代謝組學在食源性ACE抑制肽研究中應用的進展

于志鵬,樊 玥,趙文竹,張 倩,丁 龍,陳嘉鈺,勵建榮,*,劉靜波,*

(1.渤海大學食品科學與工程學院;生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧錦州 121013;2.吉林大學營養與功能食品研究室,吉林長春 130062)

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代謝組學在食源性ACE抑制肽研究中應用的進展

于志鵬1,樊 玥1,趙文竹1,張 倩1,丁 龍2,陳嘉鈺1,勵建榮1,*,劉靜波2,*

(1.渤海大學食品科學與工程學院;生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧錦州 121013;2.吉林大學營養與功能食品研究室,吉林長春 130062)

代謝組學作為食品科學技術領域一個新興的重要研究方法,正逐漸應用到活性肽代謝機理及作用機制研究中。本文綜述了ACE抑制肽研究現狀及瓶頸,同時對代謝組學研究進展及代謝組學在ACE抑制活性肽研究中的應用進行了展望,以期為代謝組學在ACE抑制肽中廣泛深入地應用提供參考。

活性肽,代謝組學,血管緊張素轉化酶抑制肽,作用機理

食源性生物活性肽以其安全無副作用、容易修飾且相對吸收效果好等優點,受到食品科學、化學以及生物學等領域的關注。其中食源性血管緊張素轉化酶(Angiotensin converting-I enzyme,ACE)抑制肽成為活性肽研究熱點之一。目前已從乳蛋白、魚皮膠原蛋白、墨魚蛋白、種子蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、貝類蛋白和蛋清蛋白等不同原料中獲得了具有抑制ACE活性的肽序列 VLSRYP[1]、LGPLGHQ[2]、RFF[1]、MVGSAPGVL[2]、VELYP[3]、VSGAGRY[4]、VDSDVVKG[4]、QIGLF[5]、RVPSL[6]和TNGIIR[7]等。ACE是腎素-血管緊張素系統和激肽釋放酶-激肽系統中的關鍵控制酶。有研究表明,ACE抑制肽可通過與ACE活性位點結合形成復合體影響腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)進而實現調控機體血壓的作用[8-9];也有文獻報道ACE抑制肽通過作用血紅素氧化酶(HO)系統實現調節血壓作用;最近有報道指出ACE抑制肽可通過調節ACE2及抗炎基因表達水平實現降低血壓作用[10]。近年大量有關ACE抑制肽的研究主要集中在結構鑒定、體內活性評價及作用機制等方面。本文主要對ACE抑制肽研究現狀及面臨的科學問題和代謝組學在其研究中的應用進行了綜述,旨在為深入闡明ACE抑制肽作用機制提供新思路。

1 ACE抑制肽研究現狀

自1965年首次分離出ACE 抑制肽以來,更多的研究開始關注食源性ACE 抑制肽的純化、結構鑒定、體內活性和作用機制研究。近五年有關ACE抑制肽的研究主要集中在制備、純化、結構鑒定及體內活性評價等方面:ACE抑制肽的純化與結構鑒定主要通過逐級分離純化等多維色譜純化手段進而顯著提高活性肽的純度[11-13],最終獲得高純度的單一肽組分并進行結構鑒定[14-16];ACE抑制肽的體內活性作用主要以原發性高血壓大鼠(SHR)為模型考察活性肽對大鼠收縮壓、舒張壓以及關鍵蛋白表達水平的調節作用[17-19]。有研究表明ACE抑制肽通過與ACE活性位點結合形成復合體影響腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)進而實現調控機體血壓的作用[8-9]。RAAS是由腎臟和肝臟分泌的一組相互作用又相互調節的激素與受體系統,經典的RAAS包括腎小球入球動脈的球旁細胞分泌腎素,激活從肝臟產生的血管緊張素原,生成Ang Ⅰ,然后經肺循環的轉化酶生成Ang Ⅱ。Ang Ⅱ是RAAS的主要效應物質,作用于Ang Ⅱ受體(AT1),使小動脈平滑肌收縮,刺激腎上腺皮質球狀帶分泌醛固酮,通過交感神經末梢突觸前膜的正反饋使去甲腎上腺素分泌增加,這些作用均使血壓升高[20]。有研究從蛋清中獲得高活性ACE抑制肽RVPSL,經體內活性研究活性肽對SHR血壓以及行為學影響[21],并從mRNA和蛋白質表達水平研究其調節機制[17],發現活性肽RVPSL能夠有效下調ACE和AT1表達水平,同時上調AT2的表達水平,同時也證明了Ang Ⅱ的兩個受體AT1和AT2在調節血壓的作用上存在相反的生理功能,即AT2能夠緩解血壓升高而AT1具有刺激血壓升高的作用[22]。也有報道指出ACE抑制肽通過作用血紅素氧化酶(HO)系統和調節ACE2及抗炎基因表達水平實現降低血壓作用[3]。這些研究進一步證實ACE抑制肽可能通過多種作用途徑發揮生理活性。

目前,關于ACE抑制肽在體內發揮作用的途徑主要包括:抑制血管緊張素轉化酶及腎素活性;上調內皮型一氧化氮合成酶的表達;色氨酸-犬尿氨酸途徑;伴隨釋放一氧化氮[23-26]。但由于作用多樣性、靶點多等因素,至今其分子作用機制一直未有明確解釋。目前,對于ACE抑制肽無論是通過何種作用途徑,作用于靶點與其結合實現調節血壓的目的,暫時都沒有考慮到活性肽對體內代謝組變化的影響。ACE抑制肽的代謝與活性關系遠遠比活性肽的構效關系及其對mRNA的含量和蛋白質表達水平影響復雜得多。活性肽的代謝分析是研究活性肽對生命活動影響分子基礎的一個重要突破口,其參與細胞內多種代謝途徑,包括調控受體和運送載體蛋白質的基因表達水平以及激活AMPK 通路等(見圖1)。

圖1 活性肽參與代謝的作用機制[27]Fig.1 Potential mechanism of action of peptides in modulating the metabolism[27]

生物體受活性肽的結構和濃度影響發生變化,而這種變化最終體現在小分子代謝物的改變上,利用熒光標記、代謝組學及化學計量學挖掘代謝物所隱含的信息,揭示活性肽代謝-活性相關性及作用機制具有重要意義。關于ACE抑制肽在體內參與代謝機制的研究破在眉睫,活性肽對SHR代謝調控機制研究將對深層次闡明活性肽的作用機理提供重要理論依據。

2 代謝組學研究進展

代謝組學是關于內源性代謝物質的整體及其變化規律的科學,繼基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和肽組學之后新近發展起來,是組學中快速興起的一個領域,是對所有低分子量代謝物(<1500 u)進行定性和定量分析的一種技術[28]。代謝組學以生物系統中的細胞在特定條件下所有小分子代謝物為研究對象,定性及定量描述生物內源性代謝物及其對內因和外因變化的應答規律[29]。近年來代謝組學技術成為食品科學中不可或缺的研究工具,并細分為4個層次:代謝物靶標分析,即對某個或某幾個特定的樣品組分分析;代謝輪廓(譜)分析,定量的對少數所預設的目標代謝產物進行分析;代謝組學,對限定條件下的特定生物樣品中所有代謝組分的定性和定量;代謝指紋分析,不分離鑒定具體單一組分,而是對樣品進行快速分類。目前代謝組學在營養領域應用較多,尤其在人類營養代謝病研究中已取得一定的成果[30]。Rezzi 等[30]利用代謝組學方法分析母乳和嬰兒配方奶粉對嬰兒尿液及糞便中代謝物的影響,發現尿和糞便樣本中存在明顯的代謝差異。配方奶粉喂養的嬰兒的代謝譜表現出特定的代謝模型。Davis[31]研究降血糖組分對脂質代謝組的調節,主要引起代謝物中多不飽和脂肪酸譜的異常。代謝組學在營養代謝病生物標志物的研究中發揮重要作用,目前的檢測技術對代謝物的全方位的檢測和分析限制很大,數據高效分析也是目前研究者們亟待解決的問題,同時鑒于代謝組學分析技術的成本,其在營養代謝領域中還沒有廣泛應用。目前代謝組學的研究思路如下:

血清、尿液組織→代謝產物色譜、和質譜分析→尋找潛在代謝標志物→LC-ESI-Q-MS/MS NMR→潛在代謝標志物結構質譜圖→查找質譜數據庫→確定潛在代謝標志物分子結構→闡明代謝途徑及作用機制

代謝組學作為研究人體對不同營養組分的生理反應的有力工具,未來將結合營養輪廓分析進而用于研究特定的營養需求,同時通過有效性營養干預開展對生長發育進行調節,最終建立營養健康解決方案實現預防疾病的目的。

3 代謝組學在ACE抑制肽作用機制研究中的應用前景

研究發現mRNA的含量與蛋白表達水平相關系數并不高,蛋白質還存在翻譯后的修飾現象[27],所以從mRNA和蛋白質水平上研究其作用機制遠遠不夠,而且已提出的ACE作用機制尚未闡明活性肽對代謝譜的調節機理。活性肽有可能通過多種代謝途徑協同調節機制進而實現調控血壓的作用。無論是影響mRNA含量還是蛋白質表達水平,但最終都將以體內代謝物的變化體現出來。Lammi 等[27]通過HepG2細胞研究活性肽IAVPGEVA,IAVPTGVA,LPYP參與調控葡萄糖代謝,發現IAVPGEVA,IAVPTGVA,LPYP可通過調節AMPK(adenosine monophosphate-activated protein kinase)中的葡萄糖轉運體1(GLUT1)和葡萄糖轉運體4(GLUT4)等代謝物的變化。目前活性肽具體引起哪些中間標志物代謝差異卻仍不詳實。目前主要通過基因組學、轉錄組學和蛋白質組學分別從DNA、RNA和蛋白質水平探尋活性肽發揮生理活性的作用機理,然而mRNA 和蛋白質豐度的變化并不意味細胞內蛋白質活性的增加,并且基因和蛋白質的功能補償作用使某個基因或蛋白質缺失會由其他基因或蛋白質的存在而得到補償而不被發現。實際上許多生命活動是發生在代謝物層面的,代謝物處于基因和蛋白質的下游,是基因和蛋白質功能變化的最終反映,從代謝譜角度更利于闡明活性肽的作用機理。因此,代謝組學在活性肽研究中地應用將深入闡明活性肽對代謝譜調節及作用機制。基于代謝組學表征和辨識ACE抑制肽對血漿中內源性代謝物的影響變化,通過質譜-核磁共振等技術闡明其血漿代謝指紋圖譜;進一步尋找活性肽對血漿代謝輪廓譜影響的代謝組差異,確定相關代謝物的變化涉及的代謝網絡途徑,重點圍繞氨基酸代謝、脂肪酸代謝和花生四烯酸代謝等代謝途徑探尋潛在的代謝標志物;通過揭示活性肽發揮作用的代謝途徑,并結合蛋白質和基因表達多個層次闡明活性肽調節血漿代謝的作用機制。代謝組學將從整體上評價活性肽的代謝-活性相關性,運用“自下而上”式的研究方法,揭示活性肽作用的代謝途徑進而闡明其作用機制,有望為活性肽的基礎研究和應用奠定生物學基礎。

[1]Li Y,Sadiq F A,Liu TJ,Chen J C,et al. Purification and identify-cation of novel peptides with inhibitory effect against angiotensin I-converting enzyme and optimization of process conditions in milk fermented with the yeast Kluyveromyces marxianus[J]. Journal of Functional Foods,2015,16:278-288.

[2]Ngo D H,Kang K H,Ryu B M,et al. Angiotensin-I converting enzyme inhibitory peptides fromantihypertensive skate(Okamejei kenojei)skin gelatin hydrolysates in spontaneously hypertensive rats[J]. Food Chemistry,2015,174:37-43.

[3]Balti R,Bougatef A,Sila A,et al. Nine novel angiotensin I-converting enzyme(ACE)inhibitory peptides from cuttlefish(Sepia officinalis)muscle protein hydrolysates and antihypertensive effect of the potent active peptide in spontaneously hypertensive rats[J]. Food Chemistry,2015,170:519-525.

[4]Priyanto A D,Doerksen R J,Chang C I,et al. Screening,discovery,and characterization of angiotensin-I converting enzyme inhibitory peptides derived from proteolytic hydrolysate of bitter melon seed proteins[J]. Journal of Proteomics,2015,128:424-435.

[5]Yu Z P,Zhao W Z,Liu J B,et al. QIGLF,a novel angiotensin I-converting enzyme-inhibitory peptide from egg white protein[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2011,91(5):921-926.

[6]Yu Z P,Yin Y G,Zhao W Z,et al. Application and bioactive properties of proteins and peptides derived from hen eggs:opportunities and challenges[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2014,94:2839-2845.

[7]Yu Z P,Liu B Q,Zhao W Z,et al. Primary and secondary structure of novel ACE-inhibitory peptides from egg white protein[J]. Food Chemistry,2012,133(2):315-322.

[8]Patchett A A,Harris E,Tristram E W,et al. A new class of angiotensin converting Enzyme inhibitors[J]. Nature,1980,288(5788):280-283.

[9]Natesh R,Schwager S L U,Sturrock E D,et al. Crystal structure of the human angiotensin-converting enzyme-lisinopril complex[J]. Nature,2003,421:551.

[10]Majumder K,Liang GX,Chen YH,et al. Egg ovotransferrin-derived ACE inhibitory peptide IRW increases ACE2 but decreases proinflammatory genes expression in mesenteric artery of spontaneously hypertensive rats[J]. Molecular Nutrition & Food Research,2015,59(9):1735-1744.

[11]Li X Y,Li Y,Huang X Z,et al. Identification and characterization of a novel angiotensin I converting enzyme inhibitory peptide(ACEIP)from silkworm pupa[J]. Food Science and Biotechnology,2014,23(4):1017-1023.

[12]Puchalska P,García M C,Marina M L. Identification of native angiotensin-I converting enzyme inhibitory peptides in commercial soybean based infant formulas using HPLC-Q-ToF-MS[J]. Food Chemistry,2014,157:62-69.

[13]You L J,Zhao M M,Joe M R.Invitroantioxidant activity andinvivoanti-fatigue effect of loach(Misgurnusanguillicaudatus)peptides prepared by papain digestion[J]. Food Chemistry,2011,124(1):188-194.

[14]Asoodeh A,Haghighi L,Chamani J,et al. Potential angiotensin I converting enzyme inhibitory peptides from gluten hydrolysate:Biochemical characterization and molecular docking study[J]. Journal of Cereal Science,2014,60:92-98.

[15]Darewicz M,Borawska J,Vegarud G E,et al. Angiotensin I-converting enzyme(ace)inhibitory activity and ace inhibitory peptides of salmon(salmo salar)protein hydrolysates obtained by human and porcine gastrointestinal enzymes[J]. International Journal of Molecular Sciences,2014,15,14077-14101.

[16]Iwaniak A,Minkiewicz P,Darewicz M. Food-originating ACE inhibitors,including antihypertensive peptides,as preventive food components in blood pressure reduction[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2014,13:114-134.

[17]Yu Z P,Yin Y G,Zhao W Z,et al. Antihypertensive effect of angiotensin-converting enzyme inhibitory peptide RVPSL on spontaneously hypertensive rats by regulating gene expression of the renin-angiotensin system[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2014,62:912-917.

[18]Marques C,Amorim M M,Pereira J O,et al.InvitroACE-inhibitory peptide KGYGGVSLPEW facilitates noradrenaline release from sympathetic nerve terminals:Relationship with the lack of antihypertensive effect on spontaneous hypertensive rats[J]. Peptides,2015,71:72-76.

[19]Gallego M,Grootaert C,Mora L,et al. Transepithelial transport of dry-cured ham peptides with ACE inhibitory activity through a Caco-2 cell monolayer[J]. Journal of Functional Foods,2016,21:388-395.

[20]Siragy H M,de Gasparo M,Carey R. M. Angiotensin type 2 receptor mediates valsartaninduced hypotension in conscious rats[J]. Hypertension,2000,35:1074-1077.

[21]Yu Z P,Zhao W Z,Ding L,et al. Anxiolytic effects of ACE inhibitory peptides on the behavior of rats in an elevated plus-maze[J]. Food & Function,2016,7:491-497.

[22]于志鵬. 蛋清源活性肽的結構鑒定及生物活性研究[D]. 長春:吉林大學,2014.

[23]Nishiyama1 A,Hasegawa K,Diah S,et al. New Approaches to blockade of the renin-angiotensin-aldosterone system:mineralocorticoid-receptor blockers exert antihypertensive and renoprotective effects independently of the renin-angiotensin system. Journal of pharmacological sciences,2010,113:310-314.

[24]Oliver J J,Dear J W,Webb D J. Clinical potential of combined organic nitrate and phosphodiesterase type 5 inhibitor in treatment-resistant hypertension. Hypertension,2010;56:62-67.

[25]Manisty C H,Hughes A D. Meta-analysis of the comparative effects of different classes of antihypertensive agents on brachial and central systolic blood pressure,and augmentation index. British Journal of Clinical Pharmacology,2013,75(1):79-92.

[26]Kanso H,Mallem MY,Thorin C,et al. Desfontis J.C.,Vasorelaxant effects of camel and bovine casein tryptic hydrolysates in rat thoracic aorta and their antihypertensive effect in awake spontaneously hypertensive rats[J]. International Dairy Journal,2016,54:1-9.

[27]Lammi C, Zanoni C,Arnoldi A. Three Peptides from Soy Glycinin Modulate Glucose Metabolism in Human Hepatic HepG2 Cells[J]. International Journal of Molecular Sciences,2015,16:27362-27370.

[28]杜智,劉樹葉,劉運德. 臨床代謝組學,天津:天津科技翻譯出版有限公司,2013.

[29]曹宇,孫玲偉,包 凱,等. 代謝組學技術在動物營養代謝病中的應用[J]. 現代畜牧獸醫,2016,1:52-57.

[30]Rezzi S,Martin F P,Moco S,et al. Metabonomics in neonatal nutrition research. Journal of Pediatric and Neonatal Individualized Medicine. 2015;4(2):e040240. doi:10.7363/040240.

[31]Davis C D,Milnor J. Frontiers in nutrigenomics,proteomics,metabolomics and cancer prevention[J]. Nutrition and Carcinogenesis,551(1-2):51-64.

Progress in the application of metabonomics methods in food-derived ACE inhibitory peptides

YU Zhi-peng1,FAN Yue1,ZHAO Wen-zhu1,ZHANG Qian1,DING Long2,CHEN Jia-yu1,LI Jian-rong1,*,LIU Jing-bo2,*

(1.College of food science and engineering,Bohai University;National & Local Joint Engineering Research Center of Storage Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Jinzhou 121013,China 2.Lab of Nutrition and Functional Food,Jilin University,Changchun 130062,China)

Metabonomicsasanemergingfieldoffoodscienceandtechnologyisgraduallyappliedtothemolecularactionmechanismandmetabolismofbioactivepeptides.Thispaperpresentsanoverviewoftheangiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptidesandmetabonomics.Inaddition,themetabonomicsmethodsusedtofurtherstudyoftheangiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptideswasreviewed,aimedtosupportextensiveapplicationreferenceofmetabonomicsinthefood-derivedpeptidesfield.

bioactivepeptide;metabonomics;angiotensinconvertingenzymeinhibitorypeptides;mechanismofaction

2016-04-01

于志鵬(1984-)，男，博士，講師，研究方向：蛋白質及活性肽的功能研究與產品開發，E-mail：yuzhipeng20086@sina.com。

*通訊作者:勵建榮(1964-)，男，博士，教授，研究方向：水產品加工，E-mail：lijr6491@163.com。 劉靜波(1962-)，女，博士，教授，研究方向：營養與功能食品，E-mail：ljb168@sohu.com。

國家科技支撐課題(2012BAD00B03)；渤海大學博士啟動項目(0515bs079)；遼寧省科學事業公益研究基金項目(2016004004)。

TS201

A

1002-0306(2016)21-0397-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.069