食源二肽基肽酶IV抑制剂的研究进展

赵 蕊，姚鑫淼，周 野，管立军，张英蕾，李哲滨，沈卉芳，崔怡娟，卢淑雯*

（黑龙江省农业科学院食品加工研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

糖尿病是一种危害性很大的代谢类疾病，其特征是由于体内无法分泌胰岛素（I型糖尿病）或出现胰岛素抗性（II型糖尿病）而造成血糖调节异常。据国际糖尿病联合会在2015年估测，世界范围内约有8.8%的成人（20～79 岁）患有糖尿病，预计到2050年，世界人口的10.4%将罹患糖尿病[1]。II型糖尿病是发病率最高的糖尿病类型，约占发病人数的91%[1]。治疗II型糖尿病需要提高体内胰岛素的水平，直接注射胰岛素或通过药剂提高胰岛素的分泌、改善胰岛素敏感性、延缓肠道对碳水化合物的吸收和/或提高对葡萄糖的排除等方式都可以达到有效治疗II型糖尿病的目的[2]。DPP-IV抑制剂是一种胰岛素分泌促进剂，通过抑制DPP-IV对肠促胰岛素胰高血糖素样肽-1和葡萄糖抑制多肽的降解，从而提高餐后胰岛素的水平[3]。然而，人工合成的DPP-IV抑制剂常会引发比较严重的副反应，如头疼、腹泻、尿路感染、上呼吸道感染、荨麻疹等，还会增加肾脏的负担[4]。

有研究报道摄食特定的食物或食物成分与糖尿病发病率之间存在一定的相关性[5-6]，膳食可对II型糖尿病的防治起到重要的作用，机制之一就是食物组分具备抑制DPP-IV的能力。食物蛋白经过胃肠道消化、体外酶解或特定的食品加工可释放出肽片段，研究证实某些肽片段具有抑制DPP-IV的功能。与传统的药物相比，由食源蛋白制备的DPP-IV抑制剂的毒性和副作用都很小[7]。膳食组分可能用作功能食品的配料以辅助调节血糖，这一发现在学术界备受关注，食源DPP-IV抑制肽的制备和鉴定成为研究热点。

本综述首先探讨食源DPP-IV抑制肽的获得方式、研究流程、分子描述和抑制机制；然后评定生物信息学方法在DPP-IV抑制肽领域的应用及其局限性；最后，针对DPP-IV抑制肽最终要应用于人体所需要的进一步研究提出展望。

1 DPP-IV抑制肽的获得方式

酶解、发酵和特定的食品加工都可以产生DPP-IV抑制肽。尽管有报道称完整的蛋白经消化道消化后可能有DPP-IV抑制肽生成[8]，但由于食物组分的复杂性使蛋白在消化过程中不能按照最优方式释放出DPP-IV抑制肽，且消化得到的DPP-IV抑制肽可能在胃肠道条件下不稳定或无法穿越消化道屏障，导致其生物可利用性低[9]。因此，有必要针对性地水解食物蛋白制备DPP-IV抑制肽，以便于其更好地在体内发挥作用。酶解是制备DPP-IV抑制肽的最常用方法，目前大多数DPP-IV抑制肽都是用特定的蛋白酶水解食物蛋白制备而成的[10]。与其他的方法相比，酶解有环保、高效、可控的优势，通过控制酶解的条件，可以使DPP-IV抑制肽的制备达到最优效果。

此外，微生物发酵或特定的食品加工也可以获得DPP-IV抑制肽。发酵制品纳豆具有明显的DPP-IV抑制活性，纳豆中分离到的Lys-Leu有很强的抑制DPP-IV活性的潜能（半抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值达（41.40±2.68）μg/mL）[11]。某些乳杆菌在生长过程中会分泌出抑制DPP-IV活性的物质，将分泌性上清液经过胰蛋白酶处理后，十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳显示某些蛋白发生降解，其DPP-IV抑制能力也显著增强，说明乳杆菌分泌的DPP-IV抑制组分是肽[12]。西班牙干腌火腿在制作过程中没有使用蛋白酶，但在其水溶性提取物中也检测到DPP-IV抑制活性，IC50值达0.69 mg/mL，这可能是内源蛋白酶作用的结果[13]。

2 DPP-IV抑制肽研究的常规流程

有关DPP-IV抑制肽的研究一般按照以下流程进行[9-10]：1）选择合适的蛋白底物和酶；2）对蛋白进行酶解；3）体外活性分析；4）富集/分离；5）DPP-IV抑制肽的鉴定；6）用合成的肽验证其DPP-IV抑制效能；7）阐述其抑制机制；8）细胞及动物实验的验证。

2.1 食物蛋白水解物的制备

多种食物都可以作为制备DPP-IV抑制肽的原料来源。乳是研究最为广泛的蛋白质来源，体外研究表明，牛乳酪蛋白、牛乳乳清蛋白、牦牛乳、骆驼乳等经酶解后的水解物具有抑制DPP-IV的活性[1,3,9,15-16]。鱼和哺乳动物皮肤中的明胶富含脯氨酸（Pro），其水解物有DPP-IV抑制活性[17-19]。此外，豆类、藜麦、燕麦、苋菜、麻等植物也是很好的制备DPP-IV抑制肽的蛋白质来源[20-23]。

多种蛋白酶都可用来从膳食蛋白中制备DPP-IV抑制肽，包括动物来源（如胃蛋白酶、胰蛋白酶）、植物来源（如木瓜蛋白酶）及微生物来源的酶（如碱性蛋白酶、中性蛋白酶、风味酶、嗜热菌蛋白酶）。选择蛋白酶时需要考虑到酶的主要活性或文献中关于该酶释放出特定生物活性肽潜能的报道。通常情况下，使用一种蛋白酶即可有效地释放出DPP-IV抑制肽，然而单一种类蛋白酶的水解程度通常比较低。由于肽的生物活性依赖于肽的大小、氨基酸组成，因此水解度与水解物的功能性密切相关[24]。使用双酶解会一定程度上提高水解度，但要避免过度水解导致释放出不具备生物活性的肽[7]。在确定水解底物和蛋白酶后，需要考虑影响酶解的条件（pH值、温度、时间、酶的添加量、蛋白底物的含量等），应用实验设计和响应面法对水解条件进行优化。

2.2 体外评估生物活性

体外评估DPP-IV抑制活性的方法主要有两种，一是荧光法，其原理是DPP-IV从多肽的N端裂解释放出有荧光性的X-Pro二肽，利用荧光酶标仪测定加入/不加入样品体系的吸光度（λex＝360 nm/λem＝460 nm），可以计算出水解物对DPP-IV的抑制程度；另一种方法的原理是DPP-IV水解生色底物Gly-Pro-pNA，在405 nm波长处可以对产物进行定量。同样，通过比较加入受试样品之后体系吸光度的变化，计算出水解物对DPP-IV的抑制程度。DPP-IV抑制肽抑制活性如表1所示。

表1 有体外DPP-IV抑制活性的食源蛋白水解物的IC50Table 1 Half maximal inhibitory concentration (IC50) of food proteinderived hydrolysates with DPP-IV inhibitory activity

然而某些实验条件可以影响到体外抑制活性的测定结果，如试剂的浓度——包括酶、底物、水解物的浓度等，都会对实验结果带来影响。此外，试剂的纯度、来源、反应体系pH值以及温度也对结果有影响[10]。因此不同实验条件下测定的DPP-IV抑制活性之间缺少可比性，此外，表征抑制潜能的IC50值也依赖于测定条件。据报道，当反应体系中的血管紧张素转化酶从155 U/L增加至221.15 U/L时，阳性对照物甲巯丙脯酸的表观IC50值从9.10 nmol/L升至39.40 nmol/L，用乳清蛋白水解物进行的实验也得到相似的结果[10]。因此有必要将测定方法进行标准化，以便于不同研究结果之间进行比较。

2.3 生物活性肽的分离

蛋白质经酶解后，反应体系中含有大量不同长度、不同序列的肽及游离氨基酸，对水解物进行分离可以减少体系组成的复杂性，便于后续肽的鉴定。依据不同肽在分子质量、疏水性或电荷上的差异，可以对蛋白水解物进行分级分离，比如超滤、高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）等。分级分离的过程可对有效成分进行富集，除去活性低的组分，同时降低复杂体系中由于肽-肽之间疏水/静电相互作用对整体活性的不利影响[10,31]。

2.4 肽的鉴定

测定分级分离获得的各个组分的DPP-IV抑制活性，选取抑制活性最高的组分进行肽的鉴定。一般采用前端分离技术与质谱联合的方法，如HPLC-质谱（mass spectrometry，MS）、HPLC-串联质谱（tandem mass spectrometry，MS/MS）、基质辅助激光解吸电离飞行时间（matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight，MALDI-TOF）MS、带有电喷雾电离（electrospray ionization，ESI）的四极杆-飞行时间（quadrupole time-of-flight，QTOF）-MS[9,32]。大多数MS对含5 个氨基酸以上的肽可进行精确鉴定，但对含2～4 个氨基酸的小肽的鉴定却精度不足[10]。要精确测定分离鉴定肽的DPP-IV抑制能力，需要按照肽的氨基酸序列进行人工合成，并利用体外实验评估其生物学特性。表2列举了部分已得到鉴定的肽的DPP-IV抑制潜能。这些DPP-IV抑制肽由2～11 个氨基酸组成，值得注意的是，氨基酸位点较多的肽在通过消化道时有被降解的可能[28]。虽然这些DPP-IV抑制肽的DPP-IV抑制能力明显高于未经富集/纯化的水解物，但相比于化学合成的DPP-IV抑制剂明显要差许多，如西他列汀的IC50值仅为0.000 036 mg/mL（约为88 nmol/L）[16]。

表2 已鉴定的DPP-IV抑制肽序列的抑制潜能Table 2 Inhibitory potential of identififi ed DPP-IV inhibitory peptides

2.5 体内研究

肽在人体内的吸收、分布、代谢、分泌等过程可能导致其在人体内的生物利用性及稳定性差，因此生物活性肽的体外分析结果与体内活性之间的相关性存有争论[40]。此外，体外分析中使用的酶浓度可能与体内不符，这对评定肽的生物活性也有影响[39]。因此，在食源肽正式用于人体之前有必要进行体内实验，以验证其在人体内的作用效果。

很多研究都报道了DPP-IV抑制肽在体外实验条件下的抑制效能（IC50），有些研究进一步通过模拟消化来考察DPP-IV抑制肽通过消化道的稳定性[20-22,38]。相比之下，只有少数关乎DPP-IV抑制肽在动物或细胞实验中的效果（表3）。典型的体内实验采用糖尿病模型鼠，即在实验鼠服用受试蛋白水解物以后，进行葡萄糖耐受实验或测定鼠血浆中的DPP-IV活性。研究结果表明，在体外具有DPP-IV抑制活性的食源肽有助于调节血液葡萄糖水平，在某些条件下这些动物中DPP-IV活性更低。然而，有关DPP-IV抑制肽在人体中的作用鲜有相关报道。

3 具有体外DPP-IV抑制活性的食源组分的细胞及体内研究Table 3 Cellular and in vivo studies of food-derived constituents with in vitro DPP-IV inhibitory activity

3 DPP-IV抑制肽的结构特征及抑制机制

针对DPP-IV抑制肽进行的定量结构-活性关系的研究表明，特定的氨基酸序列是决定DPP-IV抑制活性大小的首要因素。而肽的不同生化特性，包括链长、等电点、疏水性、净电荷与其DPP-IV抑制活性相关性不显著[46]。IC50小于100 μmol/L的DPP-IV抑制二肽通常在其N端有Trp/Thr/Met，在C端有Ala/Leu/His。尽管N端位点似乎对二肽抑制DPP-IV能力影响最大，但C端氨基酸对其潜能也有影响，这可能由于两个位点都参与到肽与酶的相互作用[33]。三肽的情况有所不同，在第1、2、3个位点的氨基酸通常分别是Ile/Gln/Leu/Ser/Val、Pro和Gln/Ala/Ile/Leu/Gly/Met/Phe。含有4 个以上氨基酸的肽通常在第1、2、3个氨基酸位置是Leu/Gly/Ile、Pro/Leu/Lys和Ala/Val/Gly/Pro，在C端是Pro/Leu/Arg[1,33,47-48]。DPP-IV抑制肽通常具有高比例的疏水性氨基酸，这些疏水性氨基酸可能会加强与DPP-IV活性位点的相互作用[1]。实际上在DPP-IV的S1亚基有疏水口袋，在肽对DPP-IV抑制上起到关键作用[1]。

体外动力学分析及分子对接模型用来研究肽与DPP-IV之间的相互作用。DPP-IV抑制肽对DPP-IV的抑制方式包括竞争性、非竞争性、反竞争性及混合型，因此，DPP-IV抑制肽可能在酶的活性位点和/或催化中心以外发挥其性能[49]。大多数第一个氨基酸位点是Pro的食源DPP-IV抑制肽是通过竞争性方式作用的。已知DPP-IV优先作用于倒数第二个氨基酸位点是Pro的底物或其他小的不带电荷的氨基酸，如Ser和Ala。DiprotinA是DPP-IV的竞争性抑制剂，但实际上是转换率很低的DPP-IV底物，因而有研究人员推测，第一个氨基酸位点是Pro的食源肽，其可能与DPP-IV底物有相似的结构，表现出竞争性抑制作用。另一方面，大多数N端含有Trp的肽表现出非竞争性或反竞争性抑制作用。Trp-Arg-Xaa三肽文库的计算机模型 表明N端Trp侧链与酶疏水性S2口袋内部的Phe357位点相互作用。相似地，含有Trp的二肽Trp-Val结合到酶活性位点附近的次级位点上。值得注意的是，对特定序列的肽的抑制模式，不同的研究团队给出的结果存在分歧，这可能由于酶动力学分析中实验条件的不同，如底物和酶的类型及数据的分析方法不同，如线性与非线性回归模型[49]。

4 生物信息学在DPP-IV抑制肽研究中的应用

以常规的方法研发DPP-IV抑制肽是一个耗时的过程，随着越来越多的蛋白质及生物活性肽的序列已经鉴定，肽组学及蛋白质组的工具不断完善，以计算机为工具的生物信息学被更为广泛地用于评估蛋白质中生物活性肽的释放[7,9,50]。

4.1 酶解情况的预测——肽剪切

NCBI、UniProt和BIOPEP[7,9]等蛋白质数据库提供了不同蛋白质的氨基酸序列，可以用来分析前体蛋白质的氨基酸组成。在确定好蛋白底物和水解酶以后，利用ExPASy Cutter[7]和BIOPEP[9]等在线平台的肽剪切工具，可以根据蛋白质的氨基酸序列及特异蛋白酶的裂解特异性在理论上预测出释放的肽的组成及出现频率[51]，并将预测的结果与文献上报道的序列或专门的生物信息学数据库进行比较。如BIOPEP给出了48 种、总数达3 712 个生物活性肽（2019年1月评估）。许多肽序列可能没有相关活性的报道，但可以利用Peptide Ranker赋予其功能并对肽的生物活性按从0（最不可能）到1（最可能）进行评分[7]。此外，还可以根据数据库或已鉴定DPP-IV抑制肽的序列，计算出DPP-IV抑制肽在特定蛋白质中的存在频率，再结合已知DPP-IV抑制肽的抑制潜能（半最大效应浓度和/或IC50）[10]及蛋白质的氨基酸位点数或分子量，就可以从理论上预测出蛋白质经水解后释放DPP-IV抑制肽的情况[8]。

应用肽剪切工具时需要注意以下几点[7,9]：1）肽剪切工具只考虑到酶的主要酶切位点，然而大多数商品化的酶都是不纯的，在主要活性以外还混有其他酶活性；2）肽剪切工具预测蛋白质水解的一个前提假设就是酶能够以相同的几率断开所有的酶切位点，并最终导致蛋白质完全消化掉，然而实际上，肽键的选择性会受到诸多因素的影响；3）在加工、储存期间仍然可能发生转录后修饰，而这在计算机消化中不会做考虑；4）蛋白的预处理对产生的水解物组成也有影响；5）对于氨基酸序列未知的蛋白质和/或裂解特异性未知的酶无法使用计算机消化工具。

综上，肽剪切工具能够以低廉、有效的方式在理论上进行预测，但其结果必须用实验加以验证。

4.2 计算机虚拟筛选——分子对接

分子对接通过研究肽与酶的活性位点之间的特异性相互作用（即氢键、静电和疏水相互作用），预测出肽与受体的结合模式及其亲和力[39,52]。该技术既可以用作对高效能新型生物活性肽进行虚拟筛选的工具，也可以很好地阐述目标肽与酶的相互作用[53]。

与DPP-IV活性位点结合的抑制剂属于竞争性抑制剂。竞争性抑制剂与DPP-IV的结合涉及蛋白质的一些疏水性亚位点。S1亚位点有一个狭长的结构，可与小的疏水性组分结合。S2亚位点比S1大，通过形成盐键与抑制剂相结合，可以容纳更大的组分[54]。有关DPP-IV竞争性抑制肽的相关报道很多，小球藻经酶解产生两种有DPPIV抑制活性的三肽（VPW和IPR），与DPP-IV进行对接的结果表明VPW和IRP通过氢键、范德华力和疏水相互作用与DPP-IV结合，且VPW与DPP-IV的S1口袋能够很好地匹配、相互作用更为牢靠[39]。菜豆经发芽48 h、再用碱性蛋白酶水解1 h产生的一种DPP-IV抑制肽，分子对接表明其与DPP-IV活性位点的S1、S2和S3口袋相互作用，且结合的稳定性要强于已发表的豌豆肽与DPP-IV的结合结果[21]。此外，也有肽与DPP-IV活性位点以外的位点相结合的报道。结合到DPP-IV活性位点以外的分子通过非竞争性、混合型或反竞争性的模式发挥抑制作用[1]。由苋蛋白制备的较大的肽（12 个以上的氨基酸位点）的分子对接研究表明，这些肽通过防止形成DPP-IV二聚体的活性形式起作用[53]。

尽管分子对接为阐述DPP-IV抑制肽的作用机制起到重要作用，但其应用范围也有明显的局限性[9,53]：1）分子对接只适于竞争性抑制剂的分析，因为分子对接的假设之一就是肽结合到酶或受体的活性位点，因此，在酶活性位点以外的地方与酶结合的肽就无法用分子对接的方法进行预测；2）有些肽虽然是酶的竞争性抑制剂，但与酶结合后可以发生降解，因此不适宜使用分子对接；3）分子对接没有考虑到肽的不稳定性，这对于广泛地使用分子对接作为预测工具来说是一个限制。

4.3 结构-功能分析——定量构效关系

定量构效关系（quantative structual activity relationship，QSAR）建模就是通过数学模型表征分子的生理活性与其理化或结构参数的定量关系，然后将这些定量关系与分子的相应特性做出关联。近来，QSAR建模也用于DPP-IV抑制肽的研究。一项针对乳源DPP-IV抑制肽的QSAR分析中，研究者将不同实验条件下获得的IC50数据及并非是竞争性的DPP-IV抑制剂纳入到QSAR模型中，然后利用该模型对人体在摄食乳及乳制品后消化道内存在的肽的DPP-IV抑制潜质进行预测[35]。结果表明DPP-IV抑制肽N端氨基酸的疏水性与肽DPP-IV抑制潜能呈正相关，这与早期的结构研究结果一致。尽管这种QSAR模型无法精确预测出DPP-IV抑制肽的IC50，然而用QSAR模型计算出的指数通常能够根据DPP-IV抑制潜能对其分级。这项QSAR研究的目的不是要设计出DPP-IV抑制活性更强的肽，而是证实了QSAR可以作为一种工具预判出人体在摄食某种食物后消化道内存在肽的DPP-IV抑制潜能。验证性研究鉴定出与人体摄食乳制品后消化道内存在的、体外DPP-IV抑制潜能较高的DPP-IV抑制肽，如Leu-Pro-Val-Pro-Gln其DPP-IV的IC50值达到（43.8±8.8）μmol/L[50]。将来把更多数量、更大多样性（长度及氨基酸组成）的肽的数据纳入到模型中，将有助于改进QSAR模型对DPP-IV抑制肽的预测能力[1,50]。

利用Q S A R预测肽的生物活性也存在一些局限性[9]：1）纳入到QSAR模型中的数据可能不是在相同实验条件下获得的，如前所述，实验条件对获得的潜能值有非常大的影响；2）建立QSAR模型时应考虑到肽的作用模式，因为只有在相同作用机制的肽之间才能建立起生物学活性与结构之间的关系；3）在预测值与实验值之间常有较大差异。

5 结 语

抑制DPP-IV的活性是防治II型糖尿病的有效途径之一，近来的研究发现某些食源蛋白制备的肽具有DPP-IV抑制活性，因此开发有调控血糖之功效的食源肽制品备受关注。迄今为止，在DPP-IV肽的制备、鉴定、抑制模式及功效关系等方面已经有了相当的积累。然而，从科研以及最终要应用于人体的角度来说，还有许多问题有待解决。1）目前对于DPP-IV抑制肽只有定性的鉴定，而没有定量的报道。要保证这些食源肽在体内发挥功效，首先需要保证其达到一定的浓度，因此，有必要进行DPP-IV抑制肽的定量研究。2）有关DPP-IV抑制肽的研究多停留在体外研究的水平，部分做了模拟消化道消化的实验，只有少数涉及到细胞及动物实验，尚无相关的人体实验的报道。下一步的研究方向就是要获得DPP-IV抑制肽在人体内的生物利用度及生物可给性的信息。3）已报道的DPP-IV抑制肽的抑制潜能都要明显低于药品，因此就目前来看，不适宜将DPP-IV抑制肽作为药品的替代品用于糖尿病的治疗。然而对于糖尿病高危人群，DPP-IV抑制肽有防控的潜力。此外，已有报道称DPP-IV抑制肽对抗糖尿病的药物有辅助治疗的作用，有必要在DPP-IV抑制肽与药物的相互作用方面开展更加深入的研究。4）现有研究侧重于制备高潜能的DPP-IV抑制肽，而对其感官性能往往关注不够。DPP-IV抑制肽若要应用于食品，产品的感官性状就必须加以考虑。研究表明，疏水性氨基酸对DPP-IV抑制肽的抑制活性有重要影响，而疏水性氨基酸的暴露常常会导致苦味的产生。针对性地制备出高活性与低苦味并存的DPP-IV抑制肽也是今后的发展方向。