酪氨酸酶抑制剂的应用研究进展

胡泳华,贾玉龙,陈清西

(厦门大学生命科学学院,福建厦门361102)



酪氨酸酶抑制剂的应用研究进展

胡泳华,贾玉龙,陈清西*

(厦门大学生命科学学院,福建厦门361102)

酪氨酸酶是一类络合铜离子的金属酶类,广泛存在于动植物、微生物及人体中,是生物体合成黑色素、果蔬褐变的关键酶.酪氨酸酶的异常表现可能会出现黑色素瘤等,黑色素异常生成造成的色素沉着是动物衰老及果蔬褐变的重要表现.综述了酪氨酸酶抑制剂在美容保健、色素型皮肤病的治疗、病虫害防治以及食品保鲜等方面的应用，如:通过直接抑制酪氨酸酶活性以及调控细胞中酪氨酸酶的表达量来有效调控黑色素的生成,从而达到美白及治疗色素紊乱症的作用;抑制果蔬褐变,延长货架期;抑制昆虫蜕皮时的鞣化,达到杀灭农业害虫的目的;提高微生物对于紫外线及其他辐射的敏感度,进一步达到抑菌的目的.

酪氨酸酶抑制剂;医疗美容;害虫防治;保鲜;生物抗菌

酪氨酸酶(tyrosinase，EC 1.14.18.1)广泛分布于微生物、动植物及人体中,在植物中,酪氨酸酶一般称为多酚氧化酶;在昆虫中,一般称为酚氧化酶;在微生物和人体中,称为酪氨酸酶.酪氨酸酶是生物体合成黑色素、果蔬褐变的关键酶,在昆虫蜕皮时的鞣化过程和伤口愈合中起重要作用,细菌的黑色素能保护细菌细胞和孢子免受紫外线的伤害.酪氨酸酶具有单酚酶和二酚酶双重催化功能,在单酚酶的作用下,酪氨酸被羟基化成L-多巴(L-DOPA),在二酚酶的作用下,L-DOPA被氧化生成多巴醌,多巴醌再经过一系列的反应之后生成黑色素[1].

酪氨酸酶表现异常,有可能会出现黑色素瘤及早发性老年痴呆疾病等,黑色素异常生成造成的色素沉着是动物衰老及果蔬褐变的重要表现[2].酪氨酸酶抑制剂应用广泛,涉及美容保健、色素型皮肤病治疗、病虫害防治以及食品保鲜等多个领域.

1　酪氨酸酶抑制剂在医疗美容中的应用

黑素细胞中酪氨酸酶的基因转录是在小眼转录因子(microphthalmia transcription factor,MITF)的调控下进行的，MITF是黑素细胞增殖及黑素生成过程中起决定性作用的转录因子.现有研究表明,很多信号途径参与调节MITF的表达,例如:Wnt信号途径、cAMP(cyclic adenosine monophosphate)信号途径、P38及MAP(mitogen activated protein)激酶信号途径等[3]，一些主要信号通路总结于图1所示.在阳光照射(即紫外线的刺激下),皮肤角化细胞中的黑色素体受到刺激,可以通过促使分泌促肾上腺皮质激素和α-MSH黑色素细胞刺激素激活ACTH(adreno cortico tropic hormone)和PGE2(prostaglandin E2)蛋白的活化,激活cAMP调节CREB和CRE复合体的形成,进一步激活通路下游的酪氨酸酶活化;CREB/CRE复合体也可以通过上游NOS活化导致PKG(protein kinase G)通路激活而完成,DAG调控的PKC(protein kinase C)通路同样可以达到活化复合体的作用.CREB/CRE复合体激活之后,调节黑色素信号通路中的关键因子MITF在细胞核内完成MBOX结合,激活酪氨酸酶、相关蛋白TRP-1和DCT的大量表达活化.在完成黑素合成相关基因转录后,黑素在黑素小体内主要通过酪氨酸酶的作用进行合成，在人体皮肤角化细胞中,黑色素的形成导致表皮褐变,产生黑斑.以酪氨酸酶抑制剂作为化妆品美白添加剂的作用靶点主要是通过抑制酪氨酸酶的活性和调节酪氨酸酶的转录.其中抑制酪氨酸酶活力的作用模式是目前市场上大多数美白化妆品类开发应用的依据[4].

图1　主要调节黑色素生成的细胞信号通路Fig.1The several cellular signaling pathway of melanin synthesis regulation

黑色素细胞树突生长障碍是造成白癜风的病因之一,Wang等[5]研究了Rnaset2在人体黑色素细胞中的作用,研究结果表明Rnaset2是调控色素细胞树突生成的关键蛋白之一.Ito等[6]研究诱变白斑病相关酚类发现其能被酪氨酸酶催化,但相应的酚类抑制剂却不能被催化,证实酚类酪氨酸酶抑制剂在开发时需要先检查其是否能够被酪氨酸酶催化.孙道权等[7]研究了水溶性丝胶蛋白能够有效抑制黑色素生成,丝胶粉能够抑制皮肤中的酪氨酸酶活性,从而抑制黑色素的生成,对皮肤起到一定美白作用.陈龙等[8]的研究发现鱼胶原肽能够有效地抑制酪氨酸酶活性,鱼胶原肽可作为无毒副作用的纯天然美白化妆品原料.成静等[9]的研究发现胶原三肽作为构成胶原的最小单位,能够很好地抑制酪氨酸酶活性,在小鼠的黑色素瘤B16细胞中,既能够很好地抑制黑色素生成，同时又对细胞毒性较低.刘琦等[10]研究了维生素C、乙基醚、烟酰胺、β-熊果苷等美白化妆品成分对酪氨酸酶活性的抑制作用,研究表明3种美白剂对于酪氨酸酶的抑制作用表现为非竞争型抑制机理,说明他们与酪氨酸酶的独立部位结合,而不会和底物竞争活性中心.张凤兰等[11]研究表明,熊果苷具有一定的毒性,但它能被人体皮肤表面分离的菌株代谢转变成氢醌类化合物,但转变程度不足以对人CHO (Chinese hamster ovary)细胞产生致畸作用.杨美花等[12]的研究表明L-半胱氨酸能够有效抑制酪氨酸酶的活性,并且能够被酪氨酸酶催化成一种无色底物,使酪氨酸酶不表现出活性,并在细胞水平上证明L-半胱氨酸能够作为一种安全无毒的美白化妆品有效成分.

还有很多研究发现多种药用植物中能够提取出有效抑制酪氨酸酶活性的成分,从而极大地丰富了酪氨酸酶抑制剂来源.Bae等[13]从毛壳属植物中提取的毛壳素就能够很好地抑制酪氨酸酶活性并且抑制小鼠黑色素瘤中黑色素的生成.柯静霞[14]的研究表明,蛇婆子提取物在使用8周水平上,能够有效抑制酪氨酸酶活性,降低黑色素活性,并且有效降低黑色素生成量,从而具有一定的美白功效.罗倩仪等[15]通过酪氨酸酶抑制模型研究了几种美白祛斑复配配方的实际筛选和功能优化,实验证明壬二酸衍生物、红景天提取物能够具有一定的美白祛斑作用.Lin等[16]从台湾火刺木中分离的活性物质也能够高效低毒的对酪氨酸酶产生良好的抑制效果并且作为美白剂进行使用.铃木敏幸等[17]对美白化妆品的发展方向进行综述时也提到,通过酪氨酸酶的阻碍实验可以有效地评价美白剂的相关作用,并且能够反映化妆品降低黑素生成的能力.早在2005年刘之力等[18]提到,中药复方乙醇提取物对酪氨酸酶有时也会存在激活作用,但激活酪氨酸酶活力并不代表能够在动物试验中增加黑色素生成的作用.马秋华等[19]从商品化的药物筛选到壬二酸，发现其具有抑制酪氨酸酶活性,并且能够有选择性地抑制黑色素过多的异常化细胞,作为一种美白化妆品的原料.付晓磊等[20]基于商品化的酪氨酸酶抑制剂对苯二酚合成了一系列对苯二酚氨基酸缀合物,通过表征实验证明其能够有效地抑制酪氨酸酶活性,通过构效关系模型研究证实了其具有良好的抑制活性;宋长伟等[21]基于龙胆酸化合物设计合成了系列衍生物,也具有良好的抑制黑色素生成的作用.以上的研究结果显示,酪氨酸酶抑制剂在化妆品研制过程中作为美白添加剂,能够保护人体皮肤免受紫外线辐射.

2　酪氨酸酶抑制剂在食品保鲜中的应用

酪氨酸酶在植物体内广泛存在,其很早就被作为植物储藏期间色变腐烂的原因加以研究.果蔬体内多酚氧化酶主要存在于完整细胞的质体、线粒体等细胞器内膜和细胞膜上及细胞质中,而酚类底物存在于液泡中,这种区室化分布减少了酚类物质与酶的接触,避免了正常组织中酶促褐变的发生.果蔬等产品在受到机械损伤或处于低温、高温环境下,细胞膜的完整性被破坏,区室化分布受到损害,使得酚类物质与多酚氧化酶相接触,加速了正常组织的褐变过程[22-23].在多酚氧化酶作用下,果蔬内源性多酚类物质如酪氨酸、多巴等氧化形成醌,醌类物质再聚合形成类黑色素,从而导致产品变色,造成营养丢失及经济损失.

早期,含硫化合物广泛应用于食品的抗褐变中,王伟等[24]发现亚硫酸氢钠对马铃薯多酚氧化酶具有显著的抑制作用及在马铃薯切片护色中具有防褐变功能.然而,这些含硫化合物由于硫的残留对人体的健康造成一定的影响逐步被限制使用.目前,普遍的保鲜方法大致可以分为以下几类:低温保鲜[25-26]、化学保鲜[27-28]、气调保鲜[29-30]、涂膜保鲜[31-32]、臭氧保鲜[33-34]以及辐射保鲜[35-36]等.这些方法虽然可以不同程度地对食品的保鲜起到一定的作用,但由于成本高、费用多等原因而不能得到广泛应用.因此寻求一种高效、简单、低价的保鲜方法显得十分的重要.

Sato等[37]从Lentinulaedodes中克隆了1 854 bp的Letyr基因，其编码618个氨基酸残基的分子质量为68 ku的蛋白.该基因在蘑菇采后保鲜过程中的表达量大量增加.Sakamoto等[38]采用抑制消减杂交的方法发现采后的Lentinulaedodes中两个酚氧化酶基因(酪氨酸酶tyr和漆酶lcc4)的表达明显增加,并且鉴定出这是导致蘑菇褐变的主要原因.因此,可以通过抑制酪氨酸酶的活力达到抑制或延缓食品褐变的发生,而且酪氨酸酶还是各种微生物生命活动所必需的酶,抑制酪氨酸酶的活性还能抑制腐烂菌的生长,达到保鲜防腐的目的,且不影响食品的风味及口感.

常见的酪氨酸酶抑制剂如半胱氨酸、抗坏血酸、柠檬酸等已应用于食品的保鲜中[39-40].Dawley等[41]研究了4-己基间苯二酚对蘑菇酪氨酸酶的抑制作用,而4-己基间苯二酚已被应用于防止苹果片褐变[42]以及延缓虾类产品体内水溶性色原物质被氧化成黑色素而造成虾头胸部黑变[43].Lin等[28]研究了没食子酸丙酯对酪氨酸酶的作用,而后将其应用于龙眼的保鲜中,取得了很好的抗褐变效果.Xing等[44]发现铁取代磷酸盐(Na6PMo11FeO40)对酪氨酸酶是可逆的非竞争型抑制作用,并且其可以显著地延缓莲藕切片的褐变.植酸(又称为肌醇六磷酸)可以很好地抑制苹果汁中的多酚氧化酶活力从而可以显著地降低苹果汁在加工过程中褐变的发生[45].

另外,冷冻处理、70 ℃热变性或者300～1 000 MPa高压处理也可以使酪氨酸酶活力失活[46],但这些处理可能对食品的品质造成一定的影响,因此从酪氨酸酶抑制剂出发寻找高效的保鲜剂不失为一种有效的手段.

本研究采用酪氨酸酶抑制剂研究了抑制剂对马铃薯条、双孢蘑菇、龙眼及荔枝的抗褐变保鲜,研究结果如图2所示.由图2可知,对照组的马铃薯条比实验组褐变严重；对照组的蘑菇表皮褐变严重，出现腐烂现象；对照组的龙眼表皮褐变严重，有掉果及腐烂现象；而对照组的荔枝果实出现褐变、发霉现象.可见酪氨酸酶抑制剂可以很好地延缓果蔬褐变的发生.

(a)、(b)、(c)分别为新鲜马铃薯条,未处理对照组及采用0.1%柠檬酸、0.2%半胱氨酸和0.01%水杨酸处理,在4 ℃下贮藏8 d的马铃薯条；(d)、(e)、(f)分别为新鲜双孢磨菇，未处理对照组及采用100 μmol/L 4-甲氧基肉桂酸处理,在20 ℃下贮藏4 d的新鲜双孢蘑菇；(g)、(h)、(i)分别为新鲜龙眼，未处理对照组及采用0.2%柠檬酸、0.2%半胱氨酸、0.05%尼泊金甲酯、2.5%乙醇和0.01%水杨酸处理，在4 ℃下贮藏8 d的龙眼;(j)、(k)、(l)分别为新鲜的荔枝，未处理对照组及采用2%柠檬酸、0.1%熊果甙、0.1%玫瑰甙和0.01% 2,4-二氯苯氧乙酸处理,在30 ℃下贮藏3 d后的荔枝.图2　酪氨酸酶抑制剂在果蔬保鲜中的应用Fig.2The application of tyrosinase inhibitors in fruit and vegetable preservation

3　酪氨酸酶抑制剂在农业害虫防治中的应用

随着人口数量的不断增长及生活质量的不断提高,粮食短缺所带来的威胁也越来越严重,粮食产量受到自然灾害及病虫害的极大挑战.农药是控制病虫害、提高粮食产量的最有效手段之一.然而由于农药的广泛应用使得害虫的抗药性不断上升,农药本身的毒性亦不断上升,这对自然环境以及人类自身都构成了极大的威胁.面对这一严峻形势,研制新型、无公害、对环境友好的低毒高效杀虫剂已成为农业工业的第一目标,现有的农药品种远远不能满足粮食生产的需要,仍然需要大力加强农药新品种的研究与开发[47].早在1993年著名昆虫毒理学家张宗炳等[48]指出:探索新杀虫药剂的一条最有希望的途径是生物途径,其中酪氨酸酶抑制剂可列入首选.

图3　酪氨酸酶抑制剂对农业害虫菜青虫杀灭作用Fig.3The preservation effects of P. rapae L. by tyrosinase inhibitors

酪氨酸酶在昆虫的正常发育过程中具有重要的生理功能.它主要参与表皮的硬化、黑化过程;参与对外来侵染物的免疫防御反应;参与伤口愈合反应[49-51].在昆虫表皮硬化过程中,酪氨酸酶催化单酚羟化为二酚,然后氧化成醌,醌与表皮层中的角蛋白及几丁质相互作用,互相交联在一起,形成角质,高度硬化的角质可以阻断微生物和异物的入侵,形成保护昆虫的第一道屏障.此外,酪氨酸酶还可产生具有细胞毒杀作用的氧自由基和具有潜在细胞毒杀作用的半醌及三羟酚,进一步增强寄主的防御能力.在较高等的无脊椎动物如节肢动物中,酪氨酸酶除了参与角质的硬化和黑化外,还参与其他2种重要的生理过程,即防御反应(节肢动物免疫)和伤口愈合.对于小颗粒异物如细菌,宿主可通过吞噬作用加以消灭.当入侵的异物太大(如寄生虫),宿主便通过黑色素包被作用来抵抗和消灭寄生虫,而酪氨酸酶在这个过程中起重要作用.由于这些过程可能是害虫形成防御体系的重要反应,因此酪氨酸酶有可能作为害虫控制中的一个作用靶标.天然酪氨酸酶抑制剂将成为继几丁质酶抑制剂后的一类新的环境友好型的害虫生物调控剂.本实验室设计的酪氨酸酶抑制剂3,4-二羟基苯甲酸庚酯对于菜青虫(PierisrapaeL.)具有杀灭作用,将质量浓度分别为0，2.5，5，10，20,40 mg/mL的酪氨酸酶抑制剂和菜青虫饲料混合均匀，制成内吸型杀虫剂配方,对菜青虫喂养持续3 d,在第3天观察效果(图3)发现,5 mg/mL的质量浓度就可以有效抑制菜青虫幼虫的生长,这主要是通过抑制昆虫幼虫生长过程中的表皮糅化来达成的,可见这种质量浓度饲喂的幼虫大小明显小于对照组,而10 mg/mL的质量浓度以上,则可以完全杀灭菜青虫幼虫,说明了酪氨酸酶抑制剂可以有效抑制农业常见害虫幼虫的生长,在高浓度作用下,能够有效杀灭害虫幼虫,具有较好的研究价值和应用前景．

Dong等[52]克隆了小菜蛾中的多酚氧化酶(PPO)并通过real-time PCR研究发现PPO存在于小菜蛾的不同发育阶段.Bhonwong等[53]比较了过表达PPO、抑制PPO表达以及正常的马铃薯叶喂养棉铃虫及甜菜夜蛾的生长情况,结果证实了PPO在抑制棉铃虫及甜菜夜蛾的生长发育中起到重要的作用.Pan等[54]合成了系列的3,4-二羟基烷基酯,该系列化合物可以有效地抑制酪氨酸酶活力,并且发现其能使小菜蛾的生长明显受到抑制,进一步研究发现该系列化合物能使小菜蛾中PPO基因表达下降,从而抑制其生长.此外,曲酸[55]、缩氨基硫脲类化合物[56]、苯胺类席夫碱[57]以及α-巯基-β-取代苯基丙烯酸[58]等化合物对昆虫酚氧化酶具有很好的抑制作用,这为研究开发新型的“昆虫生命活动干扰剂”进行了有益探索.

4　酪氨酸酶抑制剂在生物抗菌中的应用

酪氨酸酶是合成黑色素的关键酶,其代谢产生的黑色素能够有效提高细菌对抗紫外线以及其他电离辐射作用[59].蔡信之等[60]甚至将高表达酪氨酸酶的基因转入苏云金芽胞杆菌中，用以增强细菌的抗紫外线以及抗辐射能力.因此,筛选出能够抑制微生物的酪氨酸酶活性便显得尤为重要.

Basavegowda等[61]通过对青蒿素提取物进行纳米金属离子处理后,发现其不仅能够有效抑制酪氨酸酶,还能够表现出良好的抑菌活性.田敏等[62]通过对环境微生物进行筛选,以链霉菌X59为鉴定菌的黑色素生物合成抑制剂筛选模型,从4 000余种微生物中筛选出一株活性化合物产生菌,其代谢产物能够有效抑制黑色素的生物合成.黄晓冬等[63]研究了红树植物桐花树叶片多酚提取物能够抑制酪氨酸酶活性并对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌具有明显的抑制活性;鲁卫斌等[64]的研究表明直接从马铃薯中提取的酪氨酸酶用于处理羊毛,具有一定的抗菌功效,并且对金黄色葡萄球菌的抑菌率能达到76.32%.

(a)克雷伯氏肺炎菌；(b)根癌农杆菌；(c)沙门氏菌；(d)克雷伯氏肺炎菌；(e)根癌农杆菌；(f)沙门氏菌.图4　酪氨酸酶抑制剂在生物抗菌中的应用Fig.4The application of tyrosinase inhibitors in biological antibacterial

Xia等[65]的研究表明,5-羟基-4-乙酰基-2,3-萘二羧酸酐萘酚-呋喃能够有效地抑制酪氨酸酶活性,同时抑制细菌的生长.王聪慧等[66]的综述中也提到,茶多酚作为一种天然化合物,能够有效地抑制酪氨酸酶活性,同时具有很好的抑菌功效,对伤寒杆菌、副伤寒杆菌、痢疾杆菌、溶血性链球菌、金黄色葡萄球菌等均有明显的抑制作用;也有前人研究证实丁香酚能够在抑制酪氨酸酶活性的同时,对黄曲霉、烟曲霉、产黄青霉、桔青霉、粘红酵母的生长均有不同程度的抑制作用,是一种良好的天然防腐剂.张丽娟等[67]研究了3-羟基苯甲酸对酪氨酸酶的抑制机理以及几种常见腐败菌的抑制作用,证明了3-羟基苯甲酸具有很好的抑制酪氨酸酶及细菌生长的作用.陈祥仁等[68]研究了3,4-二羟基氰苯对于酪氨酸酶稳态酶活力以及酶促反应的迟滞时间有影响,同时能够很好地抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌3种细菌和真菌白色假丝酵母的生长.

本文中研究了酪氨酸酶抑制剂对细菌的抑制作用,研究结果如图4所示.4-苯基丁醇对克雷伯氏肺炎菌(图4(a))、根癌农杆菌(图4(b))和沙门氏菌(图4(c))均有一定的抑制作用并呈浓度依赖效应.3-羟基苯甲醛对克雷伯氏肺炎菌(图4(d))、根癌农杆菌(图4(e))和沙门氏菌(图4(f))有一定的抑制作用,但效果不如4-苯基丁醇明显.综上,酪氨酸酶抑制剂可以很好地应用于生物抗菌中.

5　展　望

目前,酪氨酸酶抑制剂已经在医疗、农业抗虫、食品保鲜等多方面得到了广泛的应用,但就其在黑色素合成信号通路的作用、抑制农业害虫及微生物的生长以及食品的防褐变保鲜中的具体作用机制仍需进一步研究.

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Research Progress in the Application of Tyrosinase Inhibitor

HU Yonghua,JIA Yulong,CHEN Qingxi*

(School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Tyrosinase,a copper-containing metal enzyme,which is widely present in animals and plants,microorganisms and human bodies,is the key enzyme of melanin biological synthesis and fruit browning.When tyrosinase expresses excessively,it may cause pigment disorder,such as melanoma.The abnormal generation of melanin pigmentation could cause the animals′ aging and fruit browning. This paper reviews the application of tyrosinase inhibitor in the beauty care,pigment skin disease treatment,control of plant diseases and insect pests,and food preservation,involving the following aspects: (1) It could directly inhibit tyrosinase activity,and regulate the expression of cellular tyrosinase to effectively control the generation of melanin,so as to achieve whitening and treatment of pigment disorder.(2) It could impede the fruit browning and extend the shelf life.(3) It could inhibit the insect molting being tanned and kill the agricultural pests.(4) It could enhance the sensitivity of microorganisms to the ultraviolet light and other radiations to achieve a bacteriostatic activity.

tyrosinase inhibitors;medical cosmetology;pest control;preservation;bio-antimicrobial

10.6043/j.issn.0438-0479.201603101农业生产专题

2016-03-09录用日期：2016-06-14

国家自然科学基金(31570785)

chenqx@xmu.edu.cn

胡泳华,贾玉龙,陈清西.酪氨酸酶抑制剂的应用研究进展[J].厦门大学学报(自然科学版)，2016,55(5)：760-768.

HU Y H,JIA Y L,CHEN Q X．Research progress in the application of tyrosinase inhibitor[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(5)：760-768．(in Chinese)

Q 356.1

A

0438-0479(2016)05-0760-09