酪氨酸酶結構功能分析及其抑制物的設計

熊東彥，李志遠，黃 丹，慕 昕，劉 楨

（東北農業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

酪氨酸酶結構功能分析及其抑制物的設計

熊東彥，李志遠，黃 丹，慕 昕，劉 楨

（東北農業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑色素生成與酪氨酸酶相關。在保證健康的前提下，為了適當抑制黑色素生成，美白皮膚，我們使用生物信息學方法研究了酪氨酸酶的性質，并針對其性質設計了抑制分子。利用遺傳算法得到了不同物種的酪氨酸酶系統進化樹，發現東非狒狒、獼猴等的酪氨酸酶與人類的具有較高的相似度。在PDB數據庫中預測到人類酪氨酸酶與巨大芽孢桿菌酪氨酸酶在空間結構上具有最大相似度。N端與C端分別有1個β-折疊，N端與C端之間有多個α-螺旋。由此發現，Zn2+和Cl-能夠有效降低酪氨酸酶的活性。黑色素合成受信號通路調控，JNK通路可以通過阻止cAMP應答元件結合蛋白來抑制酪氨酸酶的合成。雌激素為黑色素合成的“第一信使”，其作用通過ER途徑介導，由此尋找到抑制其活性的分子，比如埃克替尼、阿帕替尼。

酪氨酸酶；生物信息學；抑制分子；系統進化樹

黑色素是一種生物色素，能保護生物體免受紫外線傷害，過多的黑色素沉積易引發黑色素瘤。黑色素合成受多個途徑調控，其中，由酪氨酸酶參與的合成途徑是黑色素合成的重要途徑之一。酪氨酸酶是一種氧化還原酶，廣泛存在于各生物中，與生物體合成色素直接相關。目前，酪氨酸酶在醫療美容方面的應用發展迅速。隨著生活水平的提高，人們對美的享受也越來越講究，美白劑的開發隨之成為化妝品行業關注的焦點之一。

目前，市場上的美白劑主要有熊果苷、曲酸等，文獻表明這些物質均具有較好的美白功效，但這些物質具有一定的皮膚刺激性，或穩定性較差。如何實現“安全、健康美白”已經成為一個熱點問題。在本次研究中，我們利用生物信息學分析了酪氨酸酶合成與代謝通路，提出了相應的調控機制，設計出了能夠改善人類皮膚健康問題的、安全無副作用的絡氨酸酶抑制分子。這將對美白產品的研制及色素性皮膚損傷治療具有重要指導意義。

圖1 人類酪氨酸酶的系統進化樹

1 進化分析

在NCBI的UniGene數據庫中檢索到人類酪氨酸酶的氨基酸序列導入NCBI數據庫中，利用Multi-BLASTp進行多序列比對，下載包括人類在內的前25名物種的酪氨酸酶氨基酸序列的fasta文件，利用Mega7設置大于70%相似度系數，選擇NJ算法，計算得到了系統進化樹，如圖1所示。

分析進化樹發現，與人類酪氨酸酶的一級結構具有較高相似度的其他物種的酪氨酸酶分別為東非狒狒、大鼠、獼猴和小鼠的酪氨酸酶。為了進一步挖掘可能具有相似功能的其他物種的酪氨酸酶，我們進行了高級結構分析。

2 結構分析

由于該酶的高級結構暫時不清楚，所以，我們采用生物信息學方法用一級結構預測高級結構。我們將氨基酸序列導入PDB數據庫中，在Search欄目中使用Sequence Search方法，按照相似度排名得到以下結果，如圖2所示。

圖2中從上到下、從左至右的PDB ID為3NPY、3NQ1、3NTM、3NM8、3NQ0、3NTM，這些酪氨酸酶都提自巨大芽孢桿菌，所以根據數據篩選發現，東非狒狒、大鼠、獼猴、小鼠和巨大芽孢桿菌這5個物種的酪氨酸酶可能與人類的酪氨酸酶具有非常相似的結構與功能。我們提出了一種研究思路，可以分別尋找這些物種的酪氨酸酶的抑制分子。

對于高級結構設計抑制分子，我們想到了通過破壞結構域的方式進行研究，選擇了相似度排名前三的3NPY、3NQ1、3NTM作為分析對象，具體如圖3所示。

圖2 人類酪氨酸酶高級結構分析

圖3 巨大芽孢桿菌酪氨酸酶高級結構數據

圖3中我們可以看出，酪氨酸酶的N端與C端分別有一個β-折疊（Secsine部分的黃色元件），N端與C端之間有數個α-螺旋，這樣的結構有利于酪氨酸酶形成活性中心，我們分析Cu離子位于這個活性中心處。Zn離子能夠通過不與底物結合的方式抑制酶活性。

3 黑色素合成相關通路的研究

黑素細胞是人體表皮基底層中產生黑色素的細胞。哺乳動物黑色素的合成在不同生長階段均受到調控。主要是通過有關信號通路調節基因的表達，包括TYR、TRP-1、TRP-2這些信號通路的起始由各種激素誘發。有3條最重要的抑制黑色素形成的信號通路：cAMP信號通路、Wnt信號通路以及ERK信號通路。

α-促黑色素激素（α-MSH）是來源于阿片-促黑素細胞皮質激素元（POMC）的一種多肽，通過cAMP依賴的信號通路來調節黑色素的合成。當α-MSH與黑色素細胞膜上的腎上腺皮質受體結合后，通過G蛋白偶聯受體會激活腺苷酸環化酶產生cAMP，其隨后激活PKA，后者通過環磷腺苷效應元件結合蛋白的磷酸化，從而激活MITF基因的表達，最后，MITF有效激活與黑色素形成相關的蛋白的表達，最終促進黑色素的形成。Wnt信號通路中Wnts是一類富含半胱氨酸的分泌性糖蛋白，在胚胎發育中起重要作用。該通路起始于Wnt與卷曲蛋白的結合，通過靶向調控MITF基因的表達來調節黑色素的形成。在缺乏Wnt信號通路的細胞中，β鏈蛋白是由糖原合成酶-3磷酸化，而磷酸化的β鏈蛋白由泛素連接符合體識別，通過泛素依賴途徑使β鏈蛋白降解。

4 結論

系統進化樹中人類酪氨酸酶的一級結構具有高相似度的其他物種酪氨酸酶分別為東非狒狒、大鼠、獼猴、小鼠；高級結構預測中人類酪氨酸酶與巨大芽孢桿菌的酪氨酸酶高級結構相似，所以，可以分別從一級和高級結構分別研究對應的低級物質酪氨酸酶性質，設計初步抑制分子最后使用到人類身上。酪氨酸酶的N端與C端分別有1個β-折疊，N端與C端之間有數個α-螺旋，這樣的結構有利于酪氨酸酶形成活性中心，Cu離子位于這個活性中心處，可以利用適當的封閉劑封閉銅離子；Zn2+能阻止蛋白質活性但不抑制底物結合。MAPk通路是細胞外信號引起細胞生理反應的共同途徑，JNK通路則可以通過降低cAMP應答元件結合蛋白的結合來抑制酪氨酸酶的合成。

［1］陳清西，宋康康.酪氨酸酶的研究進展［J］.廈門大學學報（自然科學版），2006（05）.

［2］穆燕，李琳，董方圓，等.對甲氧基肉桂酸對酪氨酸酶的抑制機理［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2012（12）.

［3］鄧觀杰，劉有停，凌沛學.丹皮復方提取液美白功效研究［J］.藥學研究，2016（05）.

〔編輯：張思楠〕

S917.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.118

2095-6835（2017）13-0118-02

熊東彥，就讀于東北農業大學生命科學學院，研究方向為生物信息學。