张 涛,陈艳红,2,3,4,*,常高萍,杨远帆,2,3,4,杜希萍,2,3,4,*,姜泽东,2,3,4,倪 辉,2,3,4,李清彪,2,3,4
(1.集美大学海洋食品与生物工程学院,福建 厦门 361021;2.福建省食品微生物与酶工程重点实验室,福建 厦门 361021;3.厦门市食品与生物工程技术研究中心,福建 厦门 361021;4.厦门南方海洋研究中心海藻资源化利用与深加工重点实验室,福建 厦门 361021)
阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)是一种以记忆力丧失、认知能力下降为主要特征,并伴有不可逆转的神经元丧失的神经退行性疾病,多发于65岁以上老人。2020年全球AD患者5 200万以上,预计2050年AD患者将增至1.52亿。因此,AD已经是全球严重的公共卫生问题,不仅给患者及其家庭带来巨大精神负担,也给社会造成巨大的经济压力。乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE)作为生物神经传导中的关键酶,能催化神经递质乙酰胆碱水解为胆碱和乙酸,从而阻断神经信号的传递。所以AChE活力升高会导致乙酰胆碱水平降低,而乙酰胆碱水平降低是AD的关键病因,因此抑制AChE活力、提高乙酰胆碱水平是治疗AD的重要方法。目前美国食品药品监督管理局批准用于治疗AD的乙酰胆碱酯酶抑制剂(acetylcholinesterase inhibitor,AChEI)主要有他克林、多奈哌齐、利凡斯的明、加兰他敏。除加兰他敏外,大多数为合成药物,虽然有一定的治疗效果,但具有头晕、失眠、恶心、轻度腹泻等不同程度的副作用,不适于患者长期使用。因此,寻求高效低毒、适宜患者长期使用的天然来源AChEI对治疗AD具有重要的意义。
研究表明,氧化应激是AD病理机理的一个组成部分,减轻氧化应激对预防AD至关重要,因此具有抗氧化和AChE抑制活性的天然化合物对于预防和治疗AD起着举足轻重的作用。海胆酮(-胡萝卜素-4-酮)是一种酮式类胡萝卜素,由4个异戊二烯单元以共轭双键的形式连接,首尾两端则各连接一个紫罗兰酮环,其中一个紫罗兰酮环上的氢被酮基取代,主要从海胆及藻类等海洋生物中提取。Miller等报道海胆酮具有很强的抗氧化能力,对2,2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)阳离子自由基的清除能力强于角黄素和虾青素。课题组前期从法夫酵母中提取得到海胆酮,本实验应用Ellman法研究海胆酮对AChE的抑制作用,并进一步通过抑制动力学分析其对AChE的抑制类型,利用荧光光谱和圆二色光谱研究其对AChE构象变化的影响,采用分子对接分析其结合位点,初步阐明海胆酮对AChE的抑制机理,并应用淀粉样β蛋白片段25~35(amyloid beta-peptide 25-35,Aβ)诱导大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞(PC12细胞)损伤,以不同质量浓度海胆酮干预,研究海胆酮对AD细胞模型氧化应激的影响,阐明海胆酮对AD的潜在作用机制,为海胆酮在功能食品、生物医药等领域的应用提供理论依据。
海胆酮 实验室自制;AChE(E.C.3.1.1.7,来源于电鳗鱼,500 U/mg)、碘代硫代乙酰胆碱(acetylthiocholine iodide,ATCI)、5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(5,5’-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid),DTNB)(纯度98%)、甲醇(色谱级)、100×双抗(100 IU/mL青霉素及100 μg/mL链霉素)溶液、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO) 美国Sigma-Aldrich公司;加兰他敏(纯度≥98%)、Aβ上海源叶生物科技有限公司;PC12细胞、马血清(horse serum,HS)、噻唑蓝(3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5- diphenyl-2-tetrazolium bromide,MTT) 北京索莱宝科技有限公司;胎牛血清(fetal bovine serum,FBS) 美国Thermo Fisher Scientific公司;R/MINI 1640培养基美国Gibco公司;二喹啉甲酸(bicinchonininc acid,BCA)总蛋白含量测定试剂盒、AChE、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)测定试剂盒 南京建城生物工程研究所。
Mettler Toledo电子天平 顺迪嘉奥有限公司;SPECTROstar Omega全波长自动多功能酶标仪微孔板检测仪德国BMG Labtech公司;7200可见分光光度计 美国Unico公司;CALR2y Ecliose荧光光谱仪 美国Varian公司;JASCO J-810圆二色光谱仪 日本Jasco公司;Avanti J26XP高速冷冻离心机 美国贝克曼公司;DL-CJ-2NDI型超净工作台 中国北京东联哈尔仪器制造有限公司;Galaxy 170R型CO培养箱 中国上海百赛生物技术有限公司;Cytation-5细胞成像多功能酶标仪美国伯腾仪器有限公司;JY92-IIN超声波细胞粉碎机宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.3.1 乙酰胆碱酯酶抑制率测定
参照文献[10]的方法测定海胆酮的AChE抑制率。在96 孔酶标板中依次加入80 μL buffer D(含0.1%(质量分数)牛血清白蛋白的pH 8.0、50 mmol/L Tris-HCl)、20 μL AChE(0.4 U/mL)、20 μL不同质量浓度(5、10、30、40、50 μg/mL)海胆酮溶液(溶剂为甲醇,后同),分别37 ℃温育15 min,加入40 μL底物(0.6 mmol/L ATCI)和40 μL显色剂(0.6 mmol/L DTNB),37 ℃温育15 min后测定405 nm波长处吸光度。以等体积不同质量浓度(5、10、30、40、50 μg/mL)加兰他敏作为阳性对照,3 次平行实验,根据公式(1)计算AChE抑制率。
式中:为添加海胆酮、AChE时的吸光度;为添加海胆酮、用等体积buffer D代替AChE时的吸光度;为用等体积甲醇替代海胆酮、加入AChE时的吸光度;为用等体积buffer D代替AChE、等体积甲醇替代海胆酮时的吸光度。
1.3.2 乙酰胆碱酯酶抑制类型的测定
参照文献[11]的方法,固定底物ATCI浓度为0.6 mmol/L,加入量为40 μL,分别添加20 μL不同质量浓度(0、5、10、20 μg/mL)海胆酮溶液,测定不同AChE浓度(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 U/mL)下的酶促反应速率(以每分钟吸光度的变化(Δ)表示,下同)(),以AChE浓度为横坐标,以反应酶促反应速率为纵坐标作图,根据所得线性拟合曲线是否通过坐标原点判断AChE的抑制类型。
如果上述抑制类型为可逆抑制,固定AChE浓度为0.4 U/mL,在不同底物ATCI浓度(0.5、1、2、4、8 mmol/L)下测定不同质量浓度(0、5、10、20 μg/mL)海胆酮的酶促反应速率,以底物浓度的倒数(1/[])为横坐标、酶促反应速率的倒数(1/)为纵坐标绘制Lineweaver-Burk双倒数曲线。根据米氏常数()和最大反应速率()的变化判断抑制类型,以海胆酮质量浓度为横坐标,双倒数曲线各质量浓度直线的斜率为纵坐标作二级曲线图,曲线与横轴的截距为抑制常数。
1.3.3 荧光光谱分析
将50 μL AChE溶液(50 U/mL)和25 μL不同质量浓度(0、5、10、20、30 μg/mL)海胆酮溶液混合均匀后加入1 cm石英试管中用荧光光谱仪记录荧光强度变化。扫描条件:温度为25 ℃,波长为290~490 nm,激发波长为280 nm,激发和发射狭缝宽度为5 nm。
1.3.4 圆二色光谱分析
利用圆二色光谱研究海胆酮对AChE二级构象的影响。将0.2 mL AChE溶液(50 U/mL)与20 μL不同质量浓度(0、10、20 μg/mL)海胆酮溶液混合均匀后加入到1 cm的石英样品池中用JASCO J-810圆二色光谱仪进行测定。扫描条件:波长范围190~290 nm;扫描速率100 nm/s;分辨时间0.5 s;响应时间1 s;带宽2 nm。
1.3.5 分子对接分析
从蛋白质数据库(http://www.rcsb.org)下载AChE和多奈哌齐复合物(PDB ID:1EVE)的晶体结构。从PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)获得底物ATCI和抑制剂海胆酮的2D结构,并使用Discovery Studio 2.5软件转换为3D结构,应用Discovery Studio 2.5软件进行分子对接。用Autodock 4.2软件测定抑制剂海胆酮、底物ATCI与AChE相互作用的结合能。
1.3.6 细胞培养
PC12细胞复苏后,用含5% FBS、10% HS、1%双抗(青霉素、链霉素)的R/MINI 1640培养基,于37 ℃、5% CO的细胞培养箱中培养,取对数生长期PC12细胞,用R/MINI 1640培养基制成单细胞悬液(浓度为1h10个/mL)进行后续细胞实验。
1.3.7 海胆酮对PC12细胞活性的影响
参考文献[15]的方法应用MTT比色法检测PC12细胞活力。将100 μL PC12细胞(1h10个/mL)接种于96 孔板中,37 ℃下孵育24 h。孵育结束后,吸弃培养液,加入100 μL含不同质量浓度(0(即对照组)、1、5、10、20 μg/mL)海胆酮的R/MINI 1640培养基,于37 ℃继续孵育24 h。吸弃培养液,每孔中加入100 μL质量浓度5 mg/mL的MTT溶液(溶于磷酸盐缓冲液(pH 7.4、0.01 mol/L,后同)),37 ℃继续孵育30 min。之后用磷酸盐缓冲液轻轻洗涤细胞2 次,每孔加入100 μL DMSO,振荡20 min,于570 nm处用酶标仪测量其吸光度,以100 μL DMSO为空白组。根据公式(2)计算细胞活力。
式中:、和分别表示为样品处理组、对照组和空白组的吸光度。
1.3.8 海胆酮对Aβ诱导PC12细胞活性的影响
将100 μL PC12细胞(1h10个/mL)接种到96 孔板中培养24 h。待其贴壁后分为3 组:空白组:不作任何处理,用培养基孵育48 h;模型组:用培养基孵育24 h后,吸弃培养液,用含20 μmol/L Aβ培养基继续孵育24 h;实验组:用含不同质量浓度(5、10、20 μg/mL)海胆酮的培养基孵育24 h,吸弃培养液,用含20 μmol/L Aβ培养基继续孵育24 h。3 组细胞孵育结束后,用磷酸盐缓冲液轻轻洗涤细胞2 次,加入100 μL质量浓度5 mg/mL的MTT,继续孵育4 h,吸弃培养液,加入150 μL DMSO,振荡20 min,用酶标仪于570 nm波长处测定其光密度值OD。Aβ孵育的模型组与海胆酮孵育的实验组统称为处理组,根据公式(3)计算细胞活力。
1.3.9 PC12细胞中MDA含量及AChE、SOD、CAT和GSH-Px活力测定
PC12细胞培养及分组加样参照1.3.8节,孵育结束后,利用细胞刮刀收集细胞,冰浴中用超声细胞破碎仪破碎细胞(80 W、20 kHz),2 min后4 ℃下1 200 r/min离心10 min,收集上清液。上清液中的MDA含量及酶活力的测定分别按照MDA、SOD、CAT和GSH-Px试剂盒说明书进行操作。
实验设置3个平行,实验数据以平均值±标准差表示。采用Excel 2016软件处理数据后作图,采用SPSS 2017软件进行单因素方差分析,采用Tukey’s检验进行显著性分析,<0.05表示差异显著。
由图1可知,在实验质量浓度范围内,随着海胆酮质量浓度的升高,对AChE的抑制作用显著增强(<0.05),表现出明显的剂量依赖性。通过线性拟合计算海胆酮、加兰他敏的半抑制质量浓度(half-maximal inhibitory concentration,IC)分别为(16.29f0.97)、(23.20f1.08)μg/mL,由此可知,海胆酮对AChE的抑制作用强于加兰他敏。此外,据报道海胆酮是一种可食用的橙色素,抗氧化剂和VA原,具有较强的自由基清除能力。因此,海胆酮具有抗氧化和抑制AChE的双重功效,且食用安全性高,有望用于预防和治疗AD。
图1 海胆酮和加兰他敏对AChE的抑制作用Fig.1 AChE inhibitory effects of echinenone and galanthamine
由图2A可知,不同质量浓度海胆酮作用下的酶浓度-酶促反应速率的线性拟合曲线均通过原点,且线性拟合曲线的斜率随着海胆酮质量浓度的增加而降低,说明加入海胆酮抑制酶促反应速率,表明海胆酮可逆抑制AChE,海胆酮与AChE通过非共价键结合,从而导致AChE活力降低或丧失,并未引起AChE分子构象的永久变化,可通过物理方法使AChE活力恢复。
图2 海胆酮对AChE抑制类型分析结果Fig.2 Analysis of the type of inhibition of echinenone on AChE
固定AChE浓度为0.4 U/mL,由图2B可知,不同质量浓度海胆酮作用下的拟合曲线相交于纵轴一点,纵轴截距为1/,说明添加不同质量浓度的海胆酮,1/不变。随着海胆酮质量浓度的增大,拟合直线的斜率增大,说明米氏常数随着抑制剂浓度的增大而增大。以图2B的直线斜率为纵坐标、AChE浓度为横坐标作图2C,计算得到AChE的为3.82 μg/mL。由以上分析可知,海胆酮对AChE的抑制类型为竞争性抑制,说明海胆酮与底物ATCI竞争AChE的催化位点,降低底物与酶的亲和力从而抑制酶的活力。该抑制类型与二氢小檗碱和黄芩苷对AChE的抑制类型一致。
由图3可知,随着海胆酮质量浓度的增加,AChE的荧光强度降低,表明海胆酮对AChE有荧光猝灭作用;但AChE最大发射波长334 nm没有改变,表明AChE色氨酸微环境没有改变。推测AChE与海胆酮通过次级键(如氢键和疏水作用)结合,该结合并未改变色氨酸所处的溶剂环境,而改变AChE内除色氨酸外其他荧光性质氨基酸的微环境产生荧光猝灭,导致酶活力降低。Tang Hongjin等报道丹酚酸C与AChE结合形成新的丹酚酸C-AChE复合物,诱导酶的三级结构发生变化,导致荧光猝灭。
图3 海胆酮对AChE荧光光谱的影响Fig.3 Fluorescence spectra of AChE in the presence of echinenone
圆二色光谱技术广泛用于分析酶二级结构的变化,蛋白质的圆二色光谱中-螺旋在208、222 nm处呈负峰,在192 nm附近有一个正峰。-折叠在215 nm处呈现负峰,在198 nm处有一个正峰。由图4可知,随着加入海胆酮质量浓度的增加,-螺旋相对含量从15.7%下降到7.6%,-折叠相对含量从25.3%下降到16.3%,无规卷曲相对含量从32.2%下降到20.6%,而-转角相对含量从31.2%上升到55.5%。表明海胆酮与AChE结合引起AChE二级结构发生改变,破坏酶的氢键网络,从而导致AChE活力下降。
图4 海胆酮对AChE圆二色光谱的影响Fig.4 Circular dichroism spectra of AChE in the presence of echinenone
采用分子对接技术进一步阐明海胆酮、底物ATCI与AChE的结合方式(图5)。AChE在球形分子结构的表面有一向内凹陷的又深又窄的活性中心“峡谷”,中间狭窄,两端开阔,由3个主要区域组成:位于峡谷底部由Ser200、Glu327和His440组成的催化三联体,催化底物乙酰胆碱的乙酰基水解;位于峡谷中部由Trp84、Phe330、Tyr442和Glul99组成的阴离子活性位点,此位点氨基酸主要通过阳离子-π或π-π电子的堆积与底物结合;位于峡谷入口以Trp279为中心的外周阴离子位点,为变构调节剂和抑制剂提供结合位点。从图5B可以看出,海胆酮和底物ATCI均可与AChE的活性中心结合。底物ATCI与AChE的催化三联体位点Ser200形成氢键,与His440通过范德华力相互作用;与阴离子活性位点Trp84、Phe330以阳离子-π键相互作用;与外周阴离子Tyr121形成碳氢键(图5A)。当加入海胆酮时结合的氨基酸和作用力发生改变(图5 B)。海胆酮与AChE的催化三联体位点Ser200形成碳氢键,与His440形成疏水作用力;与阴离子活性位点Trp84形成π-σ键;与外周阴离子位点Tyr121以范德华力相互作用,与Tyr334、Trp279以疏水作用力相互作用。可见,海胆酮和底物ATCI与AChE有共同的活性中心氨基酸作用位点:Ser200、His440、Trp84和Tyr121。通过分子对接计算可知海胆酮、ATCI与AChE的结合能分别为-10.9 kcal/mol和-4.9 kcal/mol。结合能越低,表明与受体蛋白的亲和力越高。由于海胆酮与AChE的结合能更低,更容易与AChE结合且结合状态更稳定,因而阻碍底物ATCI与活性中心氨基酸结合,从而引起酶活力降低,抑制乙酰胆碱水解,使患者脑内ACh水平提高。海胆酮对AChE有更强的抑制作用可能与海胆酮的化学结构有关。海胆酮的长碳链一端可以作用于AChE活性中心峡谷底部的催化位点,另一端可作用于活性中心峡谷入口处外周阴离子位点。中间碳链可以满足两个位点之间的距离,使海胆酮很好的契合在AChE的整个活性中心峡谷,与底物竞争AChE的活性中心,从而降低酶活力。此结果也与抑制动力学结果一致,进一步表明海胆酮是一种竞争性抑制剂。
图5 ATCI、海胆酮与AChE的分子对接Fig.5 Molecular docking interaction of echinenone and ATCI with AChE
此外,AChE的外周阴离子结构域在诱发Aβ聚集中发挥重要作用,促进寡聚体及斑块形成。海胆酮与AChE的催化三联体和外周阴离子活性位点同时作用,不仅可以抑制AChE活力而且可以干扰Aβ聚集,从而发挥双重治疗AD的作用。
由图6可知,在质量浓度0~20 μg/mL范围内,海胆酮对PC12细胞活力均无显著影响(>0.05),细胞活力均接近100%,表明海胆酮在质量浓度0~20 μg/mL范围内对PC12细胞没有毒性作用。因此,后续实验采用20 μg/mL海胆酮作为实验上限质量浓度。
图6 海胆酮对PC12细胞活力的影响Fig.6 Effects of echinenone on the viability of PC12 cells
由图7可知,模型组的PC12细胞在Aβ诱导后细胞活力为(65.19f2.58)%,显著低于空白组,说明Aβ成功诱导PC12细胞损伤。经5、10、20 μg/mL海胆酮处理的Aβ诱导PC12细胞的活力分别为(75.61f2.54)%、(79.12%f2.11)%、(84.50f2.44)%;与模型组相比,海胆酮显著提高PC12细胞的活力(<0.05),并呈剂量依赖性,对Aβ诱导的PC12细胞损伤具有保护作用。
图7 海胆酮对Aβ25-35诱导PC12细胞活力的影响Fig.7 Effect of echinenone on the viability of PC12 cells induced by Aβ25-35
由图8可知,与空白组相比,模型组中AChE的活力显著升高(<0.05),表明Aβ成功诱导PC12细胞胆碱能系统损伤。与模型组相比,不同质量浓度的海胆酮预处理PC12细胞后,Aβ诱导的PC12细胞中AChE的活力随着海胆酮质量浓度的增加显著降低(<0.05),具有剂量依赖性,表明海胆酮能有效抑制PC12细胞中AChE的活力。
图8 海胆酮对PC12细胞AChE活力的影响Fig.8 Effect of echinenone on the activity of AChE in PC12 cells
由表1可知,与空白组相比,模型组脂质过氧化终产物MDA含量显著增多(<0.05),抗氧化酶SOD、CAT和GSH-Px活力显著下降(<0.05)。表明Aβ诱导PC12细胞产生氧化应激。与模型组相比,实验组的MDA含量显著减少(<0.05),并且当海胆酮质量浓度为20 μg/mL时,MDA含量与空白组无显著差异(>0.05)。表明经海胆酮处理的Aβ诱导PC12细胞可以降低氧化应激。当海胆酮质量浓度为5 μg/mL时,SOD活力与模型组无显著差异(>0.05),随着加入海胆酮质量浓度的增大,SOD活力显著升高(<0.05),并且当海胆酮质量浓度为20 μg/mL时,SOD活力为(77.44f7.92)U/mg,显著高于空白组(<0.05)。随着海胆酮质量浓度的增加,CAT活力和GSH-Px活力均显著升高(<0.05),呈明显的剂量依赖性;并且当海胆酮质量浓度为10 μg/mL时,CAT活力已显著高于空白组(<0.05)。综上所述,添加海胆酮可以引起MDA含量显著减少,SOD、CAT和GSH-Px活力显著升高,表明给予海胆酮预保护可以明显减轻Aβ诱导AD细胞模型的氧化应激损伤。
表1 海胆酮对Aβ25-35诱导PC12细胞中MDA含量和抗氧化酶系活力的影响Table 1 Effect of echinenone on MDA content and antioxidant enzyme activity in PC12 cells induced by Aβ25-35
AD是多因素复杂疾病,胆碱能系统损伤和氧化应激反应是导致AD的两大重要机制。胆碱能损伤的主要表现为AChE活力升高,乙酰胆碱缺失。氧化应激是过氧化物和抗氧化剂之间的动态不稳定状态。其特征是机体内活性氧类、活性氮类等自由基含量显著增加,超过机体本身的清除能力,造成氧化系统和抗氧化系统失衡,导致氧化损伤的产生,最终影响细胞中蛋白质表达和DNA/RNA的翻译后修饰,造成细胞损伤或凋亡。脂质过氧化物MDA含量增加、抗氧化物酶如SOD、CAT和GSH-Px等活性下降是AD氧化应激反应的重要表现。PC12细胞来源于大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤,是常用的神经元细胞模型。Aβ具有神经毒性作用,会损伤胆碱能神经元,引起神经细胞凋亡,产生氧化应激反应,进而导致AD,Aβ的主要毒性片段为Aβ。本实验研究海胆酮对AChE的抑制机理,并通过Aβ诱导PC12细胞建立AD细胞模型,进一步研究海胆酮对Aβ诱导AD细胞模型氧化应激的影响。结果表明,海胆酮对AChE具有很强的抑制作用,可引起AChE二级结构的改变,与底物竞争AChE的结合位点,从而降低酶活力。Aβ诱导AD细胞模型结果显示,细胞活性降低,MDA水平显著升高,SOD、CAT和GSH-Px活力显著降低,表明Aβ诱导PC12细胞氧化系统与抗氧化系统失衡,产生了氧化应激。海胆酮处理后细胞活性升高,MDA含量降低,SOD、CAT和GSH-Px活力升高;表明海胆酮通过提高SOD、CAT和GSH-Px的活力,以及防止脂质过氧化作用,从而减少脂质过氧化终产物MDA的产生,减轻Aβ诱导细胞的氧化应激损伤。综上,海胆酮通过抑制AChE活力减轻胆碱能损伤;海胆酮通过提高细胞抗氧化酶SOD、CAT和GSHPx的活力,降低脂质过氧化终产物MDA的含量,从而减轻细胞氧化应激损伤,具有潜在的预防和辅助治疗AD的功效。
本研究基于AChE活力和氧化应激研究了海胆酮对AD的作用机制,结果表明,海胆酮可通过竞争性抑制降低AChE活力减轻胆碱能损伤,降低乙酰胆碱的水解速率,维持乙酰胆碱水平,保证神经信号的正常传递;此外,海胆酮可通过提高抗氧化酶的活力降低脂质过氧化终产物MDA含量,对细胞氧化应激损伤起到保护作用。本实验为海胆酮用于预防和治疗AD提供了参考,同时为海胆酮在功能食品、生物医药等领域的应用提供了理论支持和科学依据。