CN114989254B - 一种多肽及其设计方法和在制备抑制具核梭杆菌产品或预防结直肠癌药物中的应用 - Google Patents
一种多肽及其设计方法和在制备抑制具核梭杆菌产品或预防结直肠癌药物中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多肽及其设计方法和在制备抑制具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum，简称F.nucleatum)产品或预防结直肠癌药物中的应用，涉及多肽领域。多肽包括有疏水基氨基酸和带电荷氨基酸，所述多肽的氨基酸序列分布为对称性结构。本申请获得的多肽以天然氨基酸残基为基本成分，具有固有的生物相容性和生物降解性，可以特异性杀灭F.nucleatum，而对其他细菌具有较低的抗菌活性，不具有抗生素杀灭正常菌群的副作用。因此，多肽可以用来长期限制体内F.nucleatum的载量，进而实现对多种F.nucleatum相关疾病的治疗和预防；同时具有杀菌速率快、无残留、无污染、分子组成高度灵活、免疫原性低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及多肽领域，尤其涉及一种多肽及其设计方法和在制备抑制具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum，简称F.nucleatum)产品或预防结直肠癌药物中的应用。
背景技术
F.nucleatum主要存在于人类口腔中，是一种人类的有害共栖菌，直接参与急、慢性牙周炎、牙龈炎、根管感染等口腔疾病。F.nucleatum还被发现与一系列疾病相关，包括结直肠癌、炎症性肠病、阑尾炎等肠道疾病，以及呼吸道感染、不良妊娠后果、心血管疾病、脑动脉瘤、类风湿性关节炎，阿兹海默症等疾病。
虽然F.nucleatum可被广谱抗生素杀灭，急性F.nucleatum感染可被抗生素治愈，但是抗生素具有杀灭正常菌群的副作用，因此不能长期使用。一旦停用抗生素，F.nucleatum作为人类的共栖菌，极易在人类体内重新恢复到一个较高的载量，进而增加急、慢性感染复发的风险，以及促进上述F.nucleatum相关疾病的发生发展。
因此，急需对人体正常菌群无害、可以杀灭F.nucleatum的制剂，用以长期限制体内F.nucleatum的载量，进而实现对上述多种疾病的治疗和预防。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明针对F.nucleatum，提供了一种氨基酸序列呈对称性分布、且包含疏水性氨基酸和带电荷氨基酸的多肽。所述多肽中的一些版本对F.nucleatum具有抗菌活性，其中的一些版本更是具有针对F.nucleatum的特异性杀菌作用。由于所述多肽针对F.nucleatum的特异性杀菌作用，且不会杀伤宿主正常菌群，所述多肽可被用于降低宿主体内的F.nucleatum载量，从而治疗或长期预防F.nucleatum相关疾病。
本发明目的之一：提供了一种多肽，所述多肽包括有疏水基氨基酸和带电荷氨基酸，所述多肽的氨基酸序列分布为对称性结构。
作为优选方案，所述多肽的氨基酸序列呈对称性分布在以脯氨酸和甘氨酸为中心的两侧，脯氨酸和甘氨酸提供β-转角，使多肽获得β-折叠结构。
作为优选方案，所述多肽的总电荷区间为0至+8。
作为优选方案，所述带电荷氨基酸包括带正电荷氨基酸和/或带负电荷氨基酸，所述带负电荷氨基酸为谷氨酸和/或天冬氨酸，所述带正电荷氨基酸为组氨酸、赖氨酸和精氨酸中的至少一种。
作为优选方案，相邻两个带同种电荷的带电荷氨基酸间隔排列设置有一个及以上带不同或不带电荷的氨基酸。
作为优选方案，所述疏水性氨基酸为色氨酸。
作为优选方案，所述疏水性氨基酸比例区间为40％-50％。
作为优选方案，所述多肽的总长度区间为10至20个氨基酸。
作为优选方案，所述多肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ IDNO.3、SEQ ID NO.4、SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7、SEQ ID NO.8、SEQ ID NO.9、SEQ ID NO.10、SEQ ID NO.11或SEQ ID NO.12所示。
本发明目的之二：一种多肽的设计方法，包括以下步骤：
(1)固定疏水基氨基酸的种类和含量，设计氨基酸分布为对称性结构，挑选带电荷氨基酸的种类和含量；
(2)采用固相化学合成法通过多肽合成仪获得肽树脂，再经过TFA切割后，获得多肽。
本发明目的之三：一种多肽在制备抑制具核梭杆菌产品或预防结直肠癌药物中的应用。
作为优选方案，所述多肽包括氨基酸序列如SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7、SEQ IDNO.8、SEQ ID NO.9、SEQ ID NO.10、SEQ ID NO.11和SEQ ID NO.12所示中的一种或多种多肽，其对具核梭杆菌具有抑菌的作用，杀菌机制是通过破坏F.nucleatum的细胞壁实现的。
作为优选方案，所述多肽包括氨基酸序列如SEQ ID NO.8和/或SEQ ID NO.11所示的多肽，其具有针对F.nucleatum的特异性抗菌活性，即对除F.nucleatum之外的测试菌不具有或只具有较低的抗菌活性。
作为优选方案，当所述多肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.8或SEQ ID NO.11所示时，所述多肽的用药剂量为20mg/kg，用药对象为小鼠。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
目前在临床实践中，针对F.nucleatum感染的治疗主要依靠抗生素。然而，抗生素具有杀灭正常菌群的副作用，因此不能长期使用。一旦停用抗生素，F.nucleatum作为人类的共栖菌，极易在人类体内重新恢复到一个较高的载量，进而增加急、慢性感染复发的风险，以及促进各种F.nucleatum相关疾病的发生发展。本发明针对F.nucleatum，提供了一种多肽，可以特异性杀灭F.nucleatum，而对其他细菌具有较低的抗菌活性，不具有抗生素杀灭正常菌群的副作用。因此，所述多肽可以用来长期限制体内F.nucleatum的载量，进而实现对多种F.nucleatum相关疾病的治疗和预防。
附图说明
图1：为本发明实施例一中获得多肽P1的电喷雾质谱结果；
图2：为本发明实施例一中获得多肽P2的电喷雾质谱结果；
图3：为本发明实施例一中获得多肽P3的电喷雾质谱结果；
图4：为本发明实施例一中获得多肽P4的电喷雾质谱结果；
图5：为本发明实施例一中获得多肽P5的电喷雾质谱结果；
图6：为本发明实施例一中获得多肽P6的电喷雾质谱结果；
图7：为本发明实施例一中获得多肽P7的电喷雾质谱结果；
图8：为本发明实施例一中获得多肽P8的电喷雾质谱结果；
图9：为本发明实施例一中获得多肽P9的电喷雾质谱结果；
图10：为本发明实施例一中获得多肽P10的电喷雾质谱结果；
图11：为本发明实施例一中获得多肽P11的电喷雾质谱结果；
图12：为本发明实施例一中获得多肽P12的电喷雾质谱结果；
图13：为本发明抗菌肽P1的化学分子式结构；
图14：为本发明抗菌肽P2的化学分子式结构；
图15：为本发明抗菌肽P3的化学分子式结构；
图16：为本发明抗菌肽P4的化学分子式结构；
图17：为本发明抗菌肽P5的化学分子式结构；
图18：为本发明抗菌肽P6的化学分子式结构；
图19：为本发明抗菌肽P7的化学分子式结构；
图20：为本发明抗菌肽P8的化学分子式结构；
图21：为本发明抗菌肽P9的化学分子式结构；
图22：为本发明抗菌肽P10的化学分子式结构；
图23：为本发明抗菌肽P11的化学分子式结构；
图24：为本发明抗菌肽P12的化学分子式结构；
图25：为本发明实施例三中经多肽P7-P12处理及空白组(Mock)的F.nucleatum的透视电子显微镜图像结果；
图26：为本发明实施例四中多肽P7-P12的动态光散射检测结果；
图27：为本发明实施例五中多肽P8和P11处理F.nucleatum动物试验流程示意图；
图28：为本发明实施例五中小鼠的肿瘤数(左)及肿瘤大小(右)统计数据结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
多肽P1-P12的设计与制备：
设计方面，本发明通过设计氨基酸分布为对称性结构以提高抗菌特异性，作为优选方案，以脯氨酸(P)及甘氨酸(G)作为中心，提供β-转角，使多肽获得β-折叠结构。另外，本发明采用了疏水氨基酸，以增加该多肽的自组装潜力；作为优选方案，疏水氨基酸选用色氨酸(W)；作为优选方案，疏水氨基酸比例设计为40-44％。同时，本发明采用了带电荷氨基酸，对多肽的总电荷进行调节，以调控多肽与目标微生物之间的相互作用力；作为优选方案，多肽的总电荷区间设计为0至+8；作为优选方案，带电荷氨基酸设计为间隔排列，相邻两个带同种电荷的带电荷氨基酸间隔排列设置有一个及以上带不同或不带电荷的氨基酸。作为优选方案，多肽总长度区间设计为10至20个氨基酸。作为优选方案，多肽P1-P12的氨基酸序列与各项理化参数如表1所示。
表1-多肽P1-P12的序列及各项理化参数
制备方面，本申请采用固相化学合成法依次合成多肽P1-P12，多肽P1如SEQ IDNO.1所示，多肽P2如SEQ ID NO.2所示，多肽P3如SEQ ID NO.3所示，多肽P4如SEQ ID NO.4所示，多肽P5如SEQ ID NO.5所示，多肽P6如SEQ ID NO.6所示，多肽P7如SEQ ID NO.7所示，多肽P8如SEQ ID NO.8所示，多肽P9如SEQ ID NO.9所示，多肽P10如SEQ ID NO.10所示，多肽P11如SEQ ID NO.11所示，多肽P12如SEQ ID NO.12所示，固相化学合成法包括以下步骤：
1、按照多肽的氨基酸序列从C端到N端逐一进行，通过多肽合成仪来完成，首先将Fmoc-X(X是每个多肽的C端第一个氨基酸)接入到Wang树脂，然后脱去Fmoc基团后得到X-Wang树脂；再将Fmoc-Y-Trt-OH(9-芴甲氧羧基-三甲基-Y，Y为每个抗菌肽C端第二个氨基酸)；按照这个程序依次从C端合成到N端，直至合成完毕，得到脱去Fmoc基团的侧链保护的肽树脂；
2、在上述得到的肽树脂中，加入切割试剂，20℃避光下反应2h，过滤；沉淀TFA(三氟乙酸)洗涤，将洗液与上述滤液混合，旋转蒸发仪浓缩，再加入10倍左右体积的预冷无水乙醚，-20℃沉淀3h，析出白色粉末物，以2500g离心10min，收集沉淀，再用无水乙醚洗涤沉淀，真空干燥，得到多肽，其中切割试剂由TFA、水和TIS(三异丙基氯硅烷)按照质量比95:2.5:2.5混合而成；
3、使用0.2mol/L硫酸钠(磷酸调节至pH7.5)进行柱平衡30min，用90％乙腈水溶液溶解多肽，过滤，C18反相常压柱，采用梯度洗脱(洗脱剂为甲醇和硫酸钠水溶液按照体积比为30:70～70:30混合)，流速为1mL/min，检测波为220nm，收集主峰，冻干；再利用反相C18柱进一步纯化，洗脱液A为0.1％TFA/水溶液；洗脱液B为0.1％TFA/乙腈溶液，洗脱浓度为25％B～40％B，洗脱时间为12min，流速为1mL/min，再同上收集主峰，冻干；
4、多肽的鉴定：将上述得到的多肽经过电喷雾质谱法分析，结果如图1-12所示，多肽P1-P12的纯度均大于95％，多肽P1-P12的化学结构式如图13-24所示。
实施例二
多肽P1-P12体外抗菌活性的测定：
1、抗菌活性的测定：
A、将多肽配置成为一定储存液以备使用，利用微量肉汤稀释法测定抗多肽P1-P12的最小抑菌浓度，以0.01％乙酸(含0.2％BSA)作为稀释液，使用二倍稀释法依次配置系列梯度的抗菌肽溶液；
B、取上述储备多肽溶液100μL置于96孔细胞培养板中，然后分别添加等体积的待测菌液(约105个/mL)于各孔中，分别设置阳性对照(含有菌液而不含有多肽)和阴性对照(既不含菌液也不含多肽)，待测菌种包括大肠杆菌(Escherichia coli)Nissile 1917、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)H1、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)PAO1、具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)25586、具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)10953、单形拟杆菌(Bifidobacterium uniformis)6597、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)6075、长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)6194、鼠李糖乳杆菌(Lactobacillusrhamnosus)6141、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)H94；
C、将培养板置于37℃恒温培养20h，以肉眼未见孔底部有混浊现象的即为最小抑菌浓度，结果如表2所示。
表2-多肽P1-P12的最小抑菌浓度
通过表2可以看出，多肽P6-P12对F.nucleatum具有抗菌活性(最小抑菌浓度小于或等于64uM)，因此，多肽P6-P12可被称为抗菌肽。值得制出的是，多肽P8和P11，对F.nucleatum具有非常强的抗菌活性(最小抑菌浓度只需4或8μM)，而对其它菌的抗菌活性较弱，具有明显的杀菌特异性。因此，多肽P8和P11可被称为针对F.nucleatum的特异性抗菌肽。
实施例三
多肽P7-P12抗菌机制的测定：
A、将处于对数生长期的F.nucleatum 25586菌体在1000g条件下离心5min，并用无菌PBS反复冲洗3遍，重悬至OD600＝0.2；
B、将多肽样品加入40ml以上准备的菌液中，且保证其终浓度达到1×MIC(最低抑菌浓度)，37℃条件下置于摇床孵育1h；
C、将孵育后的菌液5000g条件下离心5min收集菌体细胞，PBS冲洗三遍后，吸干缓冲液并立刻向菌体沉淀中加入500μL 2.5％戊二醛将菌体重悬，4℃避光过夜；
D、将经过前固定过夜的样品离心收集沉淀，随后用无菌PBS冲洗3遍以出去残余前固定液，加入锇酸进行后固定，60-120min后再将样品离心收集沉淀(因锇酸为生物安全限制试剂，去除的锇酸固定液要小心回收处理)，并用无菌PBS冲洗3遍以除去残余后固定液，继续用梯度乙醇溶液依次处理8-10分钟梯度脱水，随后用100％乙醇、乙醇和丙酮(1:1)混合溶液、100％叔丁醇依次分别置换10min，置换后加入丙酮和树脂(1：1)混合液处理30min，然后再用纯树脂包埋，过夜；
E、用醋酸铀和柠檬酸铅对样品染色后，制作超薄切片，最后用透射电子显微镜观察菌体膜及内部结构变化，结果如图13所示。
如图25中结果显示，经多肽P7-P12处理后的F.nucleatum细胞出现明显空洞，质壁分离，细胞膜破裂；而未经处理的细胞饱满，细胞壁结构完整。该结果表示，多肽P7-P12作用于F.nucleatum细胞壁，可使细胞膜破裂从而实现杀菌。
实施例四
多肽P7-P12自组装性的测定：
P7-P12的自组装能力用动态光散射检测：溶解多肽粉末，并将待测多肽稀释至32μM，超声15分钟后放入样品瓶。静置1小时后，将样品瓶插入样品瓶支架后，需等待10-15分钟，使样品的温度和热浴相同，随后进行检测，如图26。结果显示，多肽P7-P12可以形成自组装结构，线度约为100-1000nm这两个数量级。其中多肽P8与P11的线度超过1000nm。
实施例五
多肽P8与P11体内活性的测定：
A、为验证F.nucleatum特异性抗菌肽在体内对F.nucleatum的抗菌作用，尤其是对F.nucleatum所致疾病的预防作用，本实施例使用了结直肠癌动物模型——C57BL APCmin小鼠F.nucleatum诱导成瘤模型，如图27所示：选取C57BL APCmin小鼠，每周灌胃小鼠F.nucleatum 25586三次作为F.nucleatum灌胃组，对照组每周灌胃等量PBS(PBS灌胃组)，第一周开始灌胃的第二天用2.5％硫酸葡聚糖钠盐(Dextran sulfate，DSS)连续处理三天，以提高F.nucleatum定植；
B、在第6周开始对小鼠进行抗菌肽P8或P11灌胃治疗，对照组进行纯水灌胃。每天每只灌胃20mg/kg，连续灌胃7天，随后安乐死小鼠，记录统计肿瘤数及其大小，结果如图28所示。
如图28所示，经抗菌肽P8和P11灌胃治疗后的F.nucleatum灌胃组小鼠(Fn+P8和Fn+P11),相对于纯水灌胃后的F.nucleatum灌胃组小鼠(Fn+H2O)，其肿瘤数相对较少，肿瘤直径较小；且肿瘤数量、肿瘤直径菌减少到了未经F.nucleatum灌胃的PBS灌胃组的程度。该实验结果表明，抗菌肽P8和P11的治疗对F.nucleatum诱导的结直肠癌具有预防作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 中山大学
<120> 一种靶向抗菌肽和设计方法及其在制备抑制具核梭杆菌产品中的应用
<160> 12
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 10
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<220>
<223> P1
<400> 1
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1 5 10
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<212> PRT
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<220>
<223> P2
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1 5 10 15
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<210> 3
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<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<220>
<223> P3
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<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<220>
<223> P4
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<212> PRT
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<220>
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Trp Asp Trp Arg Trp Asp Trp Arg Pro Gly Arg Trp Asp Trp Arg Trp
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<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<220>
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<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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<220>
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<212> PRT
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<220>
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<400> 12
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1 5 10 15
Arg Trp Lys Trp
20
Claims (9)
1.一种多肽，其特征在于，所述多肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.8、SEQ ID NO.10或SEQID NO.11所示。
2.一种如权利要求1所述的多肽在制备抑制具核梭杆菌产品或预防结直肠癌药物中的应用，其特征在于，所述多肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.8或SEQ ID NO.11所示。
3. 一种如权利要求1所述的多肽在制备抑制具核梭杆菌产品中的应用，其特征在于，所述多肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.10所示。
4.一种如权利要求1所述的多肽的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）所述多肽包括有疏水基氨基酸和带电荷氨基酸，固定疏水基氨基酸的种类和含量，设计氨基酸分布为对称性结构，脯氨酸和甘氨酸提供β-转角，使多肽获得β-折叠结构，挑选带电荷氨基酸的种类和含量，相邻两个带同种电荷的带电荷氨基酸间隔排列设置有一个及以上带不同或不带电荷的氨基酸；
（2）采用固相化学合成法通过多肽合成仪获得肽树脂，再经过TFA切割后，获得多肽。
5.如权利要求4所述的一种多肽的设计方法，其特征在于，所述多肽的氨基酸序列呈对称性分布在以脯氨酸和甘氨酸为中心的两侧。
6.如权利要求4所述的一种多肽的设计方法，其特征在于，所述多肽的总电荷区间为0至+8。
7.如权利要求4所述的一种多肽的设计方法，其特征在于，所述带电荷氨基酸包括带正电荷氨基酸和/或带负电荷氨基酸，所述带负电荷氨基酸为谷氨酸和/或天冬氨酸，所述带正电荷氨基酸为组氨酸、赖氨酸和精氨酸中的至少一种。
8.如权利要求4所述的一种多肽的设计方法，其特征在于，所述疏水基氨基酸比例区间为40%-50%，所述疏水基氨基酸为色氨酸。
9.如权利要求4所述的一种多肽的设计方法，其特征在于，所述多肽的总长度区间为10-20个氨基酸。
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