鲢鱼基质金属蛋白酶2及其内源性抑制剂的研究

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内源性蛋白酶及其抑制剂与鱼类肌肉蛋白的新陈代谢密切相关,也影响鱼类死后肌肉蛋白的降解。研究与鱼类死后肌肉降解有关的蛋白酶及其抑制剂对于水产加工与利用有重要的理论意义和应用价值。本文以淡水鱼鲢鱼为研究对象,对鱼死后参与降解胶原蛋白的关键酶基质金属蛋白酶2(Matrix metalloproteinase 2,MMP2)及其内源性抑制剂进行研究,分析二者的理化性质并探究相互作用机制。鲢鱼肌肉中,天然MMP2酶活力高,但含量极低,难以纯化获得天然酶。为筛选和分离鲢鱼MMP2内源性抑制剂,本研究对鲢鱼MMP2催化结构域(rHm-MMP2c)进行了分子克隆和表达,得到有活性并高产量的重组蛋白酶,为筛选内源性抑制剂提供了条件。本论文首先利用分子克隆技术得到rHm-MMP2催化结构域序列,c DNA全长为996 bp,编码332个氨基酸。DNAMAN分析显示rHm-MMP2c的理论分子量为37 k Da,等电点为4.38。荧光定量PCR结果显示,鲢鱼MMP2在血液中表达量最高,其次是大脑和肌肉,而在鳃中表达量最低。rHm-MMP2c在大肠杆菌系统中进行原核表达,得到的重组蛋白可溶且活性较高,能够有效分解I型胶原蛋白和明胶。用Ni柱亲和层析进行分离。酶学性质分析表明,rHm-MMP2c反应的最适温度为37°C,最适p H为9.0。EDTA、EGTA和1,10-phenanthroline对该酶有较强的抑制作用,说明其为典型的金属蛋白酶。圆二色谱分析结果显示,rHm-MMP2c二级结构以β-折叠为主,其变性温度为50.1±0.1℃。rHm-MMP2c能有效分解I型胶原蛋白。酶动力学显示,rHm-MMP2c的米氏常数Km为26 nmol/L,催化常数kcat为54.7/s。以rHm-MMP2c为靶标,从鲢鱼肌肉中筛选和分离MMP2的内源性抑制剂。采用60℃加热、50-90%硫酸铵分级沉淀、DEAE-Sepharose、Phenyl-Sepharose和Superdex 200/300连续柱层析方法对抑制剂进行分离纯化。SDS-PAGE显示,该抑制剂的分子量为30 k Da,对rHm-MMP2c具有较高的抑制活性,半抑制浓度为3.33μmol/L。质谱分析鉴定为载脂蛋白A-Ⅰ(Apolipoprotein A-Ⅰ,Apo A-Ⅰ)。Apo A-Ⅰ在20-70℃间具有较好的稳定性,在p H6.0-11.0间比较稳定。该蛋白质具有载脂蛋白典型的二级结构特征,α-螺旋占48.6%,其变性温度为75.3±0.3℃。抑制动力学显示,Apo A-Ⅰ对rHm-MMP2c呈现竞争型抑制,抑制常数Ki为1.31μmol/L。Western blot显示,二者在溶液中会形成复合物,并且Apo A-Ⅰ可以抑制rHm-MMP2c对明胶的降解。为进一步阐明Apo A-Ⅰ对rHm-MMP2c的抑制机制,对rHm-MMP2c与其底物和Apo A-Ⅰ进行分子对接和分子动力学(MD)模拟。对接结果显示,Apo A-Ⅰ以可逆的竞争性抑制方式抑制rHm-MMP2c的活性,与抑制动力学的结果相一致,抑制原因可能为抑制剂形成了空间位阻阻碍底物与酶的结合。MD模拟分析表明,Apo A-Ⅰ在100 ns中与rHm-MMP2c的紧密结合,氢键在结合中起主导作用。本研究高效表达了可溶并具有生物活性的鲢鱼MMP2催化结构域,并以此为靶标,筛选了一种新型的MMP2内源性抑制剂,证实其为Apo A-Ⅰ。通过对rHm-MMP2c和Apo A-Ⅰ二者的相互作用机制及作用力研究,为酶和抑制剂的进一步研究奠定了基础。
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