王乃紅宋麗新靳月琴李文利
(1山西省蠶業(yè)科學(xué)研究院,山西運(yùn)城 044000;2大連理工大學(xué)生命與醫(yī)藥學(xué)院,遼寧盤錦 124211)
家蠶蛾吐出液溶繭酶的溶栓作用研究
王乃紅1宋麗新2靳月琴1李文利2
(1山西省蠶業(yè)科學(xué)研究院,山西運(yùn)城 044000;2大連理工大學(xué)生命與醫(yī)藥學(xué)院,遼寧盤錦 124211)
利用CM?Sepharose Fast Flow弱陽離子交換層析從家蠶蛾吐出液中收集得到溶繭酶。通過精氨酸酯酶活力測(cè)定其酶活力為11.92 U/mg,利用纖維蛋白原降解試驗(yàn)和纖維蛋白平板試驗(yàn)初步驗(yàn)證其具有溶栓作用。小鼠腹部皮膚皮內(nèi)注射家蠶蛾吐出液溶繭酶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)每公斤體質(zhì)量注射的酶劑量為0.25 μg/μL時(shí),開始出現(xiàn)溶血;在小鼠體內(nèi)溶栓試驗(yàn)中,每公斤小鼠體質(zhì)量注射家蠶蛾吐出液溶繭酶的劑量分別為0(對(duì)照)、100、200、300、400 μg時(shí),48 h后小鼠尾部血栓比例呈逐漸減小的趨勢(shì),去除率分別為(5.00±0.41)%、(16.67±0.21)%、(37.97± 0.74)%、(49.15±0.65)%、(74.67±0.62)%。
家蠶蛾;吐出液;溶繭酶;溶栓作用
血栓是導(dǎo)致世界各地心腦血管疾病患者發(fā)病率和死亡率較高的原因之一[1]。臨床應(yīng)用的藥物可分為抗栓藥物和溶栓藥物兩大類,其中抗血栓藥物又可分為抗凝血藥和抗血小板凝集藥。目前,可以直接降解纖維蛋白的藥物,如血纖維蛋白溶酶和蛇毒纖溶酶等越來越引起人們的關(guān)注,并試圖通過研究增加其溶栓療效和減少出血。Meiser等[2]從大椎蝽(Panstrongylus megistis)的下顎腺中分離得到一種具有纖溶活性的類胰蛋白酶[1],這表明一些昆蟲的吐出液或許可以成為潛在的溶栓劑。
家蠶蛹羽化時(shí)蛾的吐出液能濕潤(rùn)繭層,溶解絲膠蛋白及部分絲素蛋白,使繭層松解,進(jìn)而有助于蠶蛾撥開繭絲鉆出蠶繭[3]。早在1966年,美國(guó)學(xué)者Fotis等[4]研究發(fā)現(xiàn)某些營(yíng)封閉繭的昆蟲,在成蟲階段分泌的吐出液中含有一種酶,這種酶的水解底物不只局限于絲膠,它是一種更具廣泛性的蛋白水解酶,因此將其命名為溶繭酶(Cocoonase)。目前,溶繭酶的應(yīng)用前景主要在繅絲工業(yè)中酶法脫膠、化妝品工業(yè)中酶法水解絲以及血栓治療藥物的開發(fā)[5]。雖然研究人員對(duì)多種溶繭酶進(jìn)行了酶學(xué)性質(zhì)的研究[4,6],但是對(duì)家蠶溶繭酶的溶血栓作用尚未見報(bào)道。
本研究從家蠶蛾吐出液中分離得到了家蠶溶繭酶,并測(cè)定了其精氨酸酯酶活性;通過纖維蛋白降解、小鼠體內(nèi)溶栓等一系列試驗(yàn)證實(shí),家蠶蛾吐出液中的溶繭酶具有溶栓功能,為新型溶栓藥物的研究奠定了基礎(chǔ)。
1.1 試驗(yàn)材料
家蠶蛹,蠶品種為871×872,由山西省蠶業(yè)科學(xué)研究院提供;SPF級(jí)健康雄性昆明種小鼠,由大連醫(yī)科大學(xué)提供;CM-Sepharose Fast Flow(SPFF),購(gòu)自GE公司;蛋白質(zhì)分子量(低)標(biāo)準(zhǔn)、N-苯?;璍-精氨酸乙酯(BAEE)、人纖維蛋白原、纖維蛋白、角叉菜膠、凝血酶,購(gòu)自Sigma公司;AKTA explorer,購(gòu)自美國(guó)Phamacia biotech公司;酶標(biāo)儀(英國(guó)),購(gòu)自Thermo scientific公司;紫外分光光度計(jì)(V-560),購(gòu)自日本JASCO公司;ECP3000蛋白電泳儀、電泳槽,購(gòu)自北京六一設(shè)備廠。
1.2 家蠶蛾吐出液溶繭酶的分離純化
參照參考文獻(xiàn)[7]的方法收集家蠶蛾吐出液,即將發(fā)育到后期的蠶蛹頭朝下置于用塑料膜卷成的三角錐內(nèi),將三角錐倒立,插入1.5 mL離心管中,繼續(xù)在室溫培養(yǎng);在蠶蛹羽化過程中收集家蠶蛾吐出液,置于-80℃貯存?zhèn)溆?。CM?Sepharose Fast Flow弱陽離子交換層析:將收集的家蠶蛾吐出液12 000 r/min離心,15 min后收集上清液,用50 mM NaAC?HAC(醋酸—醋酸鈉緩沖液)pH 5.8上樣緩沖液稀釋。先用雙蒸水清洗離子交換柱,流速為1.0 mL/min,然后用A溶液(NaAc 1.361 g,加入400 mL雙蒸水,用HAc調(diào)pH值至6.0,定容至500 mL;以下相同)平衡離子交換柱,待電導(dǎo)率持平時(shí),將待純化樣品注入5.0 mL上樣環(huán),開始進(jìn)樣,流速為0.5 mL/min。上樣完畢后,用A溶液再平衡離子交換柱,此過程中收集穿透峰流出液,待穿透峰和電導(dǎo)率再次持平后,用B溶液(NaAc 1.361 g、NaCl 29.250 g,加入400 mL雙蒸水,用HAc調(diào)節(jié)pH值至6.0,定容至500 mL;以下相同)進(jìn)行線性洗脫,濃度由0逐漸增大至50%,收集洗脫峰流出液,分別將穿透峰和洗脫峰進(jìn)行SDS?PAGE電泳,并測(cè)定其酰胺酶活性。
1.3 Lowry法蛋白定量
試驗(yàn)采用Lowry法[8]對(duì)蛋白進(jìn)行定量。
1.3.1 制作標(biāo)準(zhǔn)曲線 (1)用蒸餾水將標(biāo)準(zhǔn)血清蛋白配制成100 μg/mL的蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液,在96孔板上取11孔,按照表1平衡操作。(2)取24 μL A溶液和1.2 mL B溶液,混勻。各孔加入100 μL混合液,混勻,室溫靜置10 min。(3)各孔加入10 μL Folin-酚試劑,迅速混勻,室溫靜置30 min。(4)在酶標(biāo)儀上測(cè)各孔吸光值(A750nm)。以各孔A750nm值為縱坐標(biāo),對(duì)應(yīng)的蛋白濃度為橫坐標(biāo),作圖。
表1 標(biāo)準(zhǔn)血清蛋白配制表
1.3.2 家蠶蛾吐出液溶繭酶蛋白質(zhì)濃度測(cè)定 根據(jù)1.3.1的方法,將家蠶蛾吐出液溶繭酶溶液用雙蒸水溶解稀釋10倍,測(cè)定純化后的家蠶蛾吐出液溶繭酶濃度,根據(jù)下式計(jì)算樣品的蛋白質(zhì)濃度。
樣品蛋白質(zhì)濃度(μg/mL)=樣品孔A750nm值的平均值對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)濃度×樣品稀釋倍數(shù)
1.4 家蠶蛾吐出液溶繭酶中酰胺酶活力的測(cè)定
家蠶蛾吐出液溶繭酶中的酰胺酶活力的測(cè)定,采用合成底物苯甲酰-L-精氨酸乙酯鹽酸鹽(BAEE)法[9]。按1∶1比例加入BAEE底物溶液和50 mM Tris-HCl pH 8.0緩沖液,混勻后用作空白對(duì)照。取稀釋10倍的酶液200 μL,加入到2.8 mL 0.5 mM BAEE底物溶液中,混勻后在253 nm處測(cè)其吸光值。酶活力單位計(jì)算如下:以時(shí)間(t)為橫坐標(biāo),253 nm下的吸光值(A253nm)為縱坐標(biāo)作圖,在直線上任意2個(gè)時(shí)間點(diǎn)與相應(yīng)的光吸收值做差(△A253nm)。BAEE酶的活力定義為在25℃下,每分鐘內(nèi)酶作用于底物所產(chǎn)生的吸光度增加0.001為1個(gè)活力單位(U)。酶活力單位計(jì)算公式如下。
1.5 家蠶蛾吐出液溶繭酶對(duì)纖維蛋白原和纖維蛋白的降解
1.5.1對(duì)纖維蛋白原的降解 取500 μL 0.2%纖維蛋白原溶液于1.5 mL離心管,加入50 μL純化后的酶液,37℃溫育。分別在2、4、6、8、10、12、24 h從反應(yīng)體系中取出40 μL反應(yīng)液,加入10 μL 5×loading buffer(3.1 mL 1M Tris-HCl(pH6.8)+65 mL 50%甘油+0.5 mL 1%溴酚蘭+1.4 mL水),煮沸8 min終止反應(yīng)。取未進(jìn)行反應(yīng)的纖維蛋白原溶液做對(duì)照與上述處理過的樣品分別進(jìn)行SDS?PAGE電泳,觀察反應(yīng)情況。
1.5.2 對(duì)纖維蛋白的降解 取5 mL 1%瓊脂糖凝膠煮化后冷卻,加入5 mL 0.4%人纖維蛋白原溶液混勻,再加入0.2 mL人凝血酶(100 U/mL)(0.1 mol/L HAC/NaAC,pH8.0)混勻,倒入一個(gè)10 cm Petri平皿中,室溫靜置1 h,打孔。加15 μL純化后的酶溶液于平板上,37℃孵育24 h,并觀察水解圈的大小。依據(jù)此法,觀測(cè)到的清晰透明區(qū)域,即為纖維蛋白被水解的區(qū)域[10]。根據(jù)溶解面積的大小來確定家蠶蛾吐出液溶繭酶的纖溶活性強(qiáng)弱。
1.6 金屬離子對(duì)纖維蛋白原降解的影響
取0.2%纖維蛋白原200 μL加入到7個(gè)1.5 mL的離心管中,分別加入純化后的酶液20 μL及各種終濃度為10 mM的金屬離子Cu2+、Mg2+、Ca2+、K+、Mn2+、Zn2+、Fe2+,對(duì)照組中分別加入0.2%纖維蛋白原200 μL和純化后的酶液20 μL,37℃溫育。分別在4 h和24 h從反應(yīng)體系中取出50 μL反應(yīng)液,加入10 μL 5×loading buffer,煮沸8 min終止反應(yīng)。取上述處理過的樣品進(jìn)行SDS?PAGE電泳,與未進(jìn)行反應(yīng)的纖維蛋白原溶液對(duì)比,觀察反應(yīng)情況。
1.7 蛋白酶抑制劑對(duì)纖維蛋白原降解的影響
取0.2%纖維蛋白原200 μL和純化后的酶液20 μL,分別加入到7個(gè)1.5 mL的離心管中,依次加入終濃度為10 mM的DTT、EDTA、β-巰基乙醇、咪唑和1 mM、0.1 mM的苯甲基磺酰氟(PMSF),對(duì)照組中分別加入0.2%纖維蛋白原200 μL和純化后的酶液20 μL,37℃溫育。分別在4 h和24 h從反應(yīng)體系中取出50 μL反應(yīng)液,加入10 μL 5×loading buffer,煮沸8 min終止反應(yīng)。取上述處理過的樣品進(jìn)行SDS-PAGE電泳,與未進(jìn)行反應(yīng)的纖維蛋白原溶液對(duì)比,觀察反應(yīng)情況。
1.8 出血活性試驗(yàn)
根據(jù)Kondo等[11]的方法,分別將不同劑量的家蠶蛾吐出液溶繭酶(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.50 μg/μL)通過皮內(nèi)注射的方法分別注入到小鼠(每公斤體質(zhì)量注射18~22 g)的腹部皮膚中,對(duì)照組則注射100 μL生理鹽水,2 h后,剝離小鼠背部皮膚,觀察是否存在出血點(diǎn)及出血點(diǎn)直徑的大小。
1.9 體內(nèi)溶栓試驗(yàn)
1.9.1 小鼠尾靜脈血栓模型的建立 在小鼠腰背部皮下注射0.2%角叉菜膠溶液100 μL/只,小鼠尾尖4~24 h期間出現(xiàn)暗紅色血栓形成區(qū),逐漸向尾根部擴(kuò)大到一定范圍,48~72 h后,經(jīng)紫色變黑色,與正常尾部分界明顯。
1.9.2 給藥方法 將50只小鼠按體質(zhì)量隨機(jī)分為5組(n=10)。給對(duì)照組注射生理鹽水100 μL,其余4組小鼠按每公斤體質(zhì)量分別注射400、300、200、100 μg家蠶蛾吐出液溶繭酶,72 h后測(cè)量血栓形成的長(zhǎng)度[12]。
2.1 家蠶蛾吐出液溶繭酶的分離純化
通過AKTA純化系統(tǒng),利用CM-Sepharose Fast Flow弱陽離子交換層析分離純化家蠶蛾吐出液,NaCl濃度為0.3 M洗脫后發(fā)現(xiàn)單一洗脫峰,分別對(duì)洗脫峰和穿透峰進(jìn)行酶活性測(cè)定發(fā)現(xiàn),該洗脫峰的蛋白具有精氨酸酯酶活性,SDS-PAGE電泳檢測(cè)(圖1)分析,蛋白條帶為2條,經(jīng)分析家蠶蛾吐出液溶繭酶信號(hào)肽的分子量為3.6 kD,此峰中的2種蛋白可視為同種蛋白質(zhì),冷凍干燥保存。
圖1 家蠶溶繭酶分離純化SDS-PAGE電泳結(jié)果
2.2 Lowry法蛋白定量
試驗(yàn)采用Lowry法對(duì)蛋白進(jìn)行定量,以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn),在750 nm波長(zhǎng)下測(cè)定蛋白的吸光值,以A750nm值為縱坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)含量為橫坐標(biāo),繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)。同時(shí)將待測(cè)樣品稀釋至一定倍數(shù),使其吸光值落在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi),通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品蛋白濃度為745 μg/mL。
圖2 Lowry法蛋白定量標(biāo)準(zhǔn)曲線
2.3 酰胺酶活力測(cè)定
圖3 BAEE酶活力測(cè)定曲線
2.4 家蠶蛾吐出液溶繭酶對(duì)纖維蛋白原及纖維蛋白的降解
圖4 家蠶蛾吐出液溶繭酶對(duì)纖維蛋白原(A)及纖維蛋白(B)的降解
將家蠶蛾吐出液溶繭酶與人纖維蛋白原混勻,37℃反應(yīng)條件下,分別在2、4、6、8、10、12、24 h從反應(yīng)體系中取出40 μL反應(yīng)液,加入10 μL 5×loading buffer煮沸后SDS-PAGE電泳分析(圖4)。纖維蛋白原的3條鏈,Aα?鏈的分子量為63.5 kD,Bβ?鏈的分子量為56.0 kD,γ?鏈的分子量為47.0 kD。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,纖維蛋白原的3條鏈逐漸被降解,其中優(yōu)先降解Aα?鏈和Bβ?鏈,而對(duì)γ?鏈的降解則較緩慢(圖4-A)。利用凝血酶的作用纖維蛋白原被降解成纖維蛋白,在平板內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),家蠶溶繭酶平板明顯出現(xiàn)透明圈(圖4-B),說明家蠶蛾吐出液溶繭酶可以較好地降解纖維蛋白。
2.5 金屬離子對(duì)纖維蛋白原降解的影響
將各金屬離子(Cu2+、Mg2+、Ca2+、K+、Mn2+、Zn2+、Fe2+)按照終濃度10 mM加入到家蠶蛾吐出液溶繭酶與纖維蛋白原混合液中,37℃水浴,分別在4 h和24 h取樣,SDS-PAGE電泳檢測(cè)此降解作用的影響實(shí)驗(yàn)(圖5-A、B)表明,Mg2+、Ca2+、K+幾乎對(duì)酶的活性沒有影響,而這3種離子正是金屬蛋白酶活性所必需的;因此,可以證明家蠶蛾吐出液溶繭酶是非金屬蛋白酶。
圖5 金屬離子對(duì)家蠶蛾吐出液溶繭酶降解纖維蛋白原的影響
2.6 蛋白酶抑制劑對(duì)纖維蛋白原降解的影響
將PMSF、咪唑、EDTA、β-巰基乙醇、DTT等酶抑制劑分別與酶液混合,使抑制劑終濃度為10 mM,37℃水浴4 h后SDS-PAGE電泳檢測(cè),結(jié)果如圖6所示。從圖6可知PMSF在2個(gè)劑量下均對(duì)酶活性產(chǎn)生較大的影響,而PMSF是典型的絲氨酸蛋白酶抑制劑;因此,家蠶蛾吐出液溶繭酶屬于絲氨酸蛋白酶家族;另外,金屬螯合劑EDTA對(duì)酶的活性也無太大的影響,更加說明溶繭酶不屬于金屬蛋白酶的范疇。2.7 小鼠腹部皮膚出血活性試驗(yàn)
圖6 抑制劑對(duì)家蠶溶繭酶降解纖維蛋白原的影響(4 h)
利用小鼠腹部皮膚皮內(nèi)注射的方法,每公斤體質(zhì)量注入0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.50 μg/μL不同劑量的家蠶蛾吐出液溶繭酶18~22 g,2 h后在注射點(diǎn)剝離周圍的皮膚觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)小鼠每公斤體質(zhì)量注射的酶劑量為0.25 μg/μL時(shí),開始出現(xiàn)溶血,直徑約為5 mm,當(dāng)劑量升高至0.50 μg/μL時(shí),溶血直徑達(dá)9 mm左右(圖7)。
圖7 小鼠腹部皮膚出血活性試驗(yàn)結(jié)果
2.8 小鼠體內(nèi)溶栓試驗(yàn)
家蠶蛾吐出液溶繭酶在體內(nèi)的溶栓效果通過角叉菜膠誘導(dǎo)的小鼠尾部血栓模型來表征,給藥24 h和48 h后,不同劑量下小鼠尾部血栓長(zhǎng)度,占小鼠尾巴出現(xiàn)血栓長(zhǎng)度的比例均有明顯的降低,且隨著劑量的增大,溶栓率明顯增高;當(dāng)給小鼠每公斤體質(zhì)量注射家蠶蛾吐出液溶繭酶分別為400、300、200、100、0(對(duì)照)μg,給藥48 h后的結(jié)果顯示(圖8),給小鼠每公斤體質(zhì)量注射400 μg家蠶蛾吐出液溶繭酶時(shí)的溶栓效率最大,去除率為(74.67±0.62)%;當(dāng)給小鼠每公斤體質(zhì)量注射劑量為300、200、100 μg時(shí),去除率分別為(49.15±0.65)%、(37.97±0.74)%和(16.67± 0.21)%,而對(duì)照組的去除率僅為(5.00±0.41)%。
圖8 角叉菜膠誘導(dǎo)的小鼠血栓模型體內(nèi)溶栓結(jié)果(x±s)
對(duì)溶繭酶的研究多集中于20世紀(jì)60、70年代,包括對(duì)家蠶、印度柞蠶和多音天蠶等鱗翅目昆蟲溶繭酶的研究[13]。然而對(duì)這幾種昆蟲的溶繭酶作用的研究也多集中于酶學(xué)性質(zhì)的研究,如吐出器官的研究、精氨酸酯酶活力、絲氨酸或胰蛋白酶抑制劑對(duì)溶繭酶及其前體免疫沉淀反應(yīng)的影響等等,但對(duì)溶繭酶溶栓效果的研究較少。
本試驗(yàn)利用CM-Sepharose Fast Flow弱陽離子交換層析分離純化出家蠶蛾吐出液溶繭酶。這種酶具有精氨酸酯酶活力,屬于絲氨酸蛋白酶家族、且為非金屬酶;但Cu2+、Fe2+和Zn2+對(duì)酶活性均有不同程度的抑制作用,其作用機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。該蛋白酶活性還可被半胱氨酸還原性變性劑DTT顯著抑制,推測(cè)可能是由于酶的二硫鍵遭到破壞,導(dǎo)致酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,影響其活性位點(diǎn)與底物的結(jié)合,最終使酶活力下降。家蠶蛾吐出液溶繭酶首先降解纖維蛋白原的Aα-鏈和纖維蛋白原的Bβ-鏈,然后才降解纖維蛋白原的γ-鏈,初步證明了家蠶蛾吐出液溶繭酶具有溶栓作用。通過在小鼠體內(nèi)的溶栓實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步證明了這種溶栓作用。在出血活性安全的范圍內(nèi),通過角叉菜膠誘導(dǎo)的小鼠尾部血栓模型溶栓發(fā)現(xiàn),當(dāng)注射劑量逐漸增大時(shí),小鼠尾部血栓長(zhǎng)度占整個(gè)尾巴長(zhǎng)度的比例也逐漸降低,當(dāng)小鼠每公斤體質(zhì)量注射400 μg時(shí),去除率為(74.67±0.62)%,說明家蠶蛾吐出液溶繭酶具有良好的溶栓效果。但是,其具體的作用機(jī)制尚不清楚,仍需要進(jìn)一步的研究。
全球每年因腦血栓、腦梗塞、心肌梗塞、冠心病、動(dòng)脈硬化等心腦血管疾病奪走1 200萬人的生命,接近世界總死亡人數(shù)的1/4,成為人類健康的頭號(hào)大敵[14]。目前治療血栓的方法主要有外科手術(shù)法和藥物治療等,其中外科手術(shù)雖然可較快去除血栓,但危險(xiǎn)性較大,適用于一些危機(jī)或突發(fā)狀況;藥物治療則相對(duì)比較容易被人們所接受。目前治療血栓的藥物一般具有抗原性且半衰期短,使其應(yīng)用給人們帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。另外,蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物所產(chǎn)生的活性物質(zhì),對(duì)人體的健康具有很大的作用,它具有促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、促進(jìn)淋巴細(xì)胞的增殖、免疫調(diào)節(jié)、抗菌、降血壓和降血脂等生理功能[6]。因此,家蠶蛾吐出液溶繭酶的水解產(chǎn)物所產(chǎn)生的活性物質(zhì)及其強(qiáng)烈的纖溶酶活力,在降血糖、降膽固醇及治療血栓等方面將會(huì)發(fā)揮很大作用。
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S881.2
A
1007-0982(2015)04-0048-06
2015-02-04;接受日期:2015-05-20
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào)CARS-22);山西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)20120311025-3)。
王乃紅(1964—),男,山西芮城,本科,高級(jí)農(nóng)藝師。
Tel:13466945998,E?mail:wnh_1964@163.com
李文利,男,副教授。
Tel:13342277088,E?mail:biolwl@dlut.edu.cn