食品放大镜 2023-06-18 16:06 山东
Free Radical Biology and Medicine: 具有独特三重轴微环境的牡蛎铁蛋白可有效缓解活性氧介导的炎症
活性氧（ROS）是生物体内生理代谢过程中形成的天然副产物，正常水平的ROS在杀死入侵的病原微生物和作为第二信使介导细胞氧化还原信号传导中起着重要作用。然而，过量的ROS会对生物大分子，如核酸、蛋白质等造成不可逆的氧化损伤，进而诱导衰老、凋亡、细胞自噬、炎症等病理现象。体内过量的Fe2+会诱导芬顿（Fenton）反应的发生并将H2O2转化为羟基自由基（•OH），而•OH的过度积累会对红细胞、DNA和细胞膜造成损害。因此通过抑制Fenton反应来降低•OH水平是一种有效调节ROS的方式，同时在抵抗炎症损伤中起着重要作用。铁蛋白（ferritin）是一种广泛存在于植物、动物和微生物中的铁贮藏蛋白，具有调节生物体的代谢和去除二价铁毒性的功能。铁蛋白可以催化过量的Fe2+氧化为Fe3+，并将其储存在内部空腔中，以维持细胞内Fe2+水平。众所周知，Fe2+可以通过铁蛋白的三重轴通道结合到铁氧化酶位点上。理论上，三重轴通道的结构（如电荷分布、静电吸引和斥力等）可能对Fe2+的结和运输有重大影响。因此可以推测，铁蛋白的生物活性与Fe2+的结合速率和结合能力有关，而三重轴通道的三维结构很可能会影响其生物活性。这些研究结果对牡蛎铁蛋白在抑制芬顿反应和炎症损伤等方面具有潜在的应用前景。在国家自然基金重点项目等课题资助下，本研究首次解析了重组牡蛎（Crassostrea gigas）铁储藏蛋白GF1（PDB：6LIJ）和其突变体GF1-G，GF1-K（PDB：6LJG、7DLB）的晶体结构，并在PDB数据库（https://www.rcsb.org/）上注册了三维晶体结构数据。本文基于晶体结构对四种不同铁蛋白（GF1、GF1-G、GF1-K、rHuHF）的三重轴通道进行比较，进一步阐明铁蛋白通道结构与生物活性之间的关系。实验结果证明牡蛎铁蛋白（GF1）可以依靠其高催化活性（重组人源铁蛋白的7.7倍）和高Fe2+结合能力（重组人源铁蛋白的9.1倍）减少Fenton反应的前体，从而抑制Fenton反应的发生，减缓活性氧介导的炎症反应。GF1的上述显著优势可归因于位于其120位的天冬氨酸，它可以将三重轴通道的负电荷面积从37.8 %增加到67.8 %，而三重对称通道附近的静电斥力会显著影响其催化速率。突变体的构建表明，催化速率的增加与氧化活性中心的氨基酸组成无关。同时，牡蛎铁蛋白可以通过Fe2+的高催化速率和高结合能力，减少Fenton反应产生的•OH，从而有效减缓氧化应激与炎症的发生。
图1. 铁蛋白三重轴通道的序列比较及带电性分析。(a) 牡蛎铁蛋白三重轴通道的保守序列分析。(b) 重组人源铁蛋白三重轴通道的保守序列分析。(c) 牡蛎铁蛋白和重组人源铁蛋白氨基酸序列比对。(d) 牡蛎铁蛋白三重轴通道的带电性分析。(e) 重组人源铁蛋白三重轴通道的带电性分析。(f) 牡蛎铁蛋白120位氨基酸的相互作用分析。(g) 重组人源铁蛋白120位氨基酸相互作用分析。
图2. 四种铁蛋白的氧化动力学曲线及Fe2+与四种铁蛋白结合的等温量热滴定分析。(a) GF1、GF1-G、GF1-K和rHuHF中Fe2+生成µ-oxo-di Fe3+的速率分析。(b) 四种铁蛋白的热力学参数。(c) 0.5 mg/mL GF1和1 mM Fe2+的滴定拟合曲线。(d) 0.5 mg/mL GF1-G和0.5 mM Fe2+的滴定拟合曲线。(e) 0.25 mg/mL GF1-K和1 mM Fe2+的滴定拟合曲线。(f) 0.5 mg/mL rHuHF和0.2 mM Fe2+的滴定拟合曲线。
图3. 铁蛋白对大鼠耳部炎症的抑制作用。(a) 炎症抑制实验流程图。(b) 大鼠耳部炎症的构建。(c) PMA诱导和四种铁蛋白处理后的大鼠耳部荧光图像。(d) PMA诱导和四种铁蛋白处理后的大鼠耳部H&E染色切片。(e) PMA诱导和四种铁蛋白处理后的大鼠肝脏，脾脏，肾脏的H&E染色切片。原文链接
https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2023.04.013杜明（duming121@163.com），教授，博士生导师，大连工业大学朱蓓薇院士团队“蛋白质科学与技术”研究方向负责人。国家万人计划科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、2011年教育部新世纪优秀人才支持计划、兴辽计划领军人才（辽宁省特聘教授）、辽宁省优秀专家、省农业创新团队首席、辽宁省“百千万人才工程”(百人层次)、大连市杰出青年科技人才等荣誉称号。兼任中国食品科学技术学会青年委员会委员、中国畜产品加工研究会常务理事、中国农学会农产品贮藏加工分会理事、中国营养学会骨营养与健康专业委员会副主任、辽宁省食品科学技术学会副理事长等职务；学术兼职包括eFood（ISSN: 2666-3066）共同主编、Food Science and Human Wellness、Protein and Peptide Letters、《食品科学》、《食品工业科技》等期刊编委。主要从事的研究领域：（1）食源性蛋白构效关系及活性机制；（2）专用功能性蛋白质配料加工技术；（3）民族特色食品加工及产业化。主持国家十三五重点研发专项项目、国家十四五重点研发专项项目、国家自然科学基金重点项目等科研课题30余项。在Biotechnol. Adv.等期刊以第一或通讯身份发表SCI收录论文80余篇, ESI高被引文章2篇（Food Chemistry等），封面论文2篇（Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food & Function）；主编或参编Springer等出版著作《Mineral Containing Proteins》、《Biologically Active Peptides》等13部，第一发明人授权国家发明专利11。