套膜海葵總蛋白的提取和酶解條件優化及其殺蟲活性

袁 琳， 符金星， 劉雪菲丹， 高炳淼

(海南醫學院 藥學院/熱帶轉化醫學教育部重點實驗室， 海南 海口 571199)

0 引言

【研究意義】海葵(Aiptasiapallida)又名海菊花、海淀根，屬刺細胞動物門珊瑚蟲綱六放珊瑚亞綱海葵目，是原始的后生海洋動物，全球已記錄海葵目1 100余種，分屬于50科約400屬[1]。中國的海葵品種約占世界的1/10，廣泛分布在溫熱帶和熱帶海域，且明顯呈現“南海最多，黃海次之，東海最少”趨勢[1-2]。【前人研究進展】《中華本草》和《中國藥用動物志》均記載：海葵具有收斂固澀、燥濕殺蟲等功效，中醫用于治療脫肛、痔瘡和蟯蟲病等[3]。《青島中草藥手冊》記載：治蟯蟲病，將海葵1塊塞入肛門，每晚1次，連用1周。現代藥理學研究表明，海葵多肽毒素具有殺蟲、抗腫瘤、降壓、抗菌、鎮痛和神經抑制的作用[4-7]。海葵主要通過刺細胞分泌毒液捕食魚、貝類、橈足類、甲殼類動物及蠕蟲[8]。【研究切入點】傳統的海葵多肽毒素分離步驟費時、費力、得率低，很難獲取足夠的量用于大規模生產和產業化應用[9-10]。近年來，廣泛應用酶解法制備海洋生物活性肽，該法制備的海洋活性多肽既能補充機體營養成分，又具有抗氧化、降血壓、抗腫瘤及抗凝血等活性[11-16]。目前，針對其抗蟲活性的研究鮮有報道[17]。【擬解決的關鍵問題】以套膜海葵為材料，采用裂解液法提取海葵總蛋白；以酶解得率為指標，采用單因素試驗研究不同蛋白酶對海葵總蛋白酶解的影響，結合正交試驗篩選確定最優酶解條件；同時，利用昆蟲注射法進行多肽抗蟲活性分析，以期為拓展和開發海葵酶解多肽的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 套膜 海葵采集于儋州附近海域，用去離子水沖洗干凈，置于實驗室-80℃冷凍儲存備用。

1.1.2 試劑 胃蛋白酶，上海源葉生物科技有限公司；胰蛋白酶，湖北遠成藥業有限公司；中性蛋白酶，上海一研生物科技有限公司；堿性蛋白酶，太原發凱化工有限公司；蛋白Marker，上海偉進生物科技有限公司；BCA蛋白測定試劑盒，北京索萊寶科技有限公司；SDS-PAGE凝膠快速配制試劑盒，廣州賽國生物科技有限公司；蛋白上樣緩沖液，天根生化科技(北京)有限公司；其他試劑均為分析純。

1.1.3 儀器設備 臺式低速大容量離心機，濟南博鑫生物科技有限公司；高速冷凍離心機，日立儀器有限公司；恒溫水浴鍋，上海啟前電子科技有限公司；數字型pH計，杭州科曉化工儀器設備有限公司；紫外可見分光光度計，上海鼎科科學儀器有限公司；超聲波細胞破碎儀，蘇州索尼克超聲科技有限公司；酶標儀，美國Bio Rad科技公司。

1.2 方法

1.2.1 海葵總蛋白的提取及含量測定

1) 總蛋白的提取。海葵以去離子水洗凈后剪碎，超聲破碎至溶液渾濁，浸泡于異丙醇中去脂，每4 h更換1次異丙醇，連換3次，再用純水將異丙醇沖洗干凈[17]。置于通風櫥中瀝干，分裝標記，于-20℃保存備用。取適當樣品于小燒杯中，加入混合后的RIPA(放射免疫沉淀法)裂解液(強)500 μL與PMSF(絲氨酸蛋白酶抑制劑)5 μL，靜置30 min后超聲破碎至溶液渾濁。4℃、10 000 r/min離心5 min，收集上清液得到粗品，真空冷凍干燥得干粉，置于-20℃保存備用。

2) 海葵總蛋白及其多肽含量測定與SDS-PAGE分析。總蛋白和酶解多肽的含量均采用BCA蛋白測定試劑盒測定。按說明書配方制膠，取凍干蛋白10 μL與2×Loading Buffer緩沖液10 μL混勻，置水浴鍋中95℃煮沸5 min，取Marker 10 μL上樣，電泳。經考馬斯亮藍染色和脫色觀察，用凝膠成像系統觀察記錄電泳結果。

1.2.2 最佳水解酶的篩選 根據蛋白酶種類試驗設4個處理，依次為胃蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶。取去脂后的海葵總蛋白2 g加純水10 mL，分別加入相應的蛋白酶，在各自最適條件下進行酶解(表1)[18]。酶解完全后煮沸滅活15 min。濾液在12 000 r/min離心10 min，連續離心2次，收集上清液用0.45 μm濾膜過濾，調節pH為7并將產物冷凍干燥，置于-20℃冰箱保存備用。經SDS-PAGE電泳與BCA法同時分析酶解效果，根據酶解得率確定最佳水解蛋白酶。

表1 4種蛋白酶的最適酶解條件

酶解得率=多肽含量/總蛋白含量×100%

1.2.3 海葵總蛋白酶解條件優化 在前期預試驗基礎上綜合考慮各因素，選取pH、溫度、時間和最佳水解蛋白酶(堿性蛋白酶)添加量為獨立變量，酶解得率為因變量，采用4因素3水平L9(34)進行正交試驗(表2)，優化海葵總蛋白的最佳水解條件[19]。

表2 海葵總蛋白酶解條件優化L9(34)正交試驗的因素與水平

1.2.4 海葵酶解多肽的制備與殺蟲活性測定

1) 制備海葵酶解多肽。采用最佳酶解條件酶解海葵總蛋白制備海葵多肽。酶解產物經10 kDa超濾管離心，收集濾液獲得小于10 kDa的海葵酶解多肽，BCA蛋白測定試劑盒測定含量。

2) 殺蟲活性測定。按濃度0.50 μg/mg、0.75 μg/mg和1.00 μg/mg分別用0.7%鹽水將海葵多肽溶解制備成海葵多肽溶液備用。試驗設5個處理，其中，采用液體微量注射器分別注射5 μL前述濃度的海葵多肽溶液至黃粉蟲幼蟲的下腹部，劑量約為180 mg/頭;以注射等體積的0.7%鹽水(陰性對照)和不注射(空白)為對照，每組處理10只黃粉蟲，3次重復。注射后12 h內觀察黃粉蟲的行為變化和死亡率，以評估海葵酶解多肽的殺蟲效果[20]。

1.3 數據統計與分析

數據采用SPSS 20進行統計分析，P<0.01則認為差異具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 海葵總蛋白的提取及含量

SDS-PAGE電泳結果(圖1)表明，通過裂解液法提取到海葵總蛋白，其分子量主要分布在31.0～43.0 kDa，部分位于22.0 kDa及97.4 kDa，14.4 kDa及以下分布蛋白較少。因此，提取到的套膜海葵具有豐富的低分子量和高分子量蛋白質，可以酶解獲得大量的多肽，便于發掘具有抗蟲活性的酶解多肽。BCA蛋白測定試劑盒測定結果表明，從20 g套膜海葵中提取海葵總蛋白160 mg，蛋白濃度為0.5 mg/mL。

注：M，低分子量蛋白Marker；1、2和3表示海葵蛋白樣品條帶。

2.2 不同蛋白酶處理海葵總蛋白的酶解效果

采用4種不同蛋白酶酶解海葵總蛋白，其酶解得率為堿性蛋白酶(6.41%)>中性蛋白酶(5.23%)>胃蛋白酶(2.97%)>胰蛋白酶(1.53%)，其中，堿性蛋白酶的酶解得率最高，為最佳蛋白酶；其次是中性蛋白酶，胃蛋白酶和胰蛋白酶相對較低。從海葵總蛋白酶解后的多肽電泳結果(圖2)看出，堿性蛋白酶的酶解效果最好。結合酶解得率和電泳結果可以得出，堿性蛋白酶是海葵總蛋白的最佳蛋白酶。

注：M，低分子量蛋白Marker；1、2、3和4分別表示胃蛋白酶酶解樣品、胰蛋白酶酶解樣品、中性蛋白酶酶解樣品和堿性蛋白酶酶解樣品。

2.3 海葵總蛋白的酶解條件優化

從表3看出，9個處理以A1B3C3D3的酶解得率最高，為9.145%；其次是A1B2C2D2、A2B1C2D3和A2B2C3D1，分別為8.395%、8.375%和8.325%。極差分析表明，各因素對海葵總蛋白酶解得率的影響為pH>溫度>加酶量>時間。pH的影響最大，其中，pH 8>pH 9>pH10；溫度的影響其次，其中，55℃>60℃>50℃；加酶量的影響為4 000 U/g>1 000 U/g>2 000 U/g；時間的影響為2 h>6 h>4 h。綜上看出，堿性蛋白酶的最佳酶解條件組合為A1B3C3D3，即pH 8、加酶量4 000 U/g、溫度60℃、時間6 h。在此條件下，酶解產物得率為9.145%。

表3 正交試驗海葵總蛋白的酶解得率

2.4 海葵酶解多肽的殺蟲活性

從圖3看出，空白和陰性對照組中黃粉蟲的死亡率均為0，0.5 μg/mg(低劑量組)的黃粉蟲死亡率為10%，0.75 μg/mg(中劑量組)的黃粉蟲死亡率為50%，1.0 μg/mg(高劑量組)的黃粉蟲死亡率為90%。其中，0.5 μg/mg海葵酶解多肽處理的黃粉蟲死亡率與空白對照和陰性對照間均存在顯著差異，與0.75 μg/mg和1.0 μg/mg存在極顯著差異；0.75 μg/mg與1.0 μg/mg處理間也存在極顯著差異，具有統計學意義，且存在劑量依賴性。說明，昆蟲注射法可用于評價海葵酶解多肽的殺蟲活性。

注：**、***和****分別表示P<0.01、P<0.001和P<0.000 1。

3 討論

海葵是我國南海豐富的海洋生物資源，但目前尚未進行深入開發和利用。主要原因在于：一方面是海葵中多肽毒素含量少，傳統分離和提取無法獲取足夠的量；另一方面是海葵多肽毒素毒性強烈，無法克服其存在的副作用。因此，海葵的規模化和產業化研究受到嚴重制約，而尋找新的途徑開發海葵資源就顯得尤為重要。當前，制備海洋多肽的常用方法：1) 傳統分離手段，直接從生物體或組織中分離提取多肽[21-22]；2) 針對已知多肽序列，采用化學固相合成法制備多肽[23-24]；3) 采用各種蛋白酶酶解大分子蛋白獲得多肽。對比以上3種制備海洋多肽的方法，其中酶解法制備海洋多肽具有產率高、安全性高及反應條件溫和等優點[11，25-26]。

目前，國內關于海葵的殺蟲活性研究和酶解法制備具有生物活性肽的研究較少。劉少華等[4]從舟山黃海葵粗毒中篩選出7種多肽，其具有強殺蟲活性但對哺乳動物低活性，即對脊尾白蝦及黃粉蟲幼蟲具有強且快速的麻痹、致死活性，對小鼠毒性雖較弱但仍會引起小鼠出現癱軟癥狀。吳宗澤等[17]采用堿性蛋白酶酶解綠側花海葵蛋白，并利用超濾和色譜分離技術制備具有抗腫瘤活性的多肽。該研究采用裂解液法從套膜海葵中提取到海葵總蛋白，結果發現，裂解液法提取海葵蛋白操作簡單、經SDS-PAGE電泳后條帶多且清晰分明，對后續試驗無影響。蛋白酶篩選和優化試驗表明，海葵的最佳蛋白水解酶為堿性蛋白酶，且時間和pH等因素與吳宗澤等[17]研究一致。但堿性蛋白酶添加量和酶解溫度均較吳宗澤等[17]的高，原因可能是在一定范圍內酶解得率與酶解溫度和加酶量呈劑量依賴關系。殺蟲活性試驗結果表明，經蛋白酶酶解后獲得的海葵酶解多肽具有殺蟲活性，注射劑量為1.0 μg/mg時黃粉蟲的致死率達90%。

4 結論

研究結果表明，采用裂解液法從套膜海葵中提取獲得的海葵總蛋白分子量主要為31.0～43.0 kDa，部分位于22.0 kDa及97.4 kDa；20 g套膜海葵可提取海葵總蛋白160 mg，蛋白濃度為0.5 mg/mL；海葵總蛋白的最佳水解酶為堿性蛋白酶；海葵總蛋白的最優酶解條件為pH 8、堿性蛋白酶4 000 U/g、溫度60°C、酶解6 h，在此條件下酶解得率為9.145%；昆蟲注射海葵酶解多肽1.0 μg/mg時死亡率達90%。因此，采用酶解法制備海葵多肽簡單可行，不受海葵毒液量的限制，同樣具有殺蟲活性且比海葵毒液對哺乳動物的安全性更高。

研究獲得適合海葵總蛋白酶解的最佳蛋白酶以及最優酶解條件，利用超濾技術得到海葵酶解肽并分析其殺蟲活性，可為深入開發海葵資源提供參考。