基于质谱的利水中药活性成分靶标蛋白质的捕获与鉴定

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中药是在中医基础理论指导下使用的药物,在中国有两千多年的应用历史。在临床使用中具有毒副作用低,药物来源广泛,不易产生耐药性,多靶点效应等特点,近年来受到广泛的关注与研究。然而,目前很多中药临床应用中也存在作用物质基础不清,导致药物在体内吸收、分布、代谢途径不明等问题;另外,很多中药作用机制也不明确,使得它们的临床应用受到了限制。现代研究表明,利水中药活性成分黄芩苷具有利尿、抗炎、抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗氧化等多种生物活性,虽然关于黄芩生物活性报道较多,然而其作用靶标一直未能被揭示。蛋白质是重要的药物作用靶标,因而药物作用靶标蛋白质的发现对于药物作用机理的阐明以及基于靶标的药物合理设计具有重要指导意义。基于软电离的生物质谱具有灵敏度高,样品用量少,分析速度快等优点,已成为药物靶标蛋白质鉴定中最有力的技术。因为功能化的磁性纳米材料具有生物相容性好、比表面积大、表面易于修饰药物活性分子、分离速度快等优点,使得它们被较多应用于靶标蛋白质鉴定中蛋白质的捕获与富集。基于此,本论文的主要研究工作,是利用蛋白质组学研究的原理,设计中药活性成分功能化的磁性纳米亲和探针,发展和建立基于nano-LC ESI-MS/MS的分析方法,定性定量研究黄芩苷在细胞内作用的靶标蛋白,为从分子水平上揭示传统中药的作用机理提供实验依据和理论指导。主要成果包括如下四个部分:  1)发展了一种能够高效特异性捕获并富集中药活性成分黄芩苷靶标蛋白质的亲和磁性纳米探针。该探针经过简单的二步反应即可获得。通过元素分析、扫描电镜、红外光谱、质谱、核磁共振波谱等手段对结构进行了表征。酶活性抑制实验表明黄芩苷在修饰前后活性未受到影响。进一步将该探针应用于HEK293细胞内靶标蛋白的捕获与富集,同时考察了探针对蛋白质捕获量,优化了探针粒径及捕获时间对蛋白捕获效率的影响。结果表明,与阴性探针相比,在优化的条件下,该亲和磁性纳米探针可以快速、高效的富集与分离与黄芩昔特异性结合的靶标蛋白质。  2)应用我们构建的亲和探针,建立了基于nano-LC ESI-MS/MS的蛋白质组学研究方法,从HEK293细胞全蛋白质提取液中捕获并鉴定了黄芩苷靶标蛋白质。为了排除非特异性结合蛋白质,设置了未结合黄芩菅的磁性纳米探针作为阴性对照,研究结果表明结合了黄芩苷功能化的磁性纳米探针在HEK293细胞裂解液中蛋白富集率高于阴性探针。除去非特异性结合蛋白质后,经数据分析得到多种调控细胞内重要生理过程的蛋白质,主要是与物质与能量代谢(ATPB、DUE5、CYC、MDHM、EFTU等)、炎症(NPM、HSP、ANXA2)、钙调节(CALL5、ANXA2)、抗氧化(PRDX1/ PRDX4)、热休克(HSP(30/60/70/90))以及抗癌活性(Caspase14、RFA1)等功能相关的蛋白质,这与黄芩苷多种药理活性相吻合,也与中药靶点多重性的特性相一致。  3)应用乙酰化稳定同位素标记的定量蛋白质组学分析方法,筛选了与黄芩苷特异性作用的蛋白质。结果表明,排除非特异性吸附的高丰度蛋白质后,延长因子(EFTU)、钙膜联蛋白质(ANXA2)能特异性地与黄芩苷作用。同时也证实了我们建立的基于nano-LC-MS/MS的分析方法的准确性和可靠性。生物信息学研究表明这些靶标蛋白质很多存在直接或者间接的相互作用,这也可能是黄芩苷具有多种生理活性的基础,同时也部分揭示了黄芩苷作用靶点多重性的原因。  4)最后采用基于结构的计算模拟对接分析手段从理论上证实了利水中药黄芩活性成分黄芩苷、黄芩素及其衍生物都能很好的与水通道蛋白质AQP4结合,在一定程度上揭示了这些化合物的利水作用机制以及与靶标蛋白质的相互作用方式,探讨了利水活性分子可能的作用机制。
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