李佳蕓,王欣之,韋源青,卞慧敏,劉 睿,3, ,吳 皓,
(1.江蘇省海洋藥用生物資源研究與開發(fā)重點實驗室,江蘇南京 210023;2.南京中醫(yī)藥大學藥學院,江蘇南京 210023;3.南京中醫(yī)藥大學,江蘇省中藥資源產業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210023)
馬氏珍珠貝(Pinctada martensiiDunker)是生產海水珍珠的主要貝類,其育珠產量占海水珍珠產量的85%以上[1-2]。2020版《中國藥典》[3]記載珍珠味甘、咸、寒,入心、肝經,有安神定驚、明目消翳、解毒生肌、潤膚祛斑的功效;珍珠母味咸性寒,歸肝、心經,具有平肝潛陽,安神定驚,明目退翳的功效。源于馬氏珍珠貝的珍珠和珍珠母應用于中醫(yī)臨床已有千年歷史,其珍珠和貝殼均是重要的傳統(tǒng)中藥,歷代本草均有記載。盡管其軟體部分的功效鮮有記載,但現代研究表明馬氏珍珠貝軟體富含蛋白質類、多烯不飽和脂肪酸類,及人體所需的各種無機鹽和微量元素[4],營養(yǎng)物質豐富。
近年來,酶解技術被廣泛應用于貝類軟體活性肽制備的研究。在蛋白酶的作用下,蛋白質類被水解為易吸收的小分子多肽[5]。研究表明,這類小分子多肽通常具有降血壓、降血糖、抗氧化、抗腫瘤、抗菌、免疫調節(jié)等作用[6-15]。如采用復合蛋白酶對紅島蛤蜊[16]進行酶解,得到的蛤蜊肽具有良好的血管緊張素轉化酶抑制活性。木瓜蛋白酶酶解聯(lián)合Plastein反應修飾的方法得到的牡蠣[17]多肽血管緊張素轉化酶抑制率為82.31%。胰蛋白酶酶解貽貝[18]得到的酶解肽血管緊張素轉化酶抑制率的IC50為215.96 μg/mL。復合蛋白酶酶解扇貝裙邊[19]得到的酶解肽具有α-葡萄糖苷酶抑制活性,可以改善正常小鼠對血糖濃度的調節(jié)能力,對機體的糖耐受能力有一定的增強作用。本課題組前期采用酸性蛋白酶酶解雜色蛤[20]得到的酶解肽具有二肽基肽酶-IV(dipeptidyl peptidase,DPPIV)抑制活性且可促進胰島素抵抗細胞的葡萄糖攝取量。
軟體動物蛋白質類成分豐富,是酶解活性肽的重要來源,本文在前期研究基礎上以DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量為指標,通過單因素試驗和正交試驗篩選優(yōu)化酶解工藝,評價馬氏珍珠貝軟體酶解肽的降糖活性,并探究其物質組成。通過本文的研究以期為馬氏珍珠貝軟體降糖產品的開發(fā)提供研究基礎與理論依據。
新鮮馬氏珍珠貝軟體 廣西北海;HepG-2細胞中科院上海細胞庫;酸性蛋白酶(50000 U/g)、堿性蛋白酶(200000 U/g)、中性蛋白酶(50000 U/g)、復合蛋白酶(100000 U/g)、胰蛋白酶(250000 U/g)、木瓜蛋白酶(800000 U/g)、鹽酸羅格列酮 北京索萊寶科技有限公司;風味蛋白酶(20000 U/g) 源葉試劑公司;DMEM培養(yǎng)基 美國Hyclone公司;胎牛血清 美國Gibco公司;DPP-IV 美國BioLegend公司;葡萄糖測定試劑盒 上海榮盛生物藥業(yè)有限公司;IIe-Pro-IIe(純度>98.0%) 南京金斯瑞生物科技有限公司。
BT 125 D型電子分析天平 德國Sartorious有限公司;FA 2004型電子分析天平 上海上平儀器設備有限公司;真空濃縮蒸發(fā)儀 美國Labconco公司;PHS-25 pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司;MO-AOR型培養(yǎng)箱 美國Major Science公司;BB 150二氧化碳培養(yǎng)箱 美國Thermo scientific公司;SW-CJ-2FD潔凈工作臺 蘇州凈化設備公司;戴安U3000 Nano RSLC納升液相系統(tǒng) 美國DIONEX公司;Thermo Q Exactive Plus Orbitrap質譜儀 美國Thermo Fisher公司。
1.2.1 馬氏珍珠貝軟體酶解工藝 稱取一定量的馬氏珍珠貝軟體(僅貝肉),按設定的料液比加入純水后勻漿,用1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L HCl溶液調節(jié)至最適的pH,然后加入適量的蛋白酶,置于恒溫水浴鍋中調至最適溫度進行攪拌酶解。酶解1 h后,沸水浴滅酶10 min,冷卻后5000 r/min離心20 min,取上清液,得馬氏珍珠貝軟體酶解液。將酶解液凍干,得馬氏珍珠貝軟體酶解液凍干粉。
1.2.2 蛋白酶的篩選 稱取100 g馬氏珍珠貝軟體,按料液比1:3(w:w)加入純水,勻漿,平均分成7份。選取7種蛋白酶:酸性蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶、胰蛋白酶、風味蛋白酶、木瓜蛋白酶。在加酶量1000 U/g(每1 g軟體加入1000 U蛋白酶)以及各酶的最適pH和溫度下酶解1 h,具體酶解條件見表1。其余步驟同1.2.1,得到的酶解液凍干粉以DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量為指標[20-21],選出馬氏珍珠貝軟體酶解的最佳蛋白酶。
表1 不同蛋白酶酶解條件Table 1 Digestion conditions of different proteases
1.2.3 單因素實驗
1.2.3.1 酶解溫度的篩選 稱取100 g馬氏珍珠貝軟體,按料液比1:3(w:w)加入純水,勻漿,平均分成5份。溫度設定為40、45、50、55、60 ℃[22],調節(jié)pH3.0,選擇酸性蛋白酶,加酶量1000 U/g,酶解1 h。其余步驟按“1.2.2”操作。取凍干粉測DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量。
1.2.3.2 酶解時間的篩選 稱取100 g馬氏珍珠貝軟體,按料液比1:3(w:w)加入純水,勻漿,平均分成5份。溫度設定為45 ℃,調節(jié)pH3.0,選擇酸性蛋白酶,加酶量1000 U/g,各樣品分別酶解1、2、3、4、5 h。其余步驟按“1.2.2”操作。取凍干粉測DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量。
1.2.3.3 加酶量的篩選 稱取100 g馬氏珍珠貝軟體,按料液比1:3(w:w)加入純水,勻漿,平均分成5份。溫度設定為45 ℃,調節(jié)pH3.0,選擇酸性蛋白酶,各樣品加酶量分別為600、800、1000、1200、1400 U/g,酶解3 h。其余步驟按“1.2.2”操作。取凍干粉測DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量。
1.2.3.4 料液比的確定 稱取100 g馬氏珍珠貝軟體,平均分成5份,按料液比1:1、1:2、1:3、1:4、1:5(w:w)分別加入純水,勻漿。溫度設定為45 ℃,調節(jié)pH3.0,選擇酸性蛋白酶,加酶量1000 U/g,酶解3 h。其余步驟按“1.2.2”操作。取凍干粉測DPPIV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量。
1.2.4 馬氏珍珠貝軟體酶解正交試驗 在單因素酶解實驗的基礎上,選擇酶解溫度、時間、加酶量、料液比四個因素,以DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量為指標,進行L9(34)正交試驗進行酶解工藝的優(yōu)化,試驗因素與水平見表2。
表2 正交試驗因素與水平表Table 2 Factors and levels table of orthogonal experiment
1.2.5 馬氏珍珠貝軟體不同極性酶解樣品的制備及活性測定 取酶解樣品凍干粉200 mg,用0.1% TFA復溶,采用Waters Sep-Pak C18固相萃取小柱分離,上樣,以0.1% TFA洗脫10次后,分別用10%、15%、20%、40%乙腈(均含0.2% TFA)洗脫,收集不同濃度的乙腈洗脫液,凍干保存,待測DPP-IV抑制率。
1.2.6 馬氏珍珠貝軟體酶解肽15%乙腈洗脫部位Nano LC-MS/MS分析 色譜條件:色譜柱:Reprosil C18AQ(75 μm×150 mm, 5 μm);進樣量1 μL,流速400 nL/min;流動相A(乙腈-甲酸-水 2:0.2:98),流動相B(乙腈:甲酸:水 80:0.2:20),2%~30% B線性梯度洗脫120 min。
質譜條件:電子能量2.5 kV;離子傳輸毛細管溫度200 ℃;質譜一級全掃描范圍m/z 300~2000;分離寬度3。串聯(lián)質譜分析獲得總離子色譜圖(TIC),通過碰撞誘導解離(CID),產生一系列MS/MS圖。
采用Maxquant軟件進行搜庫鑒定,選擇軟體動物門數據庫(Mollusca,2021年1月下載于www.uniprot.org);檢索參數:前體離子誤差20 ppm,子離子誤差0.2 Da;酶切方式:unspecific;其他為默認參數,在上述檢索條件下所得的分值有顯著性意義(P<0.05),被認為有效的鑒定結果[23]。
1.2.7 HepG-2細胞葡萄糖消耗量的測定 HepG-2細胞用含10% FBS的DMEM培養(yǎng)基[24-26]培養(yǎng)于培養(yǎng)皿中,置于37 ℃、5% CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),2~3 d更換一次新鮮培養(yǎng)基。細胞生長至90%融合時,對細胞進行傳代。按照每孔1×105個細胞接種到96孔板中,孵育24 h后,給藥。
對照組、模型組給予單一培養(yǎng)基,陽性藥組給予0.2 mg/mL的鹽酸羅格列酮溶液,給藥組給予不同濃度樣品。給藥30 min后,對照組加全培,模型組、陽性藥組、給藥組加50 mg/mL棕櫚段誘導劑,孵育24 h后,更換培養(yǎng)基為低糖DMEM孵育12 h。
采用GOD-POD微量法在505 nm下測剩余葡萄糖含量,利用標準品吸光度(OD)值,計算葡萄糖消耗量[27]。
1.2.8 體外DPP-IV抑制率的測定 分為樣品組、樣品空白組、陽性藥組、陽性藥空白組、陰性對照組和空白組。樣品組和樣品空白組加入1.25 mg/mL樣品,陽性藥及陽性藥空白組加入0.3 mmol/L Ile-Pro-Ile溶液,陰性對照組和空白組加入15 mmol/L Tris-HCl緩沖溶液;各組均加入3.2 mmol/L Gly-Pro-PNA 37 ℃孵育10 min后,給藥組、陽性藥組、陰性對照組加入0.1 μg/mL DPP-IV溶液,繼續(xù)孵育1 h后,加100 μL 1 mmol/L醋酸鈉水溶液終止反應。
在405 nm下測定吸光度,計算DPP-IV抑制率[28-29]。
1.2.9 活性評分方法 葡萄糖消耗量評分為各種酶解方法在不同濃度的倒數與對應葡萄糖消耗量的乘積的平均值;綜合評分為葡萄糖消耗量評分和DPPIV抑制率的和。
本實驗選取了7種常用的蛋白酶:酸性蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶、胰蛋白酶、風味蛋白酶、木瓜蛋白酶,以DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量為指標,酶解結果如圖1所示。由圖1A可知,酸性蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶酶解的馬氏珍珠貝軟體樣品在不同濃度下其葡萄糖消耗量均高于胰蛋白酶、風味蛋白酶、木瓜蛋白酶酶解的樣品;由圖1B可知,風味蛋白酶酶解的產物DPP-IV抑制率最高,為53.34%,酸性蛋白酶次之,為46.61%。以葡萄糖消耗量評分和DPP-IV抑制率的和綜合評分,如圖1C所示,酸性蛋白酶酶解產物的綜合評分最高,為68.83%,這可能是由于酸性蛋白酶的酶切位點使馬氏珍珠貝軟體暴露的降糖活性位點更充分,故選擇酸性蛋白酶進行后續(xù)實驗。
圖1 蛋白酶種類對酶解效果的影響Fig.1 Effect of protease types on the effect of enzymolysis
2.2.1 酶解溫度的篩選 酶解溫度過高或過低均會降低酸性蛋白酶的活力。酶解溫度對HepG-2細胞葡萄糖消耗量的影響如圖2A所示,當HepG-2細胞的給藥濃度大于25.00 μg/mL時,在40~45 ℃范圍內,細胞的葡萄糖消耗量隨溫度升高而增大,溫度為50 ℃時,達到最大值。酶解溫度對DPP-IV抑制率的影響如圖2B所示,在40~50 ℃范圍內DPP-IV抑制率隨溫度升高而增大,50 ℃時酶解的產物表現出最高的DPP-IV抑制率52.74%。超過50 ℃時DPP-IV抑制率開始下降。酶解溫度增高,提高了分子碰撞的機率,有利于催化酸性蛋白酶酶解馬氏珍珠貝軟體。溫度繼續(xù)升高,酶的活性下降,酶解不充分導致發(fā)揮降糖作用的活性位點未暴露而未能發(fā)揮作用。以葡萄糖消耗量評分和DPP-IV抑制率的和綜合評分,如圖2C所示,50 ℃下酶解得到的產物評分最高,為63.42%,故選擇50 ℃作為酸性蛋白酶的酶解溫度。
圖2 酶解溫度對酶解效果的影響Fig.2 Effect of enzymolysis temperature on enzymolysis effect
2.2.2 酶解時間的篩選 酶解時間對HepG-2細胞葡萄糖消耗量的影響如圖3A所示,酶解時間從1到5 h,細胞各給藥濃度均在3 h處達到最高點,表明酶解3 h的產物在各濃度下均表現出較高的葡萄糖消耗量;圖3B中酶解3 h的產物DPP-IV抑制率最高,為74.19%。這可能是由于酶解時間較短時軟體酶解不充分,導致水解度降低,發(fā)揮降糖活性的位點未暴露而未能發(fā)揮作用;酶解時間過長導致副反應發(fā)生,生成的副產物阻礙了酶解肽活性位點與相應受體的結合,導致降糖活性減弱。以葡萄糖消耗量評分和DPP-IV抑制率的和綜合評分,如圖3C所示,酶解3 h的產物綜合評分最高,為79.74%。因此酸性蛋白酶酶解馬氏珍珠貝軟體的最佳時間為3 h。
圖3 酶解時間對酶解效果的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on the effect of enzymolysis
2.2.3 加酶量的篩選 加酶量對HepG-2細胞葡萄糖消耗量影響如圖4A所示,加酶量在600~1200 U/g范圍內,HepG-2細胞的葡萄糖消耗量均隨給藥濃度增大而呈現升高的趨勢,加酶量為1400 U/g,給藥濃度大于1.56 μg/mL時,HepG-2細胞的葡萄糖消耗量較加酶量為1200 U/g時均呈下降趨勢,這表明給藥濃度過高和加酶量過高對胰島素抵抗細胞攝取葡萄糖有一定的抑制作用;加酶量對DPP-IV抑制率的影響如圖4B所示,加酶量為1000 U/g的酶解產物表現出最高的DPP-IV抑制率,為78.96%。這可能是由于加酶量過低時,馬氏珍珠貝軟體未充分酶解,發(fā)揮降糖作用的位點未充分暴露導致降糖活性較弱;加酶量過高時,可能會有副反應發(fā)生,生成的副產物阻礙了酶解肽活性位點與相應受體的結合,導致降糖活性減弱。以葡萄糖消耗量評分和DPP-IV抑制率的和綜合評分,如圖4C所示,加酶量為1000 U/g的酶解產物綜合評分最高,為85.42%,故選擇加酶量為1000 U/g。
圖4 加酶量對酶解效果的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on the enzymolysis effect
2.2.4 料液比的確定 料液比對HepG-2細胞葡萄糖消耗量的影響如圖5A所示,在各料液比條件下,HepG-2細胞葡萄糖消耗量均隨給藥濃度的升高呈上升趨勢;料液比從1:2到1:5(w:w),給藥濃度小于6.25 μg/mL時HepG-2細胞葡萄糖消耗量在料液比為1:3或1:4(w:w)時達到最高值。料液比過低時,底物濃度較高可催化酶解反應進行,但反應體系較粘稠導致酶解反應不充分,因此出現了圖5A所示的料液比為1:1(w:w)時細胞的葡萄糖消耗量在各給藥濃度下均高于料液比為1:2(w:w)時細胞的葡萄糖消耗量;料液比過高時,反應體系為溶液狀態(tài),酶和底物可以充分接觸反應完全,但底物濃度過低導致酶解反應緩慢,因此出現了圖5A所示的給藥濃度低于6.25 μg/mL時料液比增加到1:5(w:w),細胞的葡萄糖消耗量開始降低的現象。料液比對DPPIV抑制率的影響如圖5B所示,可能是由于料液比為1:3(w:w)時的反應體系為溶液狀態(tài)且底物濃度未減緩酶解反應的速度,此時產物DPP-IV抑制率最高,為68.09%。以葡萄糖消耗量評分和DPP-IV抑制率的和綜合評分,如圖5C所示,料液比為1:3(w:w)時的綜合評分最高,為77.12%。料液比為1:1和1:2(w:w)時的綜合評分分別為76.52%和76.29%,與料液比為1:3(w:w)的綜合評分相近,但考慮到料液比為1:1和1:2(w:w)時的酶解液較粘稠,離心后上清較少,樣品得率較低,仍選擇料液比為1:3(w:w)進行酶解。
圖5 料液比對酶解效果的影響Fig.5 Effect of material-liquid ratio on enzymolysis
酸性蛋白酶酶解馬氏珍珠貝軟體的正交試驗結果見表3、表4。由直觀分析結果可以看出,對DPPIV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量綜合評分影響的大小順序為A(酶解溫度)>C(加酶量)>B(時間)>D(料液比)。酸性蛋白酶酶解馬氏珍珠貝軟體的最佳工藝參數為:A1B2C2D3,即酶解溫度45 ℃、酶解時間3 h、加酶量1000 U/g、料液比1:3.5。方差分析顯示,酶解溫度、酶解時間和加酶量對DPPIV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量綜合評分有顯著影響。
表3 正交試驗設計及結果Table 3 Design and results of orthogonal experiments
表4 正交試驗方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal array experimental results
取馬氏珍珠貝軟體20 g,按料液比1:3.5加入純水,勻漿后調節(jié)pH3.0,加酶量1000 U/g,于45 ℃酶解3 h后,沸水浴滅酶10 min,冷卻后5000 r/min離心20 min,取上清液,得馬氏珍珠貝軟體酶解液。將酶解液凍干,得馬氏珍珠貝軟體酶解液凍干粉。重復驗證三次,測得馬氏珍珠貝軟體酶解液的DPP-IV抑制率和HepG-2細胞的葡萄糖消耗量綜合評分分別為97.12%、97.66%、94.16%,RSD為1.96%,在此條件下的葡萄糖消耗量為37.53%、DPP-IV抑制率為74.21%,表明該工藝穩(wěn)定可靠。
馬氏珍珠貝軟體酶解樣品不同極性部位的DPP-IV抑制活性評價結果如圖6所示,在終濃度為1.25 mg/mL的情況下,15%乙腈洗脫部位具有最佳的DPP-IV抑制活性,抑制率為52.39%±2.61%。故對15%乙腈洗脫部位進行成分分析鑒定。
圖6 不同濃度乙腈洗脫樣品DPP-IV抑制率Fig.6 Inhibition rate of DPP-IV in samples eluted with acetonitrile at different concentrations
從馬氏珍珠貝軟體酶解肽15%已經洗脫部位中共鑒定了327個肽段,這些肽段主要來源于肌動蛋白、微管蛋白和組蛋白。已知質譜數據和數據庫中的數據越吻合得分越高,本文列出得分較高的前20條肽段信息,如表5所示。
表5 得分最高的前20種多肽Table 5 Top 20 peptides with the highest score
以肽段YASGRTTGIVLDSGDGVTH為例,說明肽段的鑒定過程:該肽段[M+H]2+m/z 1906.923,MS/MS(圖7)顯示其主要碎片離子有b9+(900.41)、b10+(1006.53)、b11+(1119.61)、b12+(1237.64)、b15+(1493.72)、b16+(1553.75)、b17+(1651.80)、b18+(1742.87);y1+(155.08)、y2+(257.12)、y4+(408.16)、y7+(672.29)、y8+(787.32),經搜庫確定該肽段來自肌動蛋白,具體位置見如下。質譜數據與數據庫結果吻合,確定肽段的序列為YASGRTTGI VLDSGDGVTH,源于肌動蛋白序列的144至162位。
圖7 YASGRTTGIVLDSGDGVTH的MS/MS Fig.7 MS/MS of YASGRTTGIVLDSGDGVTH
本次實驗統(tǒng)計了327個肽段中每種氨基酸出現的頻次,如圖8A,其中親水性氨基酸2219個,疏水性氨基酸1875個;數量最多的前5種氨基酸分別是:疏水性氨基酸甘氨酸(Gly,G,452個)、丙氨酸(Ala,A,333個)和親水性氨基酸絲氨酸(Ser,S,361個)、蘇氨酸(Thr,T,340個)、谷氨酸(Glu,E,327個),親水性氨基酸與疏水性氨基酸數量比例為1.18:1。如圖8B,通過計算親水平均值來評估肽段的親水性和疏水性,GRAVY值小于0則具有親水性,結果顯示77.37%為親水性多肽,26.61%的肽段N-末端側的兩個氨基酸為疏水氨基酸,74.92%的肽段N-末端側的兩個氨基酸中至少含有一個疏水氨基酸。已有研究表明,疏水氨基酸的存在能增強與DPP-IV活性位點的相互作用,DPP-IV S1亞位點的疏水口袋在DPP-IV抑制中起著非常重要的作用,且位于N端側兩個氨基酸的疏水性與肽的DPP-IV效力呈正相關[30]。如圖8C,對多肽分子量分布情況進行統(tǒng)計,結果顯示多肽分子量(MW)主要分布在711.30至2602.12 Da之間,其中93.88%的肽段分子量低于2000 Da。Puneet Tyagi[31]研究顯示,肽段的效價、口服利用度與分子量呈反比趨勢,這表明馬氏珍珠貝軟體酶解肽具有成為口服藥物穿過膜屏障發(fā)揮生物效應的潛能。
圖8 肽段分析Fig.8 Peptide analysis
本文以馬氏珍珠貝軟體為研究對象,以DPPIV抑制率和葡萄糖消耗量為指標優(yōu)化確定了馬氏珍珠貝軟體的酶解工藝,即以酸性蛋白酶酶解,在45 ℃,酶解時間3 h,料液比1:3.5(w:w),加酶量1000 U/g的條件下,制備得到的酶解液的DPP-IV抑制率和葡萄糖消耗量綜合評分最高,DPP-IV抑制率為74.21%,HepG-2細胞葡萄糖消耗量為37.53%。經過Nano LC-MS/MS鑒定發(fā)現馬氏珍珠貝軟體酶解肽15%乙腈洗脫部位中,22.63%的肽段為疏水性肽段,74.92%的肽段N端至少有含有一個疏水性氨基酸,93.88%的肽段分子量低于2000 Da。本實驗研究表明馬氏珍珠貝軟體酶解肽有作為健康食品和功能食品生物活性原料的潛能,這在很大程度上解決了馬氏珍珠貝綜合利用程度低的問題。將馬氏珍珠貝剝取珍珠后被廢棄的軟體資源加以開發(fā)利用,形成具有潛在降糖作用的酶解物,對促進馬氏珍珠貝的綜合利用、開發(fā)健康產品具有較好的指導意義。