清華新聞網(wǎng)8月27日電 糖代謝紊亂與糖尿病、肥胖、脂肪肝以及多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。目前，從天然食物蛋白資源中挖掘具有DPP-IV抑制活性的生物活性肽已成為備受關(guān)注的重要策略。然而，許多天然蛋白資源缺乏基因組和蛋白質(zhì)組信息，阻礙了新型DPP-IV抑制肽的高效發(fā)掘。傳統(tǒng)方法存在工作量大、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。因此，如何建立高通量集成挖掘技術(shù)，從天然蛋白資源中發(fā)現(xiàn)可用于功能性食品和肽類(lèi)藥物開(kāi)發(fā)的DPP-IV抑制肽，仍面臨重大挑戰(zhàn)。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院邢新會(huì)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用分子對(duì)接、機(jī)器學(xué)習(xí)、酶組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，結(jié)合腸道類(lèi)器官模型構(gòu)建了基于DPP-IV抑制的高通量多肽篩選體系，挖掘了具有DPP-IV抑制能力的活性多肽VAMP并解析了其對(duì)腸道菌群的調(diào)控作用，為天然生物活性肽的發(fā)掘及血糖紊亂干預(yù)提供了新視角。
圖1.基于團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的多組學(xué)、分子對(duì)接、機(jī)器學(xué)習(xí)及腸道類(lèi)器官模型的DPP-IV抑制活性肽的高通量篩選方法體系構(gòu)建
研究團(tuán)隊(duì)首先采用多種酶水解策略結(jié)合體外/體內(nèi)功能驗(yàn)證，系統(tǒng)篩選了火麻仁蛋白（HSP）中具有DPP-IV抑制活性的酶解產(chǎn)物（圖2A）。結(jié)果表明，其中嗜熱菌蛋白酶（thermolysin）酶解產(chǎn)物（TPH）表現(xiàn)出最強(qiáng)的DPP-IV抑制活性，并能顯著提升腸道類(lèi)器官中活性GLP-1水平（圖2B-F）。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TPH干預(yù)可顯著改善肥胖相關(guān)指標(biāo)，提高血漿總GLP-1及活性GLP-1水平，改善糖代謝。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)虛擬篩選并輔以體外活性驗(yàn)證，系統(tǒng)挖掘了其中的關(guān)鍵活性肽序列（圖2G）。結(jié)果表明，四肽VAMP表現(xiàn)出最強(qiáng)的DPP-IV抑制能力（圖2H-M）。進(jìn)一步模擬胃腸消化實(shí)驗(yàn)表明VAMP能耐受胃蛋白酶和胰蛋白酶的降解（圖2N），并且VAMP在TPH中的含量最為豐富，占比0.5%左右。VAMP與DPP-IV作用動(dòng)力學(xué)解析結(jié)果顯示，VAMP是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合抑制DPP-IV活性（圖2O），共晶結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，VAMP與DPP-IV活性中心可形成氫鍵及鹽橋作用（圖2P-Q）。此外，VAMP能以劑量依賴(lài)方式抑制DPP-IV活性并提升活性GLP-1水平（圖2R-S）。
圖2.火麻仁蛋白酶解產(chǎn)物中DPP-IV抑制肽的挖掘
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了VAMP在糖代謝異常小鼠中的作用效果發(fā)現(xiàn)，VAMP干預(yù)顯著提升了腸道和循環(huán)中活性GLP-1水平，并有效改善了糖代謝和胰島素抵抗（圖3A-H）。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)VAMP干預(yù)可顯著增強(qiáng)腸道屏障完整性，并緩解代謝性?xún)?nèi)毒素血癥（圖3I-O），進(jìn)一步通過(guò)藥代動(dòng)力學(xué)分析顯示VAMP口服生物利用度為10.54%，在其血藥濃度達(dá)到峰值時(shí)仍有74.18%的VAMP存在于腸道內(nèi)容物中（圖3P-Q），這表明除了抑制腸道DPP-IV活性外，VAMP可能通過(guò)直接作用于腸道菌群發(fā)揮調(diào)控作用。研究結(jié)合腸道菌群變化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)VAMP通過(guò)抑制腸道DPP-IV活性和改善腸道屏障功能，改善糖代謝紊亂問(wèn)題（圖3R-U）。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)，VAMP可被菌群降解，同時(shí)顯著促進(jìn)嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）增殖（圖3V），其潛在機(jī)制可能為VAMP處理促進(jìn)了肽聚糖的生物合成（圖3W-Z）。特異性的嗜黏蛋白阿克曼菌清除模型實(shí)驗(yàn)顯示VAMP干預(yù)顯著增加了嗜黏蛋白阿克曼菌的豐度，但其降糖效應(yīng)和腸道屏障改善作用在芐達(dá)明疊加后完全消失，表明VAMP對(duì)嗜黏蛋白阿克曼菌的促進(jìn)是VAMP發(fā)揮糖代謝改善的另一重要途徑。
圖3.VAMP抑制腸道DPP-IV并促進(jìn)阿克曼菌增殖
綜上，研究建立的整合篩選方法為生物活性肽挖掘提供了新范式。新發(fā)現(xiàn)的火麻仁來(lái)源四肽VAMP通過(guò)抑制DPP-IV活性和特異性促進(jìn)阿克曼氏菌增殖的雙重機(jī)制改善糖代謝，為開(kāi)發(fā)基于天然活性肽的降糖干預(yù)策略提供了理論依據(jù)和可靠方法。
相關(guān)研究成果以“新型四肽通過(guò)抑制DPP-IV以及調(diào)節(jié)腸道菌群改善糖代謝”（Discovery of a novel tetrapeptide as glucose homeostasis modulator with bifunctionalities of targeting DPP-IV and microbiota）為題，于8月11日發(fā)表于《宏基因組》（iMeta）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理研究員陳海紅為論文第一作者，深圳國(guó)際研究生院教授邢新會(huì)為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新局面上項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金自然科學(xué)面上項(xiàng)目、深圳市可持續(xù)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)、河池市科學(xué)技術(shù)局重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/imt2.70072
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
