酪氨酸酶结构功能分析及其抑制物的设计

熊东彦，李志远，黄 丹，慕 昕，刘 桢

（东北农业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

酪氨酸酶结构功能分析及其抑制物的设计

熊东彦，李志远，黄 丹，慕 昕，刘 桢

（东北农业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

黑色素生成与酪氨酸酶相关。在保证健康的前提下，为了适当抑制黑色素生成，美白皮肤，我们使用生物信息学方法研究了酪氨酸酶的性质，并针对其性质设计了抑制分子。利用遗传算法得到了不同物种的酪氨酸酶系统进化树，发现东非狒狒、猕猴等的酪氨酸酶与人类的具有较高的相似度。在PDB数据库中预测到人类酪氨酸酶与巨大芽孢杆菌酪氨酸酶在空间结构上具有最大相似度。N端与C端分别有1个β-折叠，N端与C端之间有多个α-螺旋。由此发现，Zn2+和Cl-能够有效降低酪氨酸酶的活性。黑色素合成受信号通路调控，JNK通路可以通过阻止cAMP应答元件结合蛋白来抑制酪氨酸酶的合成。雌激素为黑色素合成的“第一信使”，其作用通过ER途径介导，由此寻找到抑制其活性的分子，比如埃克替尼、阿帕替尼。

酪氨酸酶；生物信息学；抑制分子；系统进化树

黑色素是一种生物色素，能保护生物体免受紫外线伤害，过多的黑色素沉积易引发黑色素瘤。黑色素合成受多个途径调控，其中，由酪氨酸酶参与的合成途径是黑色素合成的重要途径之一。酪氨酸酶是一种氧化还原酶，广泛存在于各生物中，与生物体合成色素直接相关。目前，酪氨酸酶在医疗美容方面的应用发展迅速。随着生活水平的提高，人们对美的享受也越来越讲究，美白剂的开发随之成为化妆品行业关注的焦点之一。

目前，市场上的美白剂主要有熊果苷、曲酸等，文献表明这些物质均具有较好的美白功效，但这些物质具有一定的皮肤刺激性，或稳定性较差。如何实现“安全、健康美白”已经成为一个热点问题。在本次研究中，我们利用生物信息学分析了酪氨酸酶合成与代谢通路，提出了相应的调控机制，设计出了能够改善人类皮肤健康问题的、安全无副作用的络氨酸酶抑制分子。这将对美白产品的研制及色素性皮肤损伤治疗具有重要指导意义。

图1 人类酪氨酸酶的系统进化树

1 进化分析

在NCBI的UniGene数据库中检索到人类酪氨酸酶的氨基酸序列导入NCBI数据库中，利用Multi-BLASTp进行多序列比对，下载包括人类在内的前25名物种的酪氨酸酶氨基酸序列的fasta文件，利用Mega7设置大于70%相似度系数，选择NJ算法，计算得到了系统进化树，如图1所示。

分析进化树发现，与人类酪氨酸酶的一级结构具有较高相似度的其他物种的酪氨酸酶分别为东非狒狒、大鼠、猕猴和小鼠的酪氨酸酶。为了进一步挖掘可能具有相似功能的其他物种的酪氨酸酶，我们进行了高级结构分析。

2 结构分析

由于该酶的高级结构暂时不清楚，所以，我们采用生物信息学方法用一级结构预测高级结构。我们将氨基酸序列导入PDB数据库中，在Search栏目中使用Sequence Search方法，按照相似度排名得到以下结果，如图2所示。

图2中从上到下、从左至右的PDB ID为3NPY、3NQ1、3NTM、3NM8、3NQ0、3NTM，这些酪氨酸酶都提自巨大芽孢杆菌，所以根据数据筛选发现，东非狒狒、大鼠、猕猴、小鼠和巨大芽孢杆菌这5个物种的酪氨酸酶可能与人类的酪氨酸酶具有非常相似的结构与功能。我们提出了一种研究思路，可以分别寻找这些物种的酪氨酸酶的抑制分子。

对于高级结构设计抑制分子，我们想到了通过破坏结构域的方式进行研究，选择了相似度排名前三的3NPY、3NQ1、3NTM作为分析对象，具体如图3所示。

图2 人类酪氨酸酶高级结构分析

图3 巨大芽孢杆菌酪氨酸酶高级结构数据

图3中我们可以看出，酪氨酸酶的N端与C端分别有一个β-折叠（Secsine部分的黄色元件），N端与C端之间有数个α-螺旋，这样的结构有利于酪氨酸酶形成活性中心，我们分析Cu离子位于这个活性中心处。Zn离子能够通过不与底物结合的方式抑制酶活性。

3 黑色素合成相关通路的研究

黑素细胞是人体表皮基底层中产生黑色素的细胞。哺乳动物黑色素的合成在不同生长阶段均受到调控。主要是通过有关信号通路调节基因的表达，包括TYR、TRP-1、TRP-2这些信号通路的起始由各种激素诱发。有3条最重要的抑制黑色素形成的信号通路：cAMP信号通路、Wnt信号通路以及ERK信号通路。

α-促黑色素激素（α-MSH）是来源于阿片-促黑素细胞皮质激素元（POMC）的一种多肽，通过cAMP依赖的信号通路来调节黑色素的合成。当α-MSH与黑色素细胞膜上的肾上腺皮质受体结合后，通过G蛋白偶联受体会激活腺苷酸环化酶产生cAMP，其随后激活PKA，后者通过环磷腺苷效应元件结合蛋白的磷酸化，从而激活MITF基因的表达，最后，MITF有效激活与黑色素形成相关的蛋白的表达，最终促进黑色素的形成。Wnt信号通路中Wnts是一类富含半胱氨酸的分泌性糖蛋白，在胚胎发育中起重要作用。该通路起始于Wnt与卷曲蛋白的结合，通过靶向调控MITF基因的表达来调节黑色素的形成。在缺乏Wnt信号通路的细胞中，β链蛋白是由糖原合成酶-3磷酸化，而磷酸化的β链蛋白由泛素连接符合体识别，通过泛素依赖途径使β链蛋白降解。

4 结论

系统进化树中人类酪氨酸酶的一级结构具有高相似度的其他物种酪氨酸酶分别为东非狒狒、大鼠、猕猴、小鼠；高级结构预测中人类酪氨酸酶与巨大芽孢杆菌的酪氨酸酶高级结构相似，所以，可以分别从一级和高级结构分别研究对应的低级物质酪氨酸酶性质，设计初步抑制分子最后使用到人类身上。酪氨酸酶的N端与C端分别有1个β-折叠，N端与C端之间有数个α-螺旋，这样的结构有利于酪氨酸酶形成活性中心，Cu离子位于这个活性中心处，可以利用适当的封闭剂封闭铜离子；Zn2+能阻止蛋白质活性但不抑制底物结合。MAPk通路是细胞外信号引起细胞生理反应的共同途径，JNK通路则可以通过降低cAMP应答元件结合蛋白的结合来抑制酪氨酸酶的合成。

［1］陈清西，宋康康.酪氨酸酶的研究进展［J］.厦门大学学报（自然科学版），2006（05）.

［2］穆燕，李琳，董方圆，等.对甲氧基肉桂酸对酪氨酸酶的抑制机理［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2012（12）.

［3］邓观杰，刘有停，凌沛学.丹皮复方提取液美白功效研究［J］.药学研究，2016（05）.

〔编辑：张思楠〕

S917.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.118

2095-6835（2017）13-0118-02

熊东彦，就读于东北农业大学生命科学学院，研究方向为生物信息学。