DE60308994T2 - Verfahren zur extraktion, reinigung und enzymatischen veränderung von soja 7s globulin alpha' untereinheit zur verwendung als hypocholesterol-mischer-wirkstoff - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion, Reinigung und enzymatischen Modifizierung von β-Conglycinin-α'-Untereinheit.
  • Gemäß der Erfindung wird β-Conglycinin selektiv aus zerkleinerter, entfetteter Soja extrahiert, dann durch Behandlung mit wässrigem Ethanol ausgefällt; die angereicherte Fraktion wird dann Metall-Affinitäts-Chromatographie (MAC) bei Denaturierungsbedingungen unterzogen, um die α'-Untereinheit zu erhalten. Die Letztere wird mit Chymotrypsin behandelt, dann einem weiteren Affinitäts-Chromatographie-Schritt unterzogen, um den Amino-terminalen Bereich von diesem Polypeptid (MW 28 000 Da) zu gewinnen.
  • TECHNISCHER HITNTERGRUND
  • Die bekannten Cholesterin senkenden Eigenschaften von Soja und Derivaten davon stehen mit dem Gehalt in Isoflavonen (Kirk et al., 1998) und in Proteinen (Anderson et al., 1995) in Beziehung.
  • Sojaproteine bestehen hauptsächlich aus Glycininen (11S Fraktion) und β-Conglycininen (7S Fraktion), wobei die Letzteren aus drei Untereinheiten, genannt α,α' und β (Thanh und Shibasaki, 1976), bestehen. An Sojaproteinen ausgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass die 7S Fraktion (Lovati et al., 1992, 1996), insbesondere die α'-Untereinheit (Manzoni et al., 1998) in der Lage ist, LDL-Rezeptor zu aktivieren, und deshalb hauptsächlich für die Verminderung von Choleste rinplasmaspiegeln verantwortlich ist. Tatsächlich schließt die Behandlung einer hepatischen Zelllinie mit 7S Globulin den Abbau der α- und α'-Untereinheiten und die Stimulierung von LDL-Rezeptoraktivität ein; wohingegen β-Untereinheiten nicht abgebaut werden und der Rezeptor nicht aktiviert ist. Darüber hinaus sind Sojamutanten, in denen die 7S Fraktion α'-Untereinheit nicht vorliegt, nicht in der Lage, die Rezeptoraktivität, auch bei höheren Konzentrationen zu modifizieren.
  • Als eine Folge von diesen experimentellen Beobachtungen werden Verfahren benötigt, um β-Conglycinin in reiner Form zu erhalten, sowie die α'-Untereinheit wiederzugewinnen und zu reinigen, aus der bestimmte Aminosäuresequenzen anschließend durch enzymatische Behandlung erhalten werden könnten, ohne Peptidsynthese einzusetzen.
  • Das von Than et al. (1975 und 1976) vorgeschlagene und anschließend von O'Keefe et al. (1991) modifizierte Verfahren erlaubt, Glycinine und β-Conglycinine, die auf deren verschiedenen Löslichkeiten bei unterschiedlichem pH-Wert basieren, abzutrennen; jedoch ist Querverunreinigung noch hoch und Gelfiltrations- oder Affinitäts-Chromatographie sind erforderlich, die kostenaufwändig und schwierig im industriellen Maßstab auszuführen sind. Auch die von Nagano et al. (1992) vorgeschlagene Modifizierung ist, obwohl sie eine Erhöhung der Reinheit der Fraktionen ermöglichen, immer noch ein kostspieliges Verfahren, das nur im Labormaßstab verwendet werden kann.
  • Kürzlich haben Wu et al. (1999) ein Verfahren zum Abtrennen von Glycininen und Conglycininen in einem Pilotanlagenmaßstab beschrieben. Glycinine werden durch zwei aufeinander folgende wässrige Extraktionen bei pH 8,5 ausgefällt, gefolgt von der Behandlung des Überstands mit einer 0,98 g/l Bisulfitlösung, während Conglycinine durch Zusetzen von 0,25 M NaCl zu den Mutterlaugen aus der Glycininausfällung ausgefällt werden, und dann Einstellen des pH-Werts auf 4,8. Das Verfah ren erlaubt, hohe Mengen an Ausgangsmaterial zu behandeln, und stellt auch hohe Ausbeute an Protein bereit, jedoch ist die Reinheit der Fraktionen noch unbefriedigend; insbesondere β-Conglycinin unterliegt einem Abbau, scheinbar während der Diafiltration mit Wasser, was eine Behandlung darstellt, die notwendig ist, um den Bisulfitionenüberschuss zu vermindern und Salze zu entfernen.
  • Die vorstehend angeführten Verfahren ergeben nicht nur kein reines β-Conalycinin, sondern regen vor allem eine Trennung und Reinigung der α'-Untereinheit nicht an.
  • Gemäß der Erfindung wird eine an β-Conglycinin angereicherte Feststofffraktion durch Extrahieren von entfetteter zerkleinerter Soja in einem wässrigen Medium gemäß üblichen Verfahren und anschließendem Ausfällen des Überstands mit wässrigem Ethanol hergestellt; wobei die erhaltene Fraktion dann durch Metall-Affinitäts-Chromatographie (MAC) unter Denaturierungsbedingungen gereinigt wird, um die reine α'-Untereinheit zu ergeben, die enzymatischer Behandlung mit Chymotrypsin unterzogen wird, um den Amino-terminalen Bereich zu erhalten, der scheinbar die höchste LDL-Rezeptoraktivierungsaktivität aufweist.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Extraktion, Reinigung und enzymatischen Modifizierung von Soja-β-conglycinin-α'-Untereinheit, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfasst:
    • a) Extraktion von entfetteter zerkleinerter Soja mit einer wässrigen Natriumbisulfitlösung bei leicht saurem pH-Wert, um eine mit β-Conglycinin angereicherte Fraktion löslichen Proteins zu erhalten;
    • b) Ausfällung der β-Conglycininfraktion von Schritt a) durch Behandlung mit Ethanol;
    • c) Reinigung der ausgefällten Fraktion von Schritt b) durch Metall-Affinitäts-Chromatographie (MAC) unter Denaturant-Bedingungen, um die α'-Untereinheit zu isolieren;
    • d) Ausfällung der α'-Untereinheit mit organischen Lösungsmitteln;
    • e) enzymatische Behandlung der α'-Untereinheit von Schritt d) mit einem proteolytischen Enzym und weitere Reinigung durch MAC-Chromatographie.
  • β-Conglycinin wird, wie in 1 gezeigt, angereichert. Das Ausgangsmaterial ist Sojamehl, das durch Entfernen der Lipidfraktion mit Lösungsmitteln entfettet wurde. Das Material wird mit einer wässrigen Natriumbisulfitlösung bei leicht saurem pH-Wert extrahiert. Ein Lösungsvolumen im Bereich von 14- bis 16-fach des Gewichts von dem Ausgangsmaterial, vorzugsweise 14,5- bis 15,5-fach, wird verwendet. Die Bisulfitkonzentration liegt im Bereich von 0,80 bis 1,20 g/l, vorzugsweise 0,90 bis 1,10 g/l, besonders bevorzugt 0,95 bis 1, 05 g/l. Die Extraktion wird für eine Zeit im Bereich von 14 bis 18 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von –2 bis 8°C ausgeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Extraktion 16 Stunden mit 15 Volumen einer 0,98 g/l Bisulfitlösung bei einem pH-Wert von 6,4 bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 4°C ausgeführt.
  • Unter diesen pH- und Temperaturbedingungen ist die Löslichkeit von Glycininen sehr niedrig; deshalb fallen diese zusammen mit anderem unlöslichem Material aus. Der Niederschlag wird durch Zentrifugierung abgetrennt, und die lösliche Fraktion wird mit 35-60 %igem (Volumen/Volumen) wässrigem Ethanol, vorzugsweise 40 %igem wässrigem Ethanol, bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 30°C, vorzugsweise bei Raumtemperatur 25°C, behandelt. Der Überstand wird abzentrifugiert, und der Niederschlag, der hauptsächlich aus β-Conglycinin besteht, wird gefriergetrocknet. Das erhaltene Pulver wird dem anschließenden Schritt (2) unterzogen.
  • Die Auswahl zum Abtrennen und Reinigen der α'-Untereinheit mit Hilfe von MAC (Ostrove und Weiss, 1990) hängt von seiner Fähigkeit ab, Metallionen, wie Zn2+ und Ni2+, zu koordinieren, weil diese Untereinheit einen höheren Histidingehalt als die α- und β-Untereinheiten aufweist (Thanh und Shibasaki, 1978).
  • Eine mit Zink oder Nickel, vorzugsweise Zink, konjugierte Matrix wird verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix aus Iminodiessigsäure-Agarose. Das gefrierbetrocknete Proteinmaterial wird in einem denaturierenden Puffer, der aus 50 mM Tris, 0,5 M NaCl, pH 7,2, besteht, und 5 bis 8 M Harnstoff, vorzugsweise 5 M, enthält, suspendiert. Unter diesen Bedingungen bindet die α'-Untereinheit selektiv an die Matrix, und die α- und β-Untereinheiten können durch Elution mit dem vorstehend genannten Puffer entfernt werden; die α'-Untereinheit wird anschließend mit 0,1 M Imidazol in dem gleichen Puffer oder in destilliertem Wasser eluiert.
  • Die in der α'-Untereinheit angereicherte Proteinfraktion wird gesammelt und mit organischen Lösungsmitteln behandelt, die die Proteine, vorzugsweise mit kaltem Aceton, ausfällen. Aceton wird in einem Volumen im Bereich von 2- bis 5-fach von dem Fraktionsvolumen, vorzugsweise 3 bis 4 Volumen, bei einer Temperatur im Bereich von -10 bis -30°C, vorzugsweise zwischen -15 und -25°C, verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden 3 Volumen Aceton bei -20°C verwendet. Der erhaltene Niederschlag wird durch Zentrifugierung getrennt, in Ethanol, vorzugsweise 95 %igem Ethanol, resuspendiert, weiter zentrifugiert und gefriergetrocknet. Das Lyophilisat enthält 94 % Proteinmaterial und ist 10-fach mehr angereichert in der α'-Untereinheit als das Ausgangsmaterial.
  • Tabelle 1 zeigt die Extraktionsausbeuten an β-Conglycinin und α'-Untereinheit von Sojamehl. Tabelle 1
    Figure 00060001
  • Die Polypeptidfragmente der α'-Untereinheit werden durch Unterziehen des Lyophilisats aus dem vorangehenden Schritt enzymatischer Behandlung mit einem proteolytischen Enzym hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das proteolytische Enzym Chymotrypsin und das erhaltene Fragment besteht hauptsächlich aus dem Amino-terminalen Bereich mit MW 28 000 Da.
  • Das Verfahren ist wie nachstehend: Das Lyophilisat aus dem vorangehenden Schritt wird bei einer Konzentration von 5 mg/ml in 0,2 M NH4HCO3, enthaltend 1,6 M Harnstoff, bei pH im Bereich von 7,5 bis 8,5 gelöst. Chymotrypsin wird in einem Verhältnis von 1:10 bis 1:50, vorzugsweise 1:25 Gewicht/Gewicht, zu dem Substrat unter Inkubieren bei 37°C unter Rühren für 24 Stunden gegeben. Ein Schritt an MAC wird anschließend wie vorstehend beschrieben ausgeführt.
  • Das mit Imidazol eluierte Material enthält drei Polypeptidfragmente, wobei das wesentlichste MW 28 000 Da aufweist und den N-terminalen Bereich von der α'-Untereinheit ausmacht.
  • Die Verabreichung von der α'-Untereinheit und von Chymotrypsinfragment an Ratten (Tabelle 2) zeigte, dass beide in der Lage sind, Cholesterin und Gesamt-Triglycerid-Plasmaspiegel stark zu senken. Insbesondere zeigte sich, dass das Chymotrypsinfragment beim Vermindern der Cholesterinspiegel nicht nur wirksamer als die anderen Sojakomponenten, sondern auch als Clofibrat ist, und es lieferte vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich Triglyceriden.
  • Die Ergebnisse von der biologischen Versuchsführung lassen vermuten, dass die Produkte, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind, insbesondere die α'-Untereinheit und die Fragmente davon, als Medikamente, insbesondere für die Behandlung jener Pathologien, die das Absenken von Cholesterin- und/oder Triglycerid-Plasmaspiegeln erfordern, verwendet werden können. Die Verbindungen werden einzeln oder in Kombination mit anderen Wirkprinzipien und in Beimengung mit geeigneten Trägern für die Herstellung von pharmazeutischen Zusammensetzungen, insbesondere für die Behandlung von Hyperlipidämien, verwendet. Weiterhin können sie auch für die Herstellung von Ergänzungen oder Lebensmittelprodukten für Diätregime, die unter den vorstehend erwähnten Bedingungen zu befolgen sind, verwendet werden.
  • BEISPIELE
  • Schritt eins: Reinigung von 7S Globulin aus Soja
  • Das Ausgangsmaterial war zerkleinerte Soja, die gemäß dem Soxhlet-Verfahren unter Anwendung von Pentan als Lösungsmittel entfettet wurde.
  • Proteine wurden mit einer 0,98 g/l NaHSO3-Lösung in Mengen von 15-fach des Volumens von der entfetteten, zerkleinerten Soja für 16 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 4°C unter Halten des pH-Werts bei 6,4 extrahiert. Nach Zentrifugierung wurde der Überstand mit 40 %igem Ethanol (Volumen/Volumen) bei Raumtemperatur behandelt. Der erhaltene Niederschlag, der an β-Conglycinin angereichert ist und die α'-Untereinheit bei einer doppelten Konzentration als das Ausgangsmaterial enthält, wurde gefriergetrocknet.
  • Schritt zwei: Reinigung der α'-Untereinheit
  • Die mit β-Conglycinin angereicherte Fraktion wurde in Denaturierungspuffer (50 mM Tris, 0,5 M NaCl, pH 7,2), enthaltend 5 M Harnstoff, und gereinigt durch MAC an einer Agarose- Iminodiessigsäure-Matrix (Sigma), konjugiert mit Zink, resuspendiert. Das ungebundene Proteinmaterial wurde mit dem gleichen Puffer wie vorstehend eluiert; wohingegen das gebundene Proteinmaterial, das hauptsächlich aus der α'-Untereinheit besteht, mit 0,1 M Imidazol in dem gleichen Puffer oder in destilliertem Wasser eluiert wurde.
  • Die mit α'-Untereinheit angereicherten Fraktionen wurden mit 3–4 Volumen Aceton bei -20°C behandelt; der erhaltene Niederschlag wurde in 40 % Ethanol bei Raumtemperatur suspendiert, dann zentrifugiert und gefriergetrocknet. Das erhaltene Pulver enthält 94 % Proteine und ist 10-fach mehr in der α'-Untereinheit als das Ausgangsmaterial angereichert.
  • Dritter Schritt: Enzymatische Behandlung der α'-Untereinheit
  • Das Lyophilisat von dem vorstehenden Schritt wurde bei einer Konzentration von 5 mg/ml in 0,2 M NH4HCO3, enthaltend 1,6 M Harnstoff, bei einem pH im Bereich von 7,5 bis 8,5 gelöst. Die Lösung wurde dann mit Chymotrypsin bei einem Verhältnis 1:25 Gewicht/Gewicht zu dem Proteinsubstrat behandelt und bei 37°C unter Rühren für 24 Stunden inkubiert, dann wie vorstehend beschrieben durch MAC gereinigt. Das durch das Harz zurückbehaltene und mit 0,1 M Imidazol eluierte Material enthält drei Polypeptidfragmente, wobei das Wesentliche ein Molekulargewicht von 28 000 Da aufweist und aus dem N-terminalen Bereich der α'-Untereinheit besteht.
  • BIOLOGISCHE VERSUCHSFÜHRUNG
  • Tiere
  • Männliche Ratten CD SPF/VAF, mit dem Gewicht 75-100 g, wurden verwendet. Die Tiere wurden in Makrolonkäfigen (4-5 Tiere pro Käfig) in einer Umgebung unter automatischer Steuerung von Licht (12 Stunden Licht-/12 Stunden Dunkelheits- Zyklen), Temperatur (21 ± 1°C) und Luftfeuchtigkeit (60 ± 5 %) gehalten.
  • Versuchsablauf
  • Nach Tag 7 der Haltung wurden die Tiere statistisch in sieben Gruppen von jeweils 20 Ratten (Tabelle 2) eingeteilt. Während 28 Tagen wurde eine Gruppe mit normaler Nahrung (Cod. 014RF25C; Mucedola S.r.l., Settimo Mailand, MI, Italien) gefüttert; wohingegen die anderen mit hypercholesterolämischer Nahrung, die aus 1 % Cholesterin, 0,5 % Cholsäure und 25 hydriertem Kokosnussöl (Charge 332000, Herstellung 01.09.2000, Laboratorio Dottori Piccioni, Gessate, MI, Italien) bestand, mit Übermaß an Wasser nach Belieben gefüttert wurden. Die Nahrung wurde täglich (40 g, 09.00 Uhr am Morgen) gegeben und die unverbrauchte Menge wurde gewogen. Die Behandlung wurde wie nachstehend ausgeführt.
    Gruppe 1 (Kontrolle): Tiere, gefüttert mit normaler Nahrung, und oral für 28 Tage mit einer 0,5 %igen Carboxymethylcelluloselösung behandelt.
    Gruppe 2: Tiere, gefüttert mit hypercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit einer 0,5 %igen Carboxymethylcelluloselösung behandelt.
    Gruppe 3: Tiere, gefüttert mit hypercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit Clofibrat bei einer Dosis von 200 mg/kg behandelt.
    Gruppe 4: Tiere, gefüttert mit hvpercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit dem Soja-Gesamt-Protein-Extrakt (TPE) bei einer Dosis von 200 mg/kg behandelt.
    Gruppe 5: Tiere, gefüttert mit hypercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit β-Conglycinin bei einer Dosis von 50 mg/kg behandelt.
    Gruppe 6: Tiere, gefüttert mit hypercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit der α'-Untereinheit bei einer Dosis von 10 mg/kg behandelt.
    Gruppe 7: Tiere, gefüttert mit hypercholesterolämischer Nahrung, und oral für 28 Tage mit dem α'-Untereinheits-Chymotrypsin-Fragment bei einer Dosis von 1 mg/kg behandelt.
  • Gesamtcholesterin- und Triglycerid-Plasmaspiegel wurden am Ende der Behandlung von 28 Tagen und nach 16 Stunden Fasten gemessen. Die Tiere wurden mit Ethylether anästhesiert und das Blut wurde aus der unteren Vena-cava in Röhren, die EDTA (1 mg/ml) enthalten, abgezogen. Nach Zentrifugierung für 15 Minuten bei 4°C bei 3000 U/min wurde Plasma gewonnen, gefroren und bis zu den Messungen bei -20°C gelagert.
  • Gesamtcholesterin- und Triglycerid-Plasmakonzentrationen (angeführt in Tabelle 2) wurden gemäß üblichen enzymatischen Assays bestimmt. Tabelle 2
    Figure 00100001
  • LITERATURSTELLEN
    • Anderson J. W., Bryan M. J., Cook-Newall M-E., 1995, N. Engl. J. Med. 333, 276-282.
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    • Lovati M. R., Manzoni C., Corsini A., Granata A., Fumagalli R., Sirtori C., 1996, J. Nutr. 126, 2831-2842.
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    • Nagano T., Hirotsuka M., Mori H., Kohyama K., Nishinari K., 1992, J. Agric. Food. Chem. 40, 941-944.
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Claims (18)

  1. Verfahren zur selektiven Extraktion, Reinigung und enzymatischen Modifizierung von Soja-β-conglycinin-α'-Untereinheit, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfasst: a) Extraktion von entfetteter zerkleinerter Soja mit einer wässrigen Natriumbisulfitlösung bei leicht saurem pH-Wert, um eine mit β-Conglycinin angereicherte Fraktion löslichen Proteins zu erhalten; b) Ausfällung der β-Conglycininfraktion von Schritt a) durch Behandlung mit Ethanol; c) Reinigung der ausgefällten Fraktion von Schritt b) durch Metall-Affinitäts-Chromatographie (MAC) unter Denaturant-Bedingungen, um die α'-Untereinheit zu isolieren; d) Ausfällung der α'-Untereinheit mit organischen Lösungsmitteln; e) enzymatische Behandlung der α'-Untereinheit von Schritt d) mit einem proteolytischen Enzym und weitere Reinigung durch MAC-Chromatographie.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Extraktion mit 15 Volumen von einer 0,98 g/l Natriumbisulfitlösung bei einem pH-Wert von 6,4 ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausfällung von Schritt b) mit 40 %igem Ethanol ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei MAC in Schritt c) an einer Matrix, die mit Zink oder Nickel konjugiert ist, ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Matrix mit Zink konjugiert ist.
  6. Verfahren nach Ansprüchen 4 oder 5, wobei die Matrix aus Agarose-Iminodiessigsäure besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bei der MAC von Schritt c) verwendete Denaturant Harnstoff ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das proteolytische Enzym für die enzymatische Behandlung von Schritt e) Chymotrypsin ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausfällungslösungsmittel für die α'-Untereinheit von Schritt d) Aceton ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mit β-Conglycinin angereicherte Fraktion und die α'-Untereinheit durch Gefriertrocknen stabilisiert werden.
  11. Polypeptidfragmente von Soja-β-conglycinin-α'-Untereinheit, erhältlich mit dem Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10.
  12. Amino-terminales Polypeptidfragment, erhältlich nach dem Verfahren von Anspruch 8.
  13. Polypeptidfragmente von Soja-β-conglycinin-α'-Untereinheit von Anspruch 11 zur Verwendung als Medikament.
  14. Amino-terminales Polypeptidfragment nach Anspruch 11 zur Verwendung als Medikament.
  15. Verwendung der Polypeptidfragmente der β-Conglycinin-α'-Untereinheit aus Soja von Anspruch 11 zur Herstellung von Medikamenten für die Behandlung von Hyperlipidämien.
  16. Verwendung des Polypeptidfragments nach Anspruch 11 zur Herstellung von Medikamenten für die Behandlung von Hyperlipidämien.
  17. Pharmazeutische Zusammensetzungen, die die Polypeptidfragmente von Ansprüchen 11 oder 12, einzeln oder in Kombination mit anderen Wirkstoffen, in Beimengung mit geeigneten Trägern enthalten.
  18. Ergänzungsmittel oder Nahrungsprodukte, die die Polypeptidfragmente von Ansprüchen 11 oder 12 enthalten.
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