菜籽蛋白肽介导胰高血糖素样肽-1调节血糖机制研究

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Ⅱ型糖尿病(T2DM)约占全球糖尿病总患病人数比例的九成,被公认为世界三大非传染性致死性疾病之一。由于药物治疗存在副作用、不良反应及耐药性,其治疗作用愈发饱受争议。研究表明,食物蛋白肽在T2DM的预防与治疗中发挥着重要作用。其中,菜籽饼粕中含有丰富的食物蛋白质资源,生物效价与营养价值可媲美大豆蛋白。值得注意的是,菜籽蛋白的一级结构中含有潜在的调节胰高血糖素样肽-1(GLP-1)的肽序列片段,GLP-1介导胰岛素分泌进而控制机体的葡萄糖摄入与代谢。然而,菜籽蛋白肽预防和治疗T2DM的构效关系尚不明确,其介导GLP-1的信号通路与分子机制仍存在诸多疑问;食物蛋白肽偏低的生物利用度制约了其调节血糖的作用能力。因此,本论文旨在基于动物模型、细胞模型评价菜籽蛋白肽介导GLP-1的血糖调节功能;利用多糖型纳米颗粒、离子互补型多肽基纳米凝胶提高菜籽蛋白肽的生物利用度;进一步通过体内外实验研究其增效的分子机制。亟待菜籽蛋白肽能够作为膳食补充剂对T2DM起到预防和缓解作用。首先,通过分步双酶法制备了8种菜籽蛋白水解物(RPHs),研究了其中2种降糖效果最佳组分RNPH-1和RCPH-3介导GLP-1调节血糖与肝脏糖异生的作用。RNPH-1和RCPH-3可以通过PI3K-Akt的胰岛素代谢通路调节肝脏糖异生G-6-Pase和PEPCK,缓解T2DM患病ICR小鼠的肝脏脂肪积累与病变。SD大鼠胃肠组织转录组高通量测序结果表明RNPH-1和RCPH-3可以分别显著提高包括Ca SR、GLP-1、CCK在内16种和20种肠道内分泌激素基因的表达(p<0.005)。单次灌胃实验和原位回肠给药实验发现RNPH-1和RCPH-3可以显著提高大鼠的葡萄糖耐性、胰岛素水平、GLP-1分泌量、CCK分泌量和DPP-IV酶抑制率(p<0.05),其中RNPH-1对大鼠回肠组织中DPP-IV酶的抑制活性高于RCPH-3。Western-blot与免疫荧光实验证明了RNPH-1和RCPH-3可以介导GLP-1调节大鼠血糖水平。进一步分离、纯化得到促大鼠回肠组织GLP-1分泌量最高的洗脱馏分G2-R3,并从该组分中鉴定出菜籽蛋白源Ca SR激动肽的氨基酸残基序列。其次,研究了RPHs中DPP-IV酶抑制肽的分离、纯化与构效关系。通过体外底物化学法测得RNPH-1的DPP-IV酶IC50值最低,为0.68±0.09 mg/m L。进一步分离、纯化RNPH-1,发现洗脱馏分G2-R2的DPP-IV酶抑制活性最高,从该组分中鉴定出10条DPP-IV酶抑制肽,其中4条寡肽(PAGPF、IPQVS、Q(-17.03)KTMPGP和ELHQEEPL)的DPP-IV酶抑制活性最高。对于DPP-IV酶,PAGPF和ELHQEEPL表现为竞争性-非竞争性混合型抑制,Q(-17.03)KTMPGP表现为非竞争性抑制,IPQVS表现为竞争性抑制。分子对接与同步荧光光谱研究表明,ELHQEEPL与DPP-IV酶的结合能绝对值最高,为-9.27 k J/mol;经过空间结构优化,IPQVS比ELHQEEPL展现出了与DPP-IV酶更多的结合位点,其中Glu205、Glu206和Tyr547与阳性对照物Diprotin A一致。随着寡肽IPQVS与ELHQEEPL的浓度的不断增大,DPP-IV酶的荧光强度逐渐降低、荧光光谱发生轻微红移。第三,基于Caco-2细胞研究了RPHs中DPP-IV酶抑制肽IPQVS和ELHQEEPL的活性与小肠吸收机制,评价了小肠吸收与降解作用对母肽DPP-IV酶抑制活性的影响。测定了IPQVS、ELHQEEPL和它们的降解肽片段的表观吸收速率(Papp)值,IPQVS主要通过胞吞的形式跨Caco-2细胞单层转运,ELHQEEPL主要通过细胞旁路的形式跨Caco-2细胞单层转运。IPQVS和ELHQEEPL均以剂量依赖型方式抑制Caco-2细胞单层中的DPP-IV酶活性,但均不会影响DPP-IV酶m RNA的表达(p>0.05),IC50值分别为101.66±6.02μM和112.29±5.27μM,数值均高于体外化学底物法测量值。分子对接结果表明DPP-IV酶和IPQVS、ELHQEEPL降解产物的结合弱于母肽,结合的位点也发生了明显减少,极大地限制了母肽的DPP-IV酶抑制活性。第四,以天然可降解多糖壳聚糖(CS)为膜材、海藻酸钠(ALG)为壁材制备了负载RPHs的纳米颗粒CS/ALG-RPHs,该纳米颗粒有效避免了胃肠道消化酶的破坏,同时达到RPHs(RNPH-1和RCPH-3)的缓释作用目的。利用三通道混合反应器装置、离子交联与静电结合作用制备纳米级CS/ALG-RPHs颗粒,在CS/ALG/RNPH-1和CS/ALG/RCPH-3的比例为1:3:1时,Zeta-电位测试显示两种纳米颗粒水溶液带负电,数值分别为-40.27 m V和-39.75 m V。该条件下CS/ALG-RNPH-1的平均粒径为141.8±1.75nm,负载量为15.38%,包埋率为90.7%;该条件下CS/ALG-RCPH-3的平均粒径为220.2±2.11 nm,负载量为16.63%,包埋率为91.4%。红外光谱和核磁共振谱实验结果表明RNPH-1和RCPH-3成功负载进入CS和ALG依靠静电作用缔合的纳米载体中。药物释放动力学实验表明CS/ALG-RNPH-1(n=0.7121)和CS/ALG-RCPH-3(n=0.7685)均为非常规运输(0.43<n<0.85)。两种纳米颗粒中RNPH-1和RCPH-3在小肠液中的释放量均被控制在75%以内。SD大鼠的单次灌胃实验表明,CS/ALG-RNPH1和CS/ALG-RCPH3纳米颗粒可以提高机体的葡萄糖耐量和GLP-1分泌水平,作用持续时间提升显著(p<0.05)。最后,本章基于离子互补型多肽RADA16与功能肽段的共价偶联作用,研究了菜籽蛋白源DPP-IV酶抑制肽IPQVS(RAP1)和ELHQEEPL(RAP2)的纳米凝胶化与增效作用。RADA16-GG-IPQVS(RADA16-RAP1)和RADA16-GG-ELHQEEPL(RADA16-RAP2)在温和条件下的PBS溶液或DMEM溶液中均可以形成结构稳定的纳米水凝胶,二者形成纳米水凝胶的最佳条件分别为弱酸性(p H=6.5)和中性(p H=7.0);RADA16-RAP1和RADA16-RAP2在一定离子强度的水溶液中可以自组装形成稳定的β-折叠结构,RADA16内外端互斥的正负电荷驱动β-折叠结构形成纳米纤维状,从而形成纳米级水凝胶。RADA16-RAP1和RADA16-RAP2均具备良好的触变性,在不同频率下的G’值比G’值高10倍,显示了典型的软水凝胶特性。与RAP1和RAP2相比(p<0.05),RADA16-RAP1和RADA16-RAP2分别具有更低的DPP-IV酶IC50值和更长的作用时间,RADA16-RAP2在250μM浓度下对Ca SR的激活作用得到增强。
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