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蛇毒类激肽释放酶的制备及其生化特性和药效
蛇毒类激肽释放酶的制备及其生化特性和药效 随着药理学、毒理学和药物学的发展,蛇毒酶类在抗血栓、止血、镇 痛、降压及抗肿瘤方面表现出很大的潜力。根据酶活力中心特点,蛇毒酶类分为 丝氨酸蛋白酶类和金属蛋白酶类;根据活性功能分为蛋白水解类、抗凝血类、促 凝血类和激肽释放类。其中蛇毒类激肽释放酶,是与激肽释放酶性质相似的一类 丝氨酸蛋白酶的总称,能作用激肽原生成激肽,具有扩张血管,改善微循环和调节 血压等作用;同时还可以作为活化因子,激活纤溶酶原,提高纤溶系统和胶原水解 酶活性,起到防止血凝,抗血栓形成,该酶对开发为心脑血管疾病治疗药物具有重 要的应用前景。目前对蛇毒类激肽释放酶的综述报道尚属空白,本文就其分布、 分离制备、生化性质、药效研究以及此领域的研究进展等做一详细综述,为今后 蛇毒类激肽释放酶的研究提供参考依据。1、蛇毒类激肽释放酶的分布 1948年,Rocha等首次在矛头腹Bothropsjarara-ca蛇毒中发现了类激肽 释放酶,与血液共同孵育时表现为一种平滑肌舒张物质,而将其注入动物体内会引 起血压的下降,此后激肽释放酶广泛在哺乳动物的血浆和胰脏等腺体组织中发现。
迄今为止,研究人员已经在响尾蛇属、腹亚科、蝰亚科和眼镜蛇科等种属的30余 种毒蛇蛇毒中都分离得到了类激肽释放酶。Os-hima等根据精氨酸酯酶及类激肽 释放酶的活性,指出类激肽释放酶在腹亚科蛇毒中的活力最高。Abdus-alam等研 究了响尾蛇属、蝰亚科、眼镜蛇科等15种毒蛇蛇毒的激肽酶、酪氨酸酯酶、精氨 酸酯酶及激肽释放酶的活性,指出所有响尾蛇属和蝰亚科蛇毒中都含有类激肽释 放酶的分布,而在蝮亚科Agkistrodonhalysussuriensis中活性较高,与前人研究结果 一致。
2、蛇毒类激肽释放酶的分离纯化及制备 传统的蛇毒酶类主要采用色谱法进行分离纯化,类激肽释放酶也是如 此,包括离子交换色谱法和凝胶过滤色谱法,并结合亲和层析辅助纯化完成。常用 的阴离子交换剂有DEAE-葡聚糖凝胶和DEAE-纤维素等,葡聚糖凝胶有 SephadexG-100和SephadexG-75用作分离。随着分子生物学的发展,利用基因工程 技术对蛇毒酶类进行重组表达的技术越来越成熟。目前已有多种蛇毒酶类获得了 具有活性的重组表达产物,如来自南美洲矛头蛇毒中的降纤酶和止血酶 Batroxobin,菜花烙铁头蛇毒中的纤溶酶Jerdonitin和绿蝮蛇毒中的抗血小板凝集 的金属酶Albocollagenase等。相应的,蛇毒类激肽释放酶的重组表达也有相关研究。Huang等将烙铁 头蛇毒激肽释放酶基因与两个限制性内切酶切位点BamHI、PstI和组氨酸标签基 因构建克隆到载体pQE30后,转入E.coliM15中进行原核表达,表达产物经免疫杂交、 液相色谱分析、电喷雾质谱和N端氨基酸分析验证,结果表明重组表达类激肽释放 酶Tm-5与天然烙铁头蛇毒激肽释放酶结构一致,且对天然Tm5的底物 N-benzoyl-Pro-Phe-Arg-p-nitroanilide具有很高的活性,表明重组类激肽释放酶Tm 表达成功。Wang等首次报道了将江浙蝮蛇蛇毒类激肽释放酶基因克隆到pCS2+ 表达载体后,转入小麦麦胚无细胞表达系统进行表达,通过对载体、RNA聚合酶浓 度、磷酸肌酸和Cu2+等条件的优化,表达的重组表达激肽释放酶活性为1.3U/mg, 能达到天然蛇毒激肽释放酶活性(1.74U/mg)的75%,得到了具有相对高活性的无 细胞表达的类激肽释放酶,为无细胞表达载体的应用前景提供了依据。
3、蛇毒类激肽释放酶的生化性质研究 哺乳动物体内有两种激肽释放酶:组织型激肽释放酶和血浆型激肽释 放酶。组织型激肽释放酶作用于高分子量激肽原和低分子量激肽原,均释放胰激 肽,血浆型激肽释放酶只作用高分子量激肽原释放缓激肽。大部分来自腹亚科和 响尾科蛇毒的激肽释放酶与血浆型激肽释放酶特异性一致,只作用于高分子量激 肽原释放缓激肽,然而来自原矛头蝮属毒蛇蛇毒的elegaxo-binⅡ与组织型激肽释 放酶特异性一致,能够分别作用于高分子量和低分子量激肽释放胰激肽。激肽释 放酶在哺乳动物体内都是酶原形式存在的,要经蛋白酶作用后剪切,去掉氨基端的 6个氨基酸残基形成活性形式后才能发挥生物活性,而蛇毒类激肽释放酶与其不 同,不需要激活,直接可以用于激肽原释放激肽,引起下游的生物学反应。
目前发现的类激肽释放酶均属于单体糖蛋白,分子量约为30~35kD。糖 链结构主要有海藻糖、己糖和唾液酸等,其所占蛋白分子量的比例均有不同,来自 许多蛇毒类激肽释放酶同时具有两种或两种以上的酶活力,如来自响 尾蛇属的Taiwanhabu蛇毒中的纤溶酶同时具有激肽释放酶活性,蝰亚科的 Bothropsjararacussu蛇毒中的BjussuSP-I同时具有凝血酶、促凝血酶和激肽释放酶 3种活性,自Crotalsmantes的crotalase,竹叶青属Trimeresuruselegans蛇毒中的 eleg-axobinII都同时具有凝血酶和类激肽释放酶活性,而LV-Ka除对S-2302和 S-2266具有特异性,研究也发现当将其与纤溶酶原孵育时会对底物 Tos-Gly-Pro-Lys-pNA水解,说明其兼有激活纤溶酶原活性,而对凝血酶底物S-2238 和纤溶酶底物Tos-Gly-Pro-Lys-pNA不具有酶解活性。蛇毒类激肽释放酶对激肽释放酶底物S-2302和S-2266均具有较高的特异性和酶活性,同时对甲苯磺酰精氨 酸甲酯(TAME)和苯甲酰精氨酸乙酯(BAEE)也具有水解活性,并可被二异丙基氟 磷酯(DFP)和苯甲基磺酰氯(PMSF)所抑制,也显示其作为一种丝氨酸蛋白酶的本 质。
4、蛇毒类激肽释放酶的结构研究 迄今为止,科学家研究报道了近10种蛇毒类激肽释放酶的全部或部分 氨基酸序列,包括来自蝮蛇Agkis-trodoncaliginosus蛇毒的KR-E-1,江浙蝮蛇 Agkistrodonhalyspallas蛇毒的AHP-Ka,矛头蝮蛇Bothropsjararaca蛇毒的BjussuSP-I, 花蝮蛇Agkistrodonhalysblomhoffii蛇毒的Halystase,以及来自响尾蛇属 Prairierattlesnake蛇毒和蝰亚科Aspicviper蛇毒中的类激肽释放酶,相对于蛇毒中 的类凝血酶、类纤溶酶和神经毒素等活性蛋白的报道,类激肽释放酶的研究相对 薄弱一些。Matsui等首次报道了从花腹蛇毒中分离得到的类激肽释放酶 (Halystase)的完整氨基酸序列,其与激肽释放酶的同源性为42%,与凝血酶为26%, 与蛇毒类凝血酶为66%~72%,并表现出一些溶血纤蛋白原的活性,优先作用于血 纤蛋白原B链的Arg4位,并能缓慢降解A链,但不生成血纤肽A或B,不能形成正常的 血凝块,因此Halystase诱导了降低血压和阻碍血液凝固两个作用。Sant,Ana等对 Both-ropsjararaca蛇毒的BjussuSP-I的分子特性进行分析,表明BjussuSP-I具有其它 蛇毒丝氨酸蛋白酶家族的保守序列,并有利证明了酶分子的糖链对于其活性发挥 重要作用,而且会成为蛇毒来源酶类物质生物活性优化的最重要特性。Oyama等 [27]对Agkistrodoncaligino-sus蛇毒的KR-E-1的氨基酸序列进行详细分析,结果表 明其包含235个氨基酸,具有丝氨酸蛋白酶家族的保守序列 (His57,Asp102,andSer195),在36号氨基酸位置具有N连接糖基化位点。KR-E-1的氨 基酸序列与组织激肽释放酶,牛凝血酶β链,KN-BJ2,elegaxobin和elegaxobinII的同 源性分别达到了32%、31%、65%、65%和67%。1~50号氨基酸都属于疏水性氨 基酸,73~101号氨基酸包含许多赖氨酸残基,而此特征是此酶与其它蛇毒丝氨酸蛋 白酶和人类激肽释放酶的不同之处。在其一级结构序列中,酶活力中心Ser195之前 有6个天冬氨酸残基,这种保守序列也同样出现在以上5种酶的一级结构序列中,这 都表明它们都具有胰蛋白酶家族的特异性。
研究人员对蝰亚科和腹亚科蛇毒丝氨酸蛋白酶研究发现:1)具有高度 的序列相似性,其催化中心的3个氨基酸残基His57,Asp102和Ser195有一致的几何 学定位;2)一级序列同源性高,N末端通常为V-X-G-G-D-E-C-N-I-N-E-H;3)分子中 都存在12个半胱氨酸形成的6个二硫键,分别位于 Cys22-Cys157,Cys42-Cys58,Cys92-Cys245,Cys136-Cys201,Cys168-Cys182,Cys192-Cys157;4)活性中心外第59~68,93~101,169~180号氨基酸是3个高度变异的可变 区,但这些区域的功能尚不明确,但该差异造成了类激肽释放酶、类 5、蛇毒类激肽释放酶的药理药代研究 相对于已经广泛应用于治疗凝血和血栓性疾病的蛇毒酶类药物如类 凝血酶和类纤溶酶,蛇毒类激肽释放酶的药理药代研究相对薄弱,主要集中在促进 细胞增殖和改善血液微循环等研究方面。杨壮来采用白眉蝮蛇毒激肽原酶研究对 脑缺血再灌注大鼠模型进行研究,结果表明蛇毒激肽原酶能明显增加脑缺血再灌 注大鼠缺血区血管上皮细胞的表达,促进血管的增生,从而对缺血区的神经再生和 神经保护发挥重要的作用。伊力哈木江-依马木等采用白眉蝮蛇毒激肽原酶研究 对糖尿病大鼠模型的血液学变化,结果显示蛇毒激肽原酶能明显降低糖尿病大鼠 的全血黏度以及血小板的聚集率,表明蛇毒激肽原酶具有减少红细胞聚集,降低血 液黏滞度,改善血瘀症状和红细胞变形能力,改善血管病变,而达到防治糖尿病血 管病变的作用。Zhou等利用双抗夹心ELISA方法对Agkistr-odonhalyspallas蛇毒中 的AHP-Ka在SD大鼠中的药代动力学进行研究,结果表明其在SD大鼠血浆中的半 衰期约为56min,代谢趋势符合一室开放模型,揭示了AHP-Ka在SD大鼠血浆中的 药代动力学特点和代谢趋势,为后期AHP-Ka进行临床前药代动力学研究提供了 理论参考。而近年来,人组织激肽释放酶的药效研究主要集中在脑缺血及脑缺血 再灌注、脑梗塞、心肌缺血再灌注等病症中的促进血管再生和减少神经细胞死亡 等方面,这为将来蛇毒类激肽释放酶重点集中于研究促进血管再生、神经细胞发 生以及改善微循环等药理药效的研究方向提供了参考依据,为进一步研究其药理 药效作用奠定了基础。
6、蛇毒类激肽释放酶研究的展望 蛇毒是一类天然的药用资源库,含有多种特异性的活性多肽和蛋白类 物质。目前临床上有很多药物都是根据蛇毒活性成分的作用机制来进行设计和应 用的,如Cushman和Ondetti报道的降压药物卡托普利,根据巴西箭头毒蛇 Bothropsjararaca蛇毒中一种活性多肽的降压机制而研制;抗凝血剂Integrilin,根据 美国东南响尾蛇Sistrurusmiliarusbarbouri蛇毒的一种活性酶而研制,目前都已经广 泛应用于临床治疗上。
还有一些正在进行临床研究的候选药物,如澳大利亚昆士兰大学的研 究人员正在对来自Australianelapidvenoms蛇毒中的3个针对心脑血管疾病的候选 药物:Textilinin-1,Haempatch和CoVase重点进行临床前应用研究,开发成功 后将会为心脑血管疾病领域的治疗增加一类新药。由此可见,蛇毒中的活性成分 都极其具有开发为临床治疗药物的潜能,为相关疾病的治疗带来新的希望。而目 前关于蛇毒类激肽释放酶的研究主要集中在酶学性质和结构鉴定等方面,对药理、 药效和药代性质的研究相对比较薄弱,这为蛇毒类激肽释放酶开发为新药提供了 巨大的潜力和发展空间,为治疗心脑血管疾病带来新的治疗前景。
常规的分离纯化技术得到的蛇毒酶类纯度不高,且蛇毒酶类的性能会 受到地域、气候、毒蛇养殖条件和不同批次蛇毒分离纯化条件的影响,使得酶制 剂的性能不均一而影响蛇毒酶类深入的研究和发展。随着分子生物学的快速发展, 利用基因工程技术将研究手段从蛋白质水平转向分子水平,通过克隆蛇毒酶类基 因,转入表达载体进行表达,而随着对改进表达系统,产物蛋白复性、后修饰及对宿 主毒性,提高表达量和生物活性等研究方面的深入,都使得利用基因工程手段表达 制备具有活性的重组蛇毒酶类成为未来的研究方向,也是制备蛇毒类激肽释放酶 的研究方向,这会使天然蛇毒资源和产品纯度的问题得到解决,为更深入地研究其 药理药效作用机制提供丰富的物质来源。
随着分子生物学和基因工程等生物技术的飞速发展,相信蛇毒类激肽 释放酶的研究会越来越深入,更能广泛地应用于基础研究并在临床医学上发挥重 要治疗作用。
