套索肽的結(jié)構(gòu)分類及其功能應(yīng)用研究進(jìn)展

       套索肽是一類由核糖體合成和翻譯后修飾的活性肽（RiPPs），因具有互鎖套索拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征而得名。其帶有螺旋結(jié)構(gòu)的C端穿過(guò)N端的內(nèi)酰胺環(huán)而形成互鎖套索樣的結(jié)構(gòu)，其中N端的肽環(huán)通常由7 ~ 9個(gè)氨基酸組成。大多數(shù)套索肽N末端的氨基酸殘基通常為甘氨酸（Gly）、絲氨酸（Ser）、半胱氨酸（Cys）或丙氨酸（Ala），但近期也發(fā)現(xiàn)了N末端氨基酸為亮氨酸（Leu）的新型套索肽。套索肽大的肽環(huán)在 N-末端的氨基酸的α-氨基與天冬氨酸（Asp）或谷氨酸（Glu）的羧酸側(cè)鏈之間形成。這種結(jié)構(gòu)賦予了套索肽對(duì)化學(xué)、熱和蛋白酶降解高度的穩(wěn)定性。

       套索肽的結(jié)構(gòu)及分類

       根據(jù)套索肽所含二硫鍵的數(shù)量和形成的位置不同可將其分為4類，如下圖所示。C 端肽鏈與大肽環(huán)通過(guò)2個(gè)二硫鍵連接的套索肽被定義為Ⅰ類套索多肽（Class I）；若肽鏈尾在穿出肽環(huán)之后，C 端肽鏈與大肽環(huán)間無(wú)二硫鍵連接，而是通過(guò)空間相互作用穩(wěn)定套索拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則被稱為Ⅱ類套索多肽（Class II）；若肽鏈尾C端方向序列與肽環(huán)之間只形成一個(gè)二硫鍵的套索多肽，根據(jù)其二硫鍵形成位置不同，分為Ⅲ類或Ⅳ類套索肽（Class III，Class IV），具體而言，Ⅲ類套索肽的二硫鍵將肽環(huán)與肽鏈尾相連接，而Ⅳ類的二硫鍵僅存在于肽鏈尾。其中，II 類套索肽是目前已知的套索肽中最常見(jiàn)且最 具有特征性的套索肽，通常來(lái)源于變形菌，Ⅰ類、Ⅲ類和Ⅳ類套索肽則通常來(lái)源于放線菌。來(lái)源變形菌的Ⅱ類套索肽通常具有極性親水性，從鏈霉菌中分離出來(lái)的Ⅰ類套索肽和Ⅱ類套索肽（如 MccJ25、propeptin 和anantin）則為疏水性，正是這些結(jié)構(gòu)特征決定了套索肽所具有的多種生物活性。

       （黃色區(qū)域代表二硫健，來(lái)源參考資料[1]）

       套索肽的功能應(yīng)用

       至今為止，已有報(bào)道稱某些套索肽如鏈霉菌來(lái)源的套索肽 Siamycin 等可在糖尿病的治療、靶向與癌癥有關(guān)的受體如內(nèi)皮素 β 受體等中發(fā)揮作用，同時(shí) Microcin J25 也被報(bào)道具有抗菌及受體拮抗劑等生物活性。

       1、抑菌活性

       目前已發(fā)現(xiàn)的大部分套索肽是在變形桿菌和放線菌中合成的，如羊毛硫細(xì)菌素、小菌素、微環(huán)素、藍(lán)內(nèi)酯和硫肽等。大多數(shù)套索肽都具有抗細(xì)菌的作用。許多羊毛硫抗生素對(duì)多種革蘭陽(yáng)性菌具有殺菌作用，有些對(duì)耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（MRSA）、耐萬(wàn)古霉素腸球菌和耐奧沙西林的革蘭陽(yáng)性菌等具有較好的活性。套索肽 MccJ25 對(duì)于革蘭陰性菌（如大腸埃希菌和沙門菌等）有殺傷作用，同時(shí)能夠中和內(nèi)毒素，并通過(guò)其免疫調(diào)節(jié)作用抑制炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生；活性肽MccJ25 還可以防止由腸毒素ETEC K88 引起的腸道損傷和炎癥反應(yīng)，可作為一種新的預(yù)防性藥物來(lái)減少動(dòng)物、食品或人類的病原體感染。來(lái)源于鏈霉菌屬 Streptomyces sannurensis的套索肽 marinopyrroles A-F 對(duì) MRSA 也具有極強(qiáng)的抗菌活性。目前認(rèn)為套索肽的抗菌作用主要是通過(guò)2 種機(jī)制：其一是作用于細(xì)菌的細(xì)胞膜，在膜上形成離子通道，引起胞內(nèi)物質(zhì)的外漏而殺死細(xì)菌；其二是套索肽不破壞細(xì)胞膜而進(jìn)入胞內(nèi)，與胞內(nèi)靶標(biāo)結(jié)合后抑制其謝，從而殺死細(xì)菌。例如，MccJ25 與細(xì)菌外膜受體蛋白 FhuA 結(jié)合，進(jìn)入細(xì)菌后抑制 RNA 聚合酶的作用，起到殺菌的作用。

       2、受體拮抗劑

       來(lái)源于Streptomyces sp 的套索肽RES-701-1 是內(nèi)皮素受體ETB 的選擇性拮抗劑。目前某些內(nèi)皮素的肽類拮抗劑由于胃腸道的降解作用而限制了其治療作用，而通過(guò)將套索肽 RES-701-1 序列來(lái)改造設(shè)計(jì)對(duì)蛋白水解具有更高穩(wěn)定的肽類拮抗劑成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。由Streptomyces coulescens 產(chǎn)生的套索肽Anantin 是第一個(gè)由微生物產(chǎn)生的心房利鈉因子拮抗劑( Atrial natriuretic factor antagonist ANP)。利鈉肽( NPs) 是一種參與維持滲透壓與血管穩(wěn)態(tài)的激素，能引起利鈉、利尿和血管舒張作用，它還顯示出抗纖維化、抗增殖和抗增生作用，并參與心臟和血管系統(tǒng)的重塑。Burkholderia thailandensis 來(lái)源的套索肽 BI-32169 是胰高血糖素受體的強(qiáng)拮抗劑，同時(shí)也是第一個(gè)序列與胰高血糖素非同源的天然肽類拮抗劑，其一級(jí)結(jié)構(gòu)與胰高血糖素有很大不同，因此涉及到 BI-32169 的拮抗作用機(jī)制目前還不清楚。由于胰高血糖素受體的肽類拮抗劑普遍的低穩(wěn)定性，其在治療方面上的應(yīng)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于小分子有機(jī)物，而套索肽中套索結(jié)構(gòu)及其特殊的結(jié)構(gòu)特性使得其可為開(kāi)發(fā)新的肽類拮抗劑提高穩(wěn)定性。

       3、酶抑制劑

       Streptomyces griseoflavus 來(lái)源的套索肽 MS-271 是平滑肌肌球蛋白輕鏈激酶(Myosin light chain kinase，MLCK) 的抑制劑，通常肽類抑制劑具有更好的特異性，但由于肽在體內(nèi)的低穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用，而套索肽類抑制劑由于其結(jié)構(gòu)特性所具有的穩(wěn)定性也為 MLCK 抑制劑藥物的研發(fā)提供了新思路。由 Microbispora sp. SNA-115 產(chǎn)生的套索肽propeptin 是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑。研究表明，Propeptin 作為絲氨酸蛋白酶抑制劑類已在動(dòng)物模型中顯示具有保護(hù)神經(jīng)、抗遺忘以及認(rèn)知增強(qiáng)的作用。MccJ25和Capistruin 是由 Proteobacteris 產(chǎn)生的通過(guò)抑制RNA 聚合酶(RNAP) 活性從而抑制細(xì)菌的套索肽。細(xì)菌RNAP(RNA 聚合酶，RNA polymerase) 是抗生素作用的重要靶點(diǎn)，它對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)和生存至關(guān)重要，同時(shí)在細(xì)菌中較為保守，使得其可以在不影響真核生物RNAP 的情況下被選擇性靶向。Mukhopadhyay等的研究表明，Mccj25 通過(guò)于RNAP 二級(jí)通道菌的結(jié)合來(lái)阻斷底物與活性中心的作用來(lái)抑制轉(zhuǎn)錄。

       4、分子支架

       目前，肽類藥物被廣泛應(yīng)用于臨床治療，與小分子藥物相比，它們具有更高的靶向性，并且與以往的基于蛋白質(zhì)的治療相比，它們表現(xiàn)出較低的免疫原性。然而，傳統(tǒng)的多肽藥物由于其溶解度低、生物利用度低、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，其應(yīng)用往往受到限制。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)將天然產(chǎn)生的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的套索肽作為一種分子支架用于表位移植開(kāi)發(fā)肽類藥物成為了其中一個(gè)解決方案。在很多腫瘤細(xì)胞中，整合素表面αvβ3亞基中的Arginine， Glycine 和 Aspartic(RGD) 是過(guò)表達(dá)的，用RGD 替換 MccJ25 中的 G12、I13 和G14 形成的雜交肽可用于癌癥識(shí)別和治療。RES-701-1具有內(nèi)皮素 B 受體拮抗功能，由內(nèi)皮素和RES-701-1 組成的雜交肽對(duì)ETB 的親和力和拮抗作用得到明顯提高。此外，將RGD 序列整合到RES-701-1中可以提高其生物活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)套索肽環(huán)和尾部區(qū)域進(jìn)行修飾，可使其獲得新的生物活性。遺憾的是，截至目前，套索支架仍不能通過(guò)化學(xué)合成方法獲得，只能依賴于套索肽生物合成修飾酶的作用，而套索肽生物合成修飾酶的難于異源表達(dá)純化也為這一應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

       套索肽是一類由核糖體合成并經(jīng)翻譯后修飾、具有套索結(jié)構(gòu)的天然肽。特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)賦予該類肽超強(qiáng)的耐理化及蛋白酶水解的穩(wěn)定性。近年來(lái)，隨著質(zhì)譜分析等技術(shù)的改進(jìn)及基因組測(cè)序的發(fā)展，對(duì)套索肽的序列和結(jié)構(gòu)多樣性得到了充分認(rèn)識(shí)，對(duì)于套索肽生物合成機(jī)制也有了更深入的了解，但套索肽的生物合成及其合成相關(guān)修飾酶的異源表達(dá)純化依然面臨巨大挑戰(zhàn)。若能夠通過(guò)化學(xué)合成和基因重組對(duì)套索肽進(jìn)行定向修飾改造將進(jìn)一步拓展套索肽在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

       參考資料

       [1]成騁,華子春.套索肽——一種可供多肽類藥物設(shè)計(jì)和改造的多功能載體[J].藥學(xué)進(jìn)展,2019,43(10):777-785.

       [2]李欣芮,陸美玲.套索肽研究進(jìn)展[J].藥物生物技術(shù),2020,27(06):587-593.

       作者簡(jiǎn)介：小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國(guó)內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事?tīng)I(yíng)養(yǎng)食品的開(kāi)發(fā)與研究。