瘤胃細菌脲酶抑制劑瑞香素的篩選與效果評價

賀 越 趙圣國 張曉音 鄭 楠 王加啟*

(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，農業農村部奶產品質量安全風險評估實驗室(北京)，北京 100193)

反芻動物瘤胃微生物能利用尿素分解產生的氨合成機體可利用的微生物蛋白，所以尿素可作為一種經濟的蛋白質飼料替代品[1-2]。瘤胃尿素的分解依賴于瘤胃細菌脲酶，脲酶催化尿素水解的速度是尿素自然分解速度的1014倍[3]，尿素飼喂不當容易造成動物氨中毒[4]，這嚴重制約了尿素在動物生產上的廣泛應用。脲酶抑制劑是脲酶活性調控研究的前沿。

細菌脲酶是一種鎳金屬酶[5]，通常由結構蛋白(UreA、UreB、UreC)和輔助蛋白(UreD/H、UreF、UreG、UreE)組成[6]。不同微生物來源的脲酶的結構蛋白具有差異，如產氣克雷伯氏菌脲酶由UreA、UreB、UreC 3個亞基聚合形成(UreABC)3[7]，耶爾森氏菌脲酶為[(UreABC)3]4[8]，幽門螺桿菌脲酶為[(UreAB)3]4[9]。細菌脲酶的活性中心位于序列高度保守的UreC亞基[10]，每1個活性中心包含2個鎳離子，2個鎳離子由1個羧化的賴氨酸連接[11]，活性中心底物的進入和產物的排出由1個柔性的flap區域調控[12]。脲酶活性中心及flap區域是活性研究的重要靶點。

目前已經報道了多種脲酶抑制劑，其中多為化學合成的化合物。乙酰氧肟酸是目前唯一被批準商用的脲酶抑制劑[13]，但是在瘤胃中穩定性差、對動物的健康有影響[14]，所以開發安全、高效的脲酶抑制劑是目前研究的重點。自然界蘊含豐富的天然產物資源，其中包括大量具有生物活性、化學結構多樣的植物來源的天然化合物，這些化合物在疾病治療、糧食資源等方面應用廣泛[15]。在這種背景下，研究植物來源的天然產物作為脲酶抑制劑調控脲酶活性在動物生產中具有重要價值。本研究擬運用分子對接的方法對植物源化合物庫進行篩選，并進一步結合瘤胃細菌脲酶活性試驗進行評價，以期獲得對瘤胃脲酶具有抑制效果的天然化合物，為天然化合物抑制瘤胃細菌脲酶的研究提供科學依據。

1 試驗材料

1.1 試劑材料

試驗用瘤胃液來自中國農業科學院昌平基地荷斯坦奶牛[泌乳中期，體重(550±23) kg]；試驗用植物源化合物庫信息及植物源天然化合物來源于上海陶素生化科技有限公司，純度>98%；刀豆脲酶、尿素、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)粉末、四水合酒石酸鉀鈉、還原性谷胱甘肽(GSH)、L-半胱氨酸(L-Cys)、硼酸(BA)購于西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司，分析純；偏磷酸購于國藥集團化學試劑有限公司，分析純；納氏試劑購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，分析純；二甲基亞砜(DMSO)購于北京索萊寶科技有限公司；尿素氮含量測試試劑盒購于南京建成生物工程研究所；試驗用氣體購于北京市北溫氣體制造廠；試驗均使用超純水。

試驗用到的儀器和軟件包括Auto Dock vina軟件、Discovery Studio 4.5 Client軟件、超純水儀(F6BA99920)、pH計(SG2)、臺式高速冷凍離心機(sigma 3-18k)、超聲波細胞粉碎機(UP-250)、生化振蕩培養箱(HZQ-F100)、磁力攪拌器(IKA big squid)、酶標儀(Thermo Electron Varioskan Flash)、厭氧培養箱(PLAS-LAB 855-AC & 855-ACB)。

1.2 溶液配制

50 mmol/L HEPES緩沖液：稱取11.9 g HEPES粉末，適量去離子水溶解后，調節pH至7.5，定容至1 L。

50 mmol/L尿素緩沖液：稱取0.3 g尿素，用HEPES緩沖液溶解，定容至100 mL。

瑞香素溶液：10 mg瑞香素中加入561.4 μL DMSO，即配制成濃度為100 mmol/L的瑞香素母液，后續使用根據所需濃度進行稀釋。

DMSO溶液：DMSO溶液中DMSO的含量與對應試驗組化合物中DMSO含量一致。

硫醇試劑溶液：稱取L-Cys 1.21 g，HEPES緩沖液定容至100 mL，稱取GSH 3.07 g，HEPES緩沖液定容至100 mL，2種硫醇試劑母液濃度均為100 mmol/L，后續使用根據所需進行稀釋。

BA溶液：稱取BA 0.62 g，HEPES緩沖液定容至100 mL，BA溶液母液濃度為100 mmol/L，后續使用根據所需進行稀釋。

2 試驗方法

2.1 天然化合物的篩選

本試驗使用的瘤胃細菌脲酶結構參考實驗室之前的同源建模[16]。利用Auto Dock vina軟件對瘤胃細菌脲酶進行去除水分子、加氫及計算電荷等處理，對植物源化合物庫中的化合物進行同樣處理，而后選擇細菌脲酶UreC亞基的第308位氨基酸殘基至第336位氨基酸殘基的區域和活性中心區域進行對接，選擇最佳結合模型。進一步測定對接結果較好的4種天然化合物對瘤胃細菌脲酶的抑制效果。

2.2 4種天然化合物對瘤胃細菌脲酶活性的影響

2.2.1 瘤胃細菌脲酶的提取

挑選3頭荷斯坦瘺管奶牛，采集瘤胃內容物100 mL，通過4層無菌紗布過濾，將濾液(瘤胃液)分裝到50 mL無菌離心管中，并置于液氮中保存。

瘤胃液用流水解凍后，300×g離心5 min，收集上清液到新的離心管中，12 000×g離心10 min，棄上清，用25 mL HEPES緩沖液重懸沉淀，12 000×g離心10 min，棄上清，用25 mL HEPES緩沖液重懸沉淀，將其置于冰上，用超聲波細胞粉碎機進行破碎(150 W，超聲5 s，停5 s，超聲10 min)，12 000×g離心10 min，收集上清，即瘤胃細菌脲酶。離心過程均為4 ℃。

2.2.2 4種天然化合物對瘤胃細菌脲酶的抑制效果的測定

本試驗測定脲酶活性采用納氏試劑法。試驗組中，取40 μL瘤胃細菌脲酶于96孔板中，加入40 μL化合物溶液(終濃度10 μmol/L)和100 μL尿素緩沖液(終濃度28 mmol/L)；試驗陰性對照組中，取40 μL瘤胃細菌脲酶于96孔板中，加入40 μL化合物溶液(終濃度10 μmol/L)和100 μL HEPES緩沖液；脲酶組中，取40 μL瘤胃細菌脲酶于96孔板中，加入40 μL DMSO溶液和100 μL尿素緩沖液；脲酶陰性對照組中，取40 μL瘤胃細菌脲酶于96孔板中，加入40 μL DMSO溶液和100 μL HEPES緩沖液。以上每組設置3個重復，樣品加好后，置于生化振蕩培養箱中，37 ℃孵育30 min，加入10 μL酒石酸鉀鈉溶液，混合均勻，加入10 μL納氏試劑溶液，混合均勻后，室溫放置10 min。而后置于酶標儀中，設置420 nm波長，測定吸光度(OD)值。剩余活性計算公式如下：

剩余活性(%)=[(試驗組OD值-試驗陰性
對照組OD值)/(脲酶組OD值-脲酶
陰性對照組OD值)]×100。

根據4種天然化合物對瘤胃細菌脲酶的抑制結果，對其中抑制效果最好的化合物瑞香素作進一步的評價。

2.3 瑞香素對瘤胃細菌脲酶和刀豆脲酶的半抑制濃度(IC50)值的測定

測定瑞香素對瘤胃細菌脲酶的IC50值采用納氏試劑法，并且以刀豆脲酶作為對照，瑞香素對瘤胃細菌脲酶IC50值測定濃度設置為0、10、20、80、100、160、200 μmol/L，瑞香素對刀豆脲酶IC50值測定濃度設置為0、2、10、20、30、40、45 μmol/L，每個濃度3個重復，測定體系及相應對照設置、剩余活性計算同2.2.2。通過GraphPad Prism 6 進行曲線擬合，得到IC50值。

2.4 瑞香素對瘤胃細菌脲酶的抑制類型

瑞香素對瘤胃脲酶動力學測定采用納氏試劑法，瑞香素設0、80、160、200 μmol/L 4個終濃度，尿素設0、0.875、1.750、3.500、7.000、14.000 mmol/L 6個終濃度，每個處理3個重復，其中尿素0 mmol/L為試驗陰性對照組，測定體系同2.2.2。根據測得的OD值計算出相應處理下的反應速率(V)，在GraphPad Prism 6中進行反應速率的倒數關于尿素濃度(S)的倒數的線性擬合，進一步根據米氏方程計算得到酶動力學參數——米氏常數(Km)和最大反應速率(Vmax)，方程如下：

2.5 硫醇試劑、脲酶Ni2+競爭性抑制劑對瑞香素抑制瘤胃細菌脲酶的影響

本試驗選擇L-Cys、GSH 2種硫醇試劑和BA這種脲酶Ni2+競爭性抑制劑。脲酶活性測定選擇納氏試劑法，每個處理中添加40 μL瘤胃細菌脲酶和100 μL尿素緩沖液，其中對照組中添加40 μL DMSO溶液，瑞香素組中添加40 μL瑞香素溶液，L-Cys、GSH、BA組中添加相應的溶液40 μL，L-Cys/GSH/BA+瑞香素組中各添加20 μL，瑞香素終濃度為200 μmol/L，L-Cys、GSH、BA終濃度都為0.25 mmol/L，用HEPES緩沖液代替尿素緩沖液作為相對應的陰性對照組，計算方法同2.2.2。利用GraphPad Prism 6進行作圖分析。

2.6 瑞香素與瘤胃脲酶的結合位點分析

利用Discovery Studio 4.5 Client軟件對瑞香素與瘤胃脲酶活性中心對接的結果進行作圖，分析瑞香素與瘤胃脲酶相互結合的氨基酸位點及作用力。

2.7 瑞香素對瘤胃微生物尿素氮利用的影響

瘤胃液的采集同2.2.1，經過紗布過濾后，用20 mL無菌注射器注射入進過厭氧及滅菌后的血清瓶中，冰上保存。

厭氧稀釋液及厭氧培養基配制參考實驗室之前的配方[17]。瑞香素溶液和尿素溶液用厭氧稀釋液配制，濃度分別為3.8 mmol/L和0.4 mol/L。在厭氧培養箱中將20 mL新鮮瘤胃液與40 mL厭氧培養基混合均勻后分裝到螺口培養管中，每管9 mL，試驗組中加入500 μL瑞香素溶液，對照組中則加入500 μL DMSO溶液(DMSO含量與瑞香素溶液一致，用厭氧稀釋液配制)，每組設置3個重復，室溫下反應30 min后，加入500 μL尿素溶液，置于厭氧培養箱中39 ℃培養，分別于0、2、4、6、12 h采集200 μL培養液，采集的樣品12 000×g，4 ℃離心5 min，收集上清，加入400 μL 25%偏磷酸，于-20 ℃保存。尿素氮含量利用尿素氮測試盒(二乙酰肟比色法)進行測定。

2.8 數據分析

試驗數據利用SPSS 22.0統計軟件進行統計學分析，結果以平均值±標準差表示。在統計分析前，先利用軟件中分析-探索-Shapiro-Wilk檢驗對數據進行正態性檢驗，服從正態分布的2組數據間的比較采用分析-比較均值-獨立樣本t檢驗進行差異性比較；服從正態分布的多組數據間的比較采用分析-比較均值-單因素ANOVA，方差齊時用LSD檢驗進行多重比較。P<0.05表示結果差異顯著。

3 結果與分析

3.1 分子對接篩選天然化合物庫

通過分子對接對植物來源化合物庫進行多輪篩選，最后得到4種天然化合物作為瘤胃脲酶候選抑制劑，表1列出了這4種化合物分子對接得分以及化學結構式。

表1 4種天然化合物分子對接得分及化學結構式信息Table 1 Molecular docking score and chemical formula information of four natural compounds

3.2 4種天然化合物對瘤胃細菌脲酶活性的影響

測定分子對接篩選出的4種天然化合物對瘤胃脲酶的抑制效果，結果如圖1所示，在濃度一致的情況下，瑞香素對瘤胃脲酶的抑制效果最好。

圖1 4種天然化合物作用后瘤胃細菌脲酶的剩余活性Fig.1 Residual activity of ruminal microbial urease interacted by four natural compounds

3.3 瑞香素對瘤胃細菌脲酶、刀豆脲酶活性的抑制效果分析

為了表征瑞香素對脲酶的抑制效果，通過測定不同濃度的瑞香素對瘤胃脲酶和刀豆脲酶的抑制率，并計算瑞香素對2種脲酶的IC50值。結果如圖2所示，瑞香素對瘤胃脲酶的IC50值為(93.43±3.87) μmol/L(圖2-A)，瑞香素對刀豆脲酶的IC50值為(16.47±0.79) μmol/L(圖2-B)。

圖2 不同瑞香素濃度作用后瘤胃細菌脲酶(A)、刀豆脲酶(B)剩余活性Fig.2 Residual activity of ruminal microbial urease (A) and jack been urease (B) with different concentrations of daphnetin

3.4 瑞香素抑制瘤胃細菌脲酶的酶動力學分析

表2 不同瑞香素濃度對瘤胃細菌脲酶動力學參數的影響Table 2 Effects of kinetic parameters of rumen bacterial urease by different concentrations of daphnetin

圖3 Lineweaver-Burk雙倒數作圖法測定瑞香素對瘤胃細菌脲酶的酶動力學參數Fig.3 Kinetic parameters of rumen bacterial urease tested through Lineweaver-Burk plots of different concentrations of daphnetin

3.5 瑞香素抑制瘤胃細菌脲酶的作用位點分析

2種硫醇試劑L-Cys、GSH以及Ni2+競爭性抑制劑BA對瘤胃脲酶均具有一定的抑制效果，但是抑制效果均顯著低于瑞香素(圖4)。當瑞香素與L-Cys或GSH聯合作用時，瑞香素對瘤胃脲酶的抑制效果顯著降低(P<0.05)(圖4-A和圖4-B)，當瑞香素與BA聯合作用時，瑞香素對瘤胃脲酶的抑制效果變化不顯著(P>0.05)(圖4-C)。這一結果說明，瑞香素對瘤胃脲酶的抑制可能是通過與活性中心周圍的巰基相互作用。

3.6 瑞香素與瘤胃脲酶的結合位點分析

通過Discovery Studio 4.5 Client軟件分析得到瑞香素與瘤胃脲酶的最佳結合模式(圖5)。結果顯示，瑞香素上的2個羥基分別與氨基酸殘基Ala-166和His-245形成氫鍵，其中1個羥基還與氨基酸殘基Lys-216產生離子相互作用(鹽橋)，瑞香素的苯環結構與氨基酸殘基Ala-362形成疏水結合Pi-Alkyl作用，瑞香素的雜環結構能與氨基酸殘基Ala-362和Cys-318形成疏水結合Pi-Alkyl作用，并且還能與Ala-362形成碳氫鍵。

3.7 瑞香素對瘤胃微生物尿素利用的影響

由圖6結果可知，在瘤胃微生物體外厭氧培養試驗中，添加瑞香素與只添加等量DMSO的對照組相比，0 h時，2組培養體系中尿素含量差異不顯著(P>0.05)，而在2、4、6 h時，瑞香素體系中尿素含量顯著高于對照組(P<0.05)。這一結果說明，添加瑞香素在一定時間內能有效地降低瘤胃微生物對尿素的分解。

標注相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05)，標注不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

A圖中深藍色球體為瘤胃細菌優勢脲酶活性中心鎳離子，玫紅色結構為瑞香素。B圖中圓形球體表示脲酶氨基酸殘基；實線表示瑞香素；虛線表示瑞香素與氨基酸之間的相互作用，其中深綠色表示氫鍵，淺綠色表示碳氫鍵，橙色表示離子相互作用，玫紅色表示Pi-Alkyl作用。

標注*表示差異顯著(P<0.05)，未標注*表示差異不顯著(P>0.05)。

4 討 論

分子對接是目前藥物篩選常用的方法[18]，這一方法在對脲酶有抑制效果的天然化合物研究中也有諸多應用。如Kataria等[19]利用刀豆脲酶作為目標蛋白，通過分子對接技術從多種天然酚類化合物中篩選出了桑色素、白藜蘆醇等化合物。有研究發現，桑色素及其類似物對幽門螺桿菌脲酶具有較好的抑制效果[20]，白藜蘆醇能通過抑制幽門螺桿菌脲酶而影響幽門螺桿菌在胃腸環境的生存和定植[21]，也有研究表明，白藜蘆醇的衍生物對刀豆脲酶具有抑制作用[22]。這些研究提示在眾多天然化合物種中篩選有效的脲酶抑制劑，分子對接技術是一種有效的方法。雖然脲酶的活性中心具有高度保守的特點，但是同一種化合物對不同微生物脲酶的抑制效果具有一定的差異。Li等[23]研究發現，小檗堿對幽門螺桿菌脲酶的IC50值為2.40 mg/mL，而對刀豆脲酶的IC50值大于3.06 mg/mL，這提示我們靶向性的篩選脲酶抑制劑很有必要。本試驗利用瘤胃優勢脲酶基因簇的結構基因[24]進行同源建模，將得到的蛋白結構通過分子對接對植物來源化合物庫進行篩選，并測定了天然化合物對瘤胃細菌脲酶的抑制效果，最終確定瑞香素對瘤胃細菌脲酶抑制效果最好。

香豆素及其衍生物是分布廣泛的天然化合物，具有多種生物活性，一直以來備受化學家和藥物化學家的青睞。研究發現，這些天然化合物中有多種具有脲酶抑制效果[25]。瑞香素是一種天然香豆素衍生物，具有抗菌、抗炎、抗腫瘤等特性[26-27]。幽門螺桿菌產生的脲酶有利于幽門螺桿菌在人體胃腸環境中的生存，從而引發多種疾病，瑞香素能有效降低幽門螺桿菌活性[28]，并且也有研究發現瑞香素能抑制幽門螺桿菌脲酶活性[29]。本試驗研究發現，瑞香素對瘤胃細菌脲酶以及刀豆脲酶均具有抑制效果，并且對刀豆脲酶的抑制效果更好，猜測可能和本試驗所用瘤胃細菌脲酶不純有關。這一現象也出現在天然化合物黃連堿的研究中，Li等[30]研究顯示，黃連堿對刀豆脲酶的IC50值低于對幽門螺桿菌脲酶。在后續天然化合物研究中可以考慮對瘤胃細菌脲酶進行提純后分析。

隨著脲酶結構以及抑制劑-脲酶結構的解析，脲酶抑制劑對脲酶產生抑制作用的結構機制有：一方面是脲酶抑制劑進入脲酶活性口袋，與活性中心的鎳離子發生相互作用，阻礙底物與鎳離子的結合[31]；另一方面則是脲酶抑制劑與flap區域發生相互作用，限制這個皮瓣結構的運動而產生抑制作用[32]。有研究表明，含硫醇化合物是一種脲酶活化劑，它能與脲酶氨基酸中的巰基發生相互作用[33]，脲酶flap區域的關鍵氨基酸是1個半胱氨酸，當硫醇化合物和脲酶抑制劑同時存在時，硫醇可通過與半胱氨酸的巰基結合而阻礙脲酶抑制劑與半胱氨酸的相互作用，從而降低脲酶抑制劑對脲酶的抑制效果[34]。本試驗結果顯示，存在硫醇試劑時，瑞香素的抑制效果降低，說明瑞香素可能是通過與瘤胃細菌脲酶flap區域的半胱氨酸發生相互作用而產生抑制效果，同時分子對接結果也顯示瑞香素能與半胱氨酸形成比較強的相互作用。氨基酸殘基Lys-216是連接活性中心2個鎳離子的關鍵氨基酸，氨基酸殘基His245與其中的1個鎳離子發生配位[16]。本試驗分子對接結果顯示了瑞香素結構中的1個羥基能與這2個關鍵氨基酸殘基發生相互作用，而BA作用下瑞香素對瘤胃脲酶的抑制效果沒有明顯降低，猜測可能受到瘤胃脲酶純度較低的影響。很多屬于天然化合物的脲酶抑制劑也能通過與脲酶flap區域的半胱氨酸以及與活性中心的關鍵氨基酸殘基發生相互作用而對脲酶產生抑制效果，如槲皮素[35]、蘆薈樹脂和枸杞中的天然脲酶抑制劑成分[36]、兩面針中對脲酶具有抑制效果的天然化合物[37]等。

有研究發現，瘤胃微生物產生的脲酶水解尿素是一個很快的過程，細菌脲酶能在30 min到2 h內快速水解來自飼糧或者血液循環而來的尿素[38]，本研究對瘤胃微生物體外厭氧培養的結果顯示，培養體系中尿素含量在2 h顯著降低。一些脲酶抑制劑如乙酰氧肟酸、正丁基硫代磷酸三胺、鉍鹽類化合物[39]等能降低尿素的分解，但是這些化合物也存在諸多問題，如乙酰氧肟酸在瘤胃內易降解，瘤胃微生物對正丁基硫代磷酸三胺能產生適應性，還有些化合物對人和動物機體有損害。本試驗得到的天然化合物瑞香素在降低尿素分解方面具有很大的潛力，但是瑞香素在瘤胃內的穩定性、微生物對瑞香素是否具有適應性等還需要進一步的研究。

5 結 論

① 植物源化合物庫中對瘤胃細菌脲酶抑制效果最好的化合物是瑞香素，該化合物對瘤胃細菌脲酶的IC50值為93.43 μmol/L，是瘤胃細菌脲酶的混合型抑制劑。

② 瑞香素能通過與瘤胃細菌脲酶活性中心的多個氨基酸殘基以及flap區域的半胱氨酸相互作用而阻礙脲酶對尿素的分解。

③ 瑞香素能降低瘤胃微生物體外厭氧培養過程中尿素的分解。