基于动力学控制机制从复杂蛋白质组中分离活性形式的代谢性丝氨酸水解酶

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丝氨酸水解酶(SHs)主要包括代谢性丝氨酸水解酶(mSHs)和丝氨酸蛋白酶两大类。mSHs与许多生理和病理代谢通路有关,而且它们的底物与亲核丝氨酸之间的催化循环反应极其相似。在本课题中,我们采用基于活性的方法,以氨基甲酸酯探针为底物,通过控制氨基甲酸酯探针与mSHs相互作用的氨基甲酰化速率和脱氨基甲酰化速率,选择性地将mSHs从复杂的蛋白质组中分离。为了测试该方法的可行性,我们以人丁酰胆碱酯酶(hBChE)作为模型mSHs,以人血浆作为模型蛋白质组进行研究。氨基甲酸酯探针以hBChE抑制剂班布特罗单氨基甲酸酯(MONO)为结构基础,通过去掉MONO的支链甲基及增加间隔臂得到目标氨基甲酸酯探针化合物,并将该化合物固定在载体上得到具有反应性的亲和吸附剂。通过比较MONO和氨基甲酸酯探针与hBChE之间的相互作用动力学发现这两种化合物与hBChE作用时的二级氨基甲酰化速率常数(k I)值相近,而氨基甲酸酯探针与hBChE作用时的脱氨基甲酰化速率常数(k3)值比MONO高,表明该探针可与hBChE快速反应,且酶活性的恢复速率比MONO快。为了测试该方法的性能,我们以带有氨基甲酸酯配基的亲和吸附剂为亲和色谱基质,使用一系列一步纯化法对血浆中的hBChE进行分离,通过hBChE活性测试,非变性凝胶电泳,银染和BChE活性染色法,Bradford蛋白定量法和基于UPLC-Q-TOF/MS的相关蛋白质组学分析法对所分离出的蛋白进行定性和定量分析,结果表明:1)hBChE在亲和吸附剂上的保留机制与其活性位点有关,亲和吸附剂上的氨基甲酸酯探针是hBChE保留的必要条件,且hBChE与亲和吸附剂之间的结合方式为共价键。与其它文献报道的方法相比,该氨基甲酸酯探针可以保留和释放所有不同形式的hBChE同工酶,如单体、HSA-BChE复合物、二聚体、三聚体和四聚体,而其它方法仅能保留和释放hBChE四聚体。2)吸附和洗脱过程中的孵育时间、孵育温度及洗脱液的种类、浓度和温度是影响该亲和吸附剂纯化性能的主要因素。最有效的洗脱液是四甲基氯化铵(4MAC)溶液。在吸附过程中,随着孵育时间的增加,杂蛋白的吸附量显著增加而hBChE的吸附量并没有显著增加,表明该氨基甲酸酯探针对hBChE有较高的氨基甲酰化速率。在洗涤过程中,与温度为4°C,pH值为5的缓冲液相比,温度为37°C,pH值为7的缓冲液能更加有效地去除杂蛋白。当使用最优的色谱条件对血浆中的hBChE进行分离时,hBChE的回收率和表观纯度均约为30%,hBChE的纯化因子约为850倍,当使用在固态基质Sepharose CL-4B上逐步偶联探针化合物的亲和吸附剂,并增加上样次数时,hBChE的纯化因子可提高至约2500倍,但hBChE的回收率会相应地减少。在保证亲和吸附剂纯化性能的前提下,经计算,每g亲和吸附剂能处理大约8.5 mL血浆样品。3)分离出的蛋白样品中除了hBChE外,还包含其它三种高丰度的血浆蛋白,据推测,这三种蛋白可能为:HSA、IgG和IgM。根据半定量结果进行计算,发现样品中高丰度血浆蛋白HSA和Igs的含量均低于其初始上样量的0.05%。综上所述,这些结果均证实了该氨基甲酸酯探针对hBChE的高效选择性,同时,也表明高丰度的血浆蛋白HSA和Igs与该氨基甲酸酯探针具有一定的反应性。由于该方法基于丝氨酸水解酶的通用催化机制,本研究可以为使用氨基甲酸酯探针分离其它mSHs新方法的开发提供新的研究思路。
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