǒng)進化樹

黑色素是一種生物色素，能保護生物體免受紫外線傷害，過多的黑色素沉積易引發(fā)黑色素瘤。黑色素合成受多個途徑調(diào)控，其中，由酪氨酸酶參與的合成途徑是黑色素合成的重要途徑之一。酪氨酸酶是一種氧化還原酶，廣泛存在于各生物中，與生物體合成色素直接相關(guān)。目前，酪氨酸酶在醫(yī)療美容方面的應(yīng)用發(fā)展迅速。隨著生活水平的提高，人們對美的享受也越來越講究，美白劑的開發(fā)隨之成為化妝品行業(yè)關(guān)注的焦點之一。

目前，市場上的美白劑主要有熊果苷、曲酸等，文獻表明這些物質(zhì)均具有較好的美白功效，但這些物質(zhì)具有一定的皮膚刺激性，或穩(wěn)定性較差。如何實現(xiàn)“安全、健康美白”已經(jīng)成為一個熱點問題。在本次研究中，我們利用生物信息學(xué)分析了酪氨酸酶合成與代謝通路，提出了相應(yīng)的調(diào)控機制，設(shè)計出了能夠改善人類皮膚健康問題的、安全無副作用的絡(luò)氨酸酶抑制分子。這將對美白產(chǎn)品的研制及色素性皮膚損傷治療具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 人類酪氨酸酶的系統(tǒng)進化樹

1 進化分析

在NCBI的UniGene數(shù)據(jù)庫中檢索到人類酪氨酸酶的氨基酸序列導(dǎo)入NCBI數(shù)據(jù)庫中，利用Multi-BLASTp進行多序列比對，下載包括人類在內(nèi)的前25名物種的酪氨酸酶氨基酸序列的fasta文件，利用Mega7設(shè)置大于70%相似度系數(shù)，選擇NJ算法，計算得到了系統(tǒng)進化樹，如圖1所示。

分析進化樹發(fā)現(xiàn)，與人類酪氨酸酶的一級結(jié)構(gòu)具有較高相似度的其他物種的酪氨酸酶分別為東非狒狒、大鼠、獼猴和小鼠的酪氨酸酶。為了進一步挖掘可能具有相似功能的其他物種的酪氨酸酶，我們進行了高級結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)構(gòu)分析

由于該酶的高級結(jié)構(gòu)暫時不清楚，所以，我們采用生物信息學(xué)方法用一級結(jié)構(gòu)預(yù)測高級結(jié)構(gòu)。我們將氨基酸序列導(dǎo)入PDB數(shù)據(jù)庫中，在Search欄目中使用Sequence Search方法，按照相似度排名得到以下結(jié)果，如圖2所示。

圖2中從上到下、從左至右的PDB ID為3NPY、3NQ1、3NTM、3NM8、3NQ0、3NTM，這些酪氨酸酶都提自巨大芽孢桿菌，所以根據(jù)數(shù)據(jù)篩選發(fā)現(xiàn)，東非狒狒、大鼠、獼猴、小鼠和巨大芽孢桿菌這5個物種的酪氨酸酶可能與人類的酪氨酸酶具有非常相似的結(jié)構(gòu)與功能。我們提出了一種研究思路，可以分別尋找這些物種的酪氨酸酶的抑制分子。

對于高級結(jié)構(gòu)設(shè)計抑制分子，我們想到了通過破壞結(jié)構(gòu)域的方式進行研究，選擇了相似度排名前三的3NPY、3NQ1、3NTM作為分析對象，具體如圖3所示。

圖2 人類酪氨酸酶高級結(jié)構(gòu)分析

圖3 巨大芽孢桿菌酪氨酸酶高級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖3中我們可以看出，酪氨酸酶的N端與C端分別有一個β-折疊（Secsine部分的黃色元件），N端與C端之間有數(shù)個α-螺旋，這樣的結(jié)構(gòu)有利于酪氨酸酶形成活性中心，我們分析Cu離子位于這個活性中心處。Zn離子能夠通過不與底物結(jié)合的方式抑制酶活性。

3 黑色素合成相關(guān)通路的研究

黑素細胞是人體表皮基底層中產(chǎn)生黑色素的細胞。哺乳動物黑色素的合成在不同生長階段均受到調(diào)控。主要是通過有關(guān)信號通路調(diào)節(jié)基因的表達，包括TYR、TRP-1、TRP-2這些信號通路的起始由各種激素誘發(fā)。有3條最重要的抑制黑色素形成的信號通路：cAMP信號通路、Wnt信號通路以及ERK信號通路。

α-促黑色素激素（α-MSH）是來源于阿片-促黑素細胞皮質(zhì)激素元（POMC）的一種多肽，通過cAMP依賴的信號通路來調(diào)節(jié)黑色素的合成。當α-MSH與黑色素細胞膜上的腎上腺皮質(zhì)受體結(jié)合后，通過G蛋白偶聯(lián)受體會激活腺苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生cAMP，其隨后激活PKA，后者通過環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白的磷酸化，從而激活MITF基因的表達，最后，MITF有效激活與黑色素形成相關(guān)的蛋白的表達，最終促進黑色素的形成。Wnt信號通路中Wnts是一類富含半胱氨酸的分泌性糖蛋白，在胚胎發(fā)育中起重要作用。該通路起始于Wnt與卷曲蛋白的結(jié)合，通過靶向調(diào)控MITF基因的表達來調(diào)節(jié)黑色素的形成。在缺乏Wnt信號通路的細胞中，β鏈蛋白是由糖原合成酶-3磷酸化，而磷酸化的β鏈蛋白由泛素連接符合體識別，通過泛素依賴途徑使β鏈蛋白降解。

4 結(jié)論

系統(tǒng)進化樹中人類酪氨酸酶的一級結(jié)構(gòu)具有高相似度的其他物種酪氨酸酶分別為東非狒狒、大鼠、獼猴、小鼠；高級結(jié)構(gòu)預(yù)測中人類酪氨酸酶與巨大芽孢桿菌的酪氨酸酶高級結(jié)構(gòu)相似，所以，可以分別從一級和高級結(jié)構(gòu)分別研究對應(yīng)的低級物質(zhì)酪氨酸酶性質(zhì)，設(shè)計初步抑制分子最后使用到人類身上。酪氨酸酶的N端與C端分別有1個β-折疊，N端與C端之間有數(shù)個α-螺旋，這樣的結(jié)構(gòu)有利于酪氨酸酶形成活性中心，Cu離子位于這個活性中心處，可以利用適當?shù)姆忾]劑封閉銅離子；Zn2+能阻止蛋白質(zhì)活性但不抑制底物結(jié)合。MAPk通路是細胞外信號引起細胞生理反應(yīng)的共同途徑，JNK通路則可以通過降低cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白的結(jié)合來抑制酪氨酸酶的合成。

［1］陳清西，宋康康.酪氨酸酶的研究進展［J］.廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（05）.

［2］穆燕，李琳，董方圓，等.對甲氧基肉桂酸對酪氨酸酶的抑制機理［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（12）.

［3］鄧觀杰，劉有停，凌沛學(xué).丹皮復(fù)方提取液美白功效研究［J］.藥學(xué)研究，2016（05）.

〔編輯：張思楠〕

S917.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.118

2095-6835（2017）13-0118-02

熊東彥，就讀于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，研究方向為生物信息學(xué)。