代谢组学在食源性ACE抑制肽研究中应用的进展

于志鹏,樊 玥,赵文竹,张 倩,丁 龙,陈嘉钰,励建荣,*,刘静波,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院;生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013;2.吉林大学营养与功能食品研究室,吉林长春 130062)



代谢组学在食源性ACE抑制肽研究中应用的进展

于志鹏1,樊 玥1,赵文竹1,张 倩1,丁 龙2,陈嘉钰1,励建荣1,*,刘静波2,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院;生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013;2.吉林大学营养与功能食品研究室,吉林长春 130062)

代谢组学作为食品科学技术领域一个新兴的重要研究方法,正逐渐应用到活性肽代谢机理及作用机制研究中。本文综述了ACE抑制肽研究现状及瓶颈,同时对代谢组学研究进展及代谢组学在ACE抑制活性肽研究中的应用进行了展望,以期为代谢组学在ACE抑制肽中广泛深入地应用提供参考。

活性肽,代谢组学,血管紧张素转化酶抑制肽,作用机理

食源性生物活性肽以其安全无副作用、容易修饰且相对吸收效果好等优点,受到食品科学、化学以及生物学等领域的关注。其中食源性血管紧张素转化酶(Angiotensin converting-I enzyme,ACE)抑制肽成为活性肽研究热点之一。目前已从乳蛋白、鱼皮胶原蛋白、墨鱼蛋白、种子蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、贝类蛋白和蛋清蛋白等不同原料中获得了具有抑制ACE活性的肽序列 VLSRYP[1]、LGPLGHQ[2]、RFF[1]、MVGSAPGVL[2]、VELYP[3]、VSGAGRY[4]、VDSDVVKG[4]、QIGLF[5]、RVPSL[6]和TNGIIR[7]等。ACE是肾素-血管紧张素系统和激肽释放酶-激肽系统中的关键控制酶。有研究表明,ACE抑制肽可通过与ACE活性位点结合形成复合体影响肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)进而实现调控机体血压的作用[8-9];也有文献报道ACE抑制肽通过作用血红素氧化酶(HO)系统实现调节血压作用;最近有报道指出ACE抑制肽可通过调节ACE2及抗炎基因表达水平实现降低血压作用[10]。近年大量有关ACE抑制肽的研究主要集中在结构鉴定、体内活性评价及作用机制等方面。本文主要对ACE抑制肽研究现状及面临的科学问题和代谢组学在其研究中的应用进行了综述,旨在为深入阐明ACE抑制肽作用机制提供新思路。

1 ACE抑制肽研究现状

自1965年首次分离出ACE 抑制肽以来,更多的研究开始关注食源性ACE 抑制肽的纯化、结构鉴定、体内活性和作用机制研究。近五年有关ACE抑制肽的研究主要集中在制备、纯化、结构鉴定及体内活性评价等方面:ACE抑制肽的纯化与结构鉴定主要通过逐级分离纯化等多维色谱纯化手段进而显著提高活性肽的纯度[11-13],最终获得高纯度的单一肽组分并进行结构鉴定[14-16];ACE抑制肽的体内活性作用主要以原发性高血压大鼠(SHR)为模型考察活性肽对大鼠收缩压、舒张压以及关键蛋白表达水平的调节作用[17-19]。有研究表明ACE抑制肽通过与ACE活性位点结合形成复合体影响肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)进而实现调控机体血压的作用[8-9]。RAAS是由肾脏和肝脏分泌的一组相互作用又相互调节的激素与受体系统,经典的RAAS包括肾小球入球动脉的球旁细胞分泌肾素,激活从肝脏产生的血管紧张素原,生成Ang Ⅰ,然后经肺循环的转化酶生成Ang Ⅱ。Ang Ⅱ是RAAS的主要效应物质,作用于Ang Ⅱ受体(AT1),使小动脉平滑肌收缩,刺激肾上腺皮质球状带分泌醛固酮,通过交感神经末梢突触前膜的正反馈使去甲肾上腺素分泌增加,这些作用均使血压升高[20]。有研究从蛋清中获得高活性ACE抑制肽RVPSL,经体内活性研究活性肽对SHR血压以及行为学影响[21],并从mRNA和蛋白质表达水平研究其调节机制[17],发现活性肽RVPSL能够有效下调ACE和AT1表达水平,同时上调AT2的表达水平,同时也证明了Ang Ⅱ的两个受体AT1和AT2在调节血压的作用上存在相反的生理功能,即AT2能够缓解血压升高而AT1具有刺激血压升高的作用[22]。也有报道指出ACE抑制肽通过作用血红素氧化酶(HO)系统和调节ACE2及抗炎基因表达水平实现降低血压作用[3]。这些研究进一步证实ACE抑制肽可能通过多种作用途径发挥生理活性。

目前,关于ACE抑制肽在体内发挥作用的途径主要包括:抑制血管紧张素转化酶及肾素活性;上调内皮型一氧化氮合成酶的表达;色氨酸-犬尿氨酸途径;伴随释放一氧化氮[23-26]。但由于作用多样性、靶点多等因素,至今其分子作用机制一直未有明确解释。目前,对于ACE抑制肽无论是通过何种作用途径,作用于靶点与其结合实现调节血压的目的,暂时都没有考虑到活性肽对体内代谢组变化的影响。ACE抑制肽的代谢与活性关系远远比活性肽的构效关系及其对mRNA的含量和蛋白质表达水平影响复杂得多。活性肽的代谢分析是研究活性肽对生命活动影响分子基础的一个重要突破口,其参与细胞内多种代谢途径,包括调控受体和运送载体蛋白质的基因表达水平以及激活AMPK 通路等(见图1)。

图1 活性肽参与代谢的作用机制[27]Fig.1 Potential mechanism of action of peptides in modulating the metabolism[27]

生物体受活性肽的结构和浓度影响发生变化,而这种变化最终体现在小分子代谢物的改变上,利用荧光标记、代谢组学及化学计量学挖掘代谢物所隐含的信息,揭示活性肽代谢-活性相关性及作用机制具有重要意义。关于ACE抑制肽在体内参与代谢机制的研究破在眉睫,活性肽对SHR代谢调控机制研究将对深层次阐明活性肽的作用机理提供重要理论依据。

2 代谢组学研究进展

代谢组学是关于内源性代谢物质的整体及其变化规律的科学,继基因组学、转录组学、蛋白质组学和肽组学之后新近发展起来,是组学中快速兴起的一个领域,是对所有低分子量代谢物(<1500 u)进行定性和定量分析的一种技术[28]。代谢组学以生物系统中的细胞在特定条件下所有小分子代谢物为研究对象,定性及定量描述生物内源性代谢物及其对内因和外因变化的应答规律[29]。近年来代谢组学技术成为食品科学中不可或缺的研究工具,并细分为4个层次:代谢物靶标分析,即对某个或某几个特定的样品组分分析;代谢轮廓(谱)分析,定量的对少数所预设的目标代谢产物进行分析;代谢组学,对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量;代谢指纹分析,不分离鉴定具体单一组分,而是对样品进行快速分类。目前代谢组学在营养领域应用较多,尤其在人类营养代谢病研究中已取得一定的成果[30]。Rezzi 等[30]利用代谢组学方法分析母乳和婴儿配方奶粉对婴儿尿液及粪便中代谢物的影响,发现尿和粪便样本中存在明显的代谢差异。配方奶粉喂养的婴儿的代谢谱表现出特定的代谢模型。Davis[31]研究降血糖组分对脂质代谢组的调节,主要引起代谢物中多不饱和脂肪酸谱的异常。代谢组学在营养代谢病生物标志物的研究中发挥重要作用,目前的检测技术对代谢物的全方位的检测和分析限制很大,数据高效分析也是目前研究者们亟待解决的问题,同时鉴于代谢组学分析技术的成本,其在营养代谢领域中还没有广泛应用。目前代谢组学的研究思路如下:

血清、尿液组织→代谢产物色谱、和质谱分析→寻找潜在代谢标志物→LC-ESI-Q-MS/MS NMR→潜在代谢标志物结构质谱图→查找质谱数据库→确定潜在代谢标志物分子结构→阐明代谢途径及作用机制

代谢组学作为研究人体对不同营养组分的生理反应的有力工具,未来将结合营养轮廓分析进而用于研究特定的营养需求,同时通过有效性营养干预开展对生长发育进行调节,最终建立营养健康解决方案实现预防疾病的目的。

3 代谢组学在ACE抑制肽作用机制研究中的应用前景

研究发现mRNA的含量与蛋白表达水平相关系数并不高,蛋白质还存在翻译后的修饰现象[27],所以从mRNA和蛋白质水平上研究其作用机制远远不够,而且已提出的ACE作用机制尚未阐明活性肽对代谢谱的调节机理。活性肽有可能通过多种代谢途径协同调节机制进而实现调控血压的作用。无论是影响mRNA含量还是蛋白质表达水平,但最终都将以体内代谢物的变化体现出来。Lammi 等[27]通过HepG2细胞研究活性肽IAVPGEVA,IAVPTGVA,LPYP参与调控葡萄糖代谢,发现IAVPGEVA,IAVPTGVA,LPYP可通过调节AMPK(adenosine monophosphate-activated protein kinase)中的葡萄糖转运体1(GLUT1)和葡萄糖转运体4(GLUT4)等代谢物的变化。目前活性肽具体引起哪些中间标志物代谢差异却仍不详实。目前主要通过基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从DNA、RNA和蛋白质水平探寻活性肽发挥生理活性的作用机理,然而mRNA 和蛋白质丰度的变化并不意味细胞内蛋白质活性的增加,并且基因和蛋白质的功能补偿作用使某个基因或蛋白质缺失会由其他基因或蛋白质的存在而得到补偿而不被发现。实际上许多生命活动是发生在代谢物层面的,代谢物处于基因和蛋白质的下游,是基因和蛋白质功能变化的最终反映,从代谢谱角度更利于阐明活性肽的作用机理。因此,代谢组学在活性肽研究中地应用将深入阐明活性肽对代谢谱调节及作用机制。基于代谢组学表征和辨识ACE抑制肽对血浆中内源性代谢物的影响变化,通过质谱-核磁共振等技术阐明其血浆代谢指纹图谱;进一步寻找活性肽对血浆代谢轮廓谱影响的代谢组差异,确定相关代谢物的变化涉及的代谢网络途径,重点围绕氨基酸代谢、脂肪酸代谢和花生四烯酸代谢等代谢途径探寻潜在的代谢标志物;通过揭示活性肽发挥作用的代谢途径,并结合蛋白质和基因表达多个层次阐明活性肽调节血浆代谢的作用机制。代谢组学将从整体上评价活性肽的代谢-活性相关性,运用“自下而上”式的研究方法,揭示活性肽作用的代谢途径进而阐明其作用机制,有望为活性肽的基础研究和应用奠定生物学基础。

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Progress in the application of metabonomics methods in food-derived ACE inhibitory peptides

YU Zhi-peng1,FAN Yue1,ZHAO Wen-zhu1,ZHANG Qian1,DING Long2,CHEN Jia-yu1,LI Jian-rong1,*,LIU Jing-bo2,*

(1.College of food science and engineering,Bohai University;National & Local Joint Engineering Research Center of Storage Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Jinzhou 121013,China 2.Lab of Nutrition and Functional Food,Jilin University,Changchun 130062,China)

Metabonomicsasanemergingfieldoffoodscienceandtechnologyisgraduallyappliedtothemolecularactionmechanismandmetabolismofbioactivepeptides.Thispaperpresentsanoverviewoftheangiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptidesandmetabonomics.Inaddition,themetabonomicsmethodsusedtofurtherstudyoftheangiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptideswasreviewed,aimedtosupportextensiveapplicationreferenceofmetabonomicsinthefood-derivedpeptidesfield.

bioactivepeptide;metabonomics;angiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptides;mechanismofaction

2016-04-01

于志鹏(1984-)，男，博士，讲师，研究方向：蛋白质及活性肽的功能研究与产品开发，E-mail：yuzhipeng20086@sina.com。

*通讯作者:励建荣(1964-)，男，博士，教授，研究方向：水产品加工，E-mail：lijr6491@163.com。 刘静波(1962-)，女，博士，教授，研究方向：营养与功能食品，E-mail：ljb168@sohu.com。

国家科技支撑课题(2012BAD00B03)；渤海大学博士启动项目(0515bs079)；辽宁省科学事业公益研究基金项目(2016004004)。

TS201

A

1002-0306(2016)21-0397-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.069