全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY BULL ETIN 2009年第 7期
微生物源α2淀粉酶抑制剂研究进展
王晓婧 薛仁风 李梅 曾凡荣
(中国农业科学院植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室 ,北京 100094)
摘 要 : 微生物源α2淀粉酶抑制剂能特异性抑制哺乳动物和某些微生物的α2淀粉酶 ,在医药上有重要的应用价值 ,因
而成为近年来新的研究热点。论述了国内外分离纯化的微生物源α2淀粉酶抑制剂 ,对其蛋白、基因结构、作用机理及应用前
景等作了概述。
关键词 : α2淀粉酶抑制剂 微生物 α2淀粉酶
Progress onα2Amylase Inhibitors from M icroorgan ism
W ang Xiaojing Xue Renfeng L i Mei Zeng Fanrong
( S ta te Key Laboratory for B iology of Plant D iseases and Insect Pests, Institu te of Plant P rotection, CAAS, B eijing 100094)
Abs trac t: α2Amylase Inhibitors from m icroorganism can inhibit theα2amylase of mammal and a few m icroorganism s1 A comp re2
hensive review was made about p rotein molecular structure, mechanism and app lication ofα2Amylase Inhibitors from m icroorganism1
Key wo rds: α2Amylase inhibitors M icroorganism α2Amylase
收稿日期 : 2009202218
作者简介 :王晓婧 (19842) ,女 ,在读硕士研究生 ,研究方向为药物工程 ; E2mail: wxj2055@ yahoo1com1cn
通讯作者 :曾凡荣 , E2mail: Zengfr@ caas1net1cn, Tel: 010282109714
α2淀粉酶抑制剂 (α2Amylase Inhibitor, A I)是一
类可以抑制α2淀粉酶的糖苷水解酶抑制剂 ,广泛存
在于各种动植物及微生物体内 ,它对哺乳动物、昆虫
以及微生物α2淀粉酶有特异性抑制作用 [ 1, 2 ] ,在医
药和农业上有重要的应用价值。α2淀粉酶抑制剂。
在植物中尤其是禾谷类作物和豆类作物的种子中
α2淀粉酶抑制剂含量丰富 ,它们大多对昆虫α2淀粉
酶有很好的抑制作用 ,可制备成生物农药 ,或利用转
基因生物技术来赋予植物尤其是农作物抗性特征。
微生物源α2淀粉酶抑制剂主要集中于链霉菌属和
某些真菌 ,它们可特异性的抑制哺乳动物和某些微
生物α2淀粉酶 ,用于防治糖尿病、高血脂和肥胖症
等疾病 ,在医学上有很好的应用发展前景。
1 微生物源α2淀粉酶抑制剂
111 各种微生物源α2淀粉酶抑制剂
最早在 1970年由 N iwa等 [ 3 ]首先报道了微生物
源α2淀粉酶抑制剂。现已报道的来源于微生物的
α2淀粉酶抑制剂有 20多种 [ 1 ] ,如表 1所示 ,它们大
多来源于链霉菌属 , Saito报道在真菌中也分离到α2 淀粉酶抑制剂 ,微生物源α2淀粉酶抑制剂成分包括糖类、蛋白类等 ,它们中许多都能有效抑制哺乳动物源α2淀粉酶抑制剂。112 微生物源α2淀粉酶抑制剂蛋白与基因迄今为止 ,已有多个α2淀粉酶抑制剂蛋白的氨基酸序列测序完成。它们的氨基酸序列和三级结构都很相似 ,但核苷酸序列却区别很大。Tendam istat和Haim蛋白 [ 25 ]的一、二级结构似乎很相似 ,通过核磁共振 (NMR)和 X射线衍射晶体分析显示 ,它们的三级结构也几乎相同 ,但是二者核苷酸序列的相似性仅有 57% ,信号肽也不尽相同 ,氨基酸序列长度分别为30和 37。从链霉菌分离出的α2淀粉酶抑制剂蛋白均含有 WRY保守序列 ,一般认为它与α2淀粉酶的结合有关。在多个蛋白的相同位置找到 4个半胱氨酸残基 ,它们组成 2个二硫键 ,形成稳定的结构 [ 26 ]。微生物源α2淀粉酶抑制剂基因的 G + C含量较高 ,三联体密码子中的第三位碱基更是偏向使用 G+ C ( 80%以上 ) ,符合链霉菌基因的典型特征。基因内部没有重复序列的插入 ,产生茎环结构的可能
2009年第 7期 王晓婧等 :微生物源α2淀粉酶抑制剂研究进展
性不大 [ 1 ]。N端可能有信号肽的存在 ,可以使蛋白
分泌到细胞外发挥作用。如 Haim II前体蛋白比天
然蛋白在 N端多了 37个氨基酸 ,这些“多余 ”的氨
基酸在执行完分泌任务后被切除 [ 27 ]。基因上游有
一假定核糖体结合位点 , Tendam istat基因上游 16处
有一段 5′2AGGAAGGTGA23′序列 ,与它的表达宿主
S1 lividans的 16S rRNA近 3′端序列高度互补 ,是核
糖体的结合位点 [ 25 ]。
表 1 微生物源α2淀粉酶抑制剂
抑制剂 发表时间 研究者 来源 备注
诺吉利霉素 [3 ] (Nojirimycin) 1970年 N iwa T, et al1 S treptom yces1sp 有效抑制葡糖苷酶 ,包括淀粉酶、蔗糖酶等
泛涎菌素 [ 4 ]
( Panosialin) 1971年 KumagaiM, et al1 S1nigellusM1D 8242CG2 抑制淀粉酶 ,也抑制流感病毒、酸性磷酸酯酶和聚半乳糖醛酸酶
α2淀粉酶抑制剂 [ 5 ] 1973年 Ueda S, et al1 S1flavochrom ogrenes var1No1280 分 A、B、B′、C等多个型 ,抑制活性各不相同
抑唾液酶剂 ( Siastatin) [ 6 ] 1974年 Umezawa H, et al1 S1verticullus 抑制、水解唾液酶
α2糖苷酶抑制剂
BAYg5421 [ 7 ]
1977年 Schm idt DD, et al1 A ctinoplanes BAYg5421 寡糖类 ,可抑制淀粉酶、蔗糖酶和麦芽糖酶
O ligostatins[ 8 ] 1981年 J iro I, et al1 S1m yxogenes nov1sp1SF21130 抑制α2淀粉酶
淀粉酶抑素
Amylostatin[ 9 ]
1981年 Fukuhara KI, et al1 S1diasta ticus subsp1Am ylosta tin
No12476 分离得到三部分 F21a、F21b、F22,每一部分抑制不同的α2淀粉酶
α2淀粉酶抑
制剂 [ 10 ] 1982年 Saito N1 Fungus Cladosporium herbarumF2828 蛋白类 ,源于真菌 ,打破了传统认为只有放线菌才能产生 A I的结论
Adip sin[ 11 ] 1983年 Nam iki S, et al1 S treptom yces sp1TM2521 寡糖类 ,强烈抑制胰腺和唾液α2淀粉酶
Trestatin[ 12 ] 1983年 Yodose k, et al1 S treptom yces dim orphogenes
nov1sp1NR23202OM7HB 水溶性碱性寡糖类化合物 ,对α2淀粉酶有较强抑制作用
Haim [ 13 ] 1983年 Goto A, et al1 S1griseosporeus YM225 蛋白类 ,抑制动物α2淀粉酶 ,对植物和微生物α2淀粉酶没有抑制作用
Tendam istat
(HOE467) [ 14 ] 1984年 Koller KP, et al1 S1 tendae 特异性抑制哺乳动物和某些链霉菌α2淀粉酶
paim [ 15 ] 1985年 Oouchi N, et al1 S1corchorusii 强烈抑制猪、狗胰α2淀粉酶 ,但不抑制人、兔、鸡α2淀粉酶
A I23688 [ 16 ] 1985年 Vertesy L, et al1 S1aureofaciens 抑制人胰腺α2淀粉酶
α2淀粉酶抑制
剂 Z22685 [ 17 ] 1985年 Hofmann D, et al1 S1parvullus FH21641
α2淀粉酶抑制
剂 T276 [ 18 ] 1989年 A raiM, et al1 S1nitrosporeus 抑制哺乳动物α2淀粉酶
α2淀粉酶抑制
剂 N261 [ 19 ] 1991年 N ishimura T, et al1 S1viridochrom ogenes
A I2409 [ 20 ] 1992年 Katsuyama K, et al1 S1chartreusis strain No1409 抑制人唾液淀粉酶
α2淀粉酶
抑制剂 [ 21 ] 1994年 L iu HZ, et al1 S1coelicof lavus var1yongchunensis 多糖类 ,抑制人α2淀粉酶、唾液酸酶
α2葡糖苷酶抑制剂
CKD2711、CKD2711a[ 22 ] 2002年 Kim JG, et al1 S treptom yces sp1CK24416 抑制哺乳动物蔗糖酶和麦芽糖酶 ,对α2淀粉酶抑制活性不高
α2糖苷酶抑制剂
SH29766 [ 23 ] 2005年 Sun M, et al1 A ctinoplanes u tahensis var1( Strain E23519) 抑制α2淀粉酶、蔗糖酶、麦芽糖酶
α2淀粉酶抑
制剂 [ 24 ] 2008年 Bai G, et al1 S1coelicof lavus ZG0656 强烈抑制哺乳动物α2淀粉酶 ,对餐后高血糖的形成有明显的改善作用
113 微生物源α2淀粉酶制剂蛋白的分离纯化与重
组蛋白的表达
据 Jajiki[ 28 ]报道 ,从链霉菌发酵液中分离纯化
得到抑制蛋白的方法 :发酵液过滤除去不溶物 ,清液
中加活性炭吸附后 ,用乙醇洗脱 ,经多次柱层柱和纸
层柱 ,再经 SephadexG215柱凝胶过滤 ,再经 HPLC得
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生物技术通报 B iotechnology B u lle tin 2009年第 7期
单个活力峰 ,收集活力峰 ,冻干得白色粉末状物质。
利用该方法提取天然蛋白时 ,一般会得到多种抑制
剂蛋白。用离子交换色谱从 S1corchorusii发酵液中
分离得到的 paim 蛋白最少有 3 种 ,包括 Paim I、
Paim II和 Paim III,其中 Paim I、Paim II已纯化并测序
完成 ,发现它们来源于同一个基因 [ 1 ]。
随着现代分子生物学的发展 ,人们通过基因异
源表达获得多个重组α2淀粉酶抑制剂蛋白。Sum i2
tani等 [ 29 ]从链霉菌 S1n itrosporeus基因组文库中克
隆获得一个α2淀粉酶抑制剂 T276的基因 ,基因全长
330 bp,编码一个含有 110个氨基酸的多肽。E1coli
原核表达出了α2淀粉酶抑制剂重组蛋白 ,但产量较
低 ,而且蛋白聚集在胞周质内 ,即蛋白可分泌出细胞
内膜 , 但不能通过细胞外膜。以变铅青链霉菌
S1 lividans作为表达宿主表达α2淀粉酶抑制剂 ,可分
泌表达重组蛋白 ,并且产量上升到每升菌液 014 g
蛋白。S1 lividans是一个研究蛋白分泌的合适宿主 ,
各种分泌蛋白已在 S1 lividans中成功表达 ,包括琼脂
糖酶 ( agarase)、内 2β2N2乙酰氨基葡糖苷酶 H、多种
α2淀粉酶以及 α2淀粉酶抑制剂 ( Haim II、Paim )
等 [ 25 ]。
2 微生物源α2淀粉酶制剂作用机理
微生物源α2淀粉酶抑制剂特异性抑制哺乳动
物α2淀粉酶 ,同时也可抑制链霉菌和某些细菌的α2
淀粉酶 [ 1 ]。它以 1∶1的分子比与α2淀粉酶活性位
点相结合 ,形成稳定的酶 2抑制剂复合物 ,从而使α2
淀粉酶失去活性 [ 26 ]。一般认为蛋白保守序列 WRY
与α2淀粉酶的结合有关。α2淀粉酶抑制剂 Tendam2
istat与猪胰淀粉酶 (α2Amylase from Porcine Pancre2
as, PPA)复合物的晶体结构已经得到 [ 30 ] ,与两个蛋
白结合相关的片段有 4个 ,其中最重要的就是 Ten2
dam istat含有 WRY序列的片段 ,它被认为是 Ten2
dam istat和 PPA 紧密结合的必需要素。 Jun2ichi
Sum itani [ 26 ]为了进一步证明了上述观点 ,分别对α2
淀粉酶抑制剂 T276的 WRY 3个氨基酸进行定点突
变 ,得到 3个 T276突变体 ,它们都对包括 PPA在内
的所有动物 α2淀粉酶抑制活性明显降低 ,证明
WRY是 T276特异性抑制哺乳动物α2淀粉酶的活性
位点 ,而且 3个氨基酸缺一不可。但同时 , 3个突变
体仍对细菌源动物型 α2淀粉酶 (B acillus animal2
typeα2Amylase, BAA )有敏感性 ,可能 WRY序列在
抑制 BAA时并不重要。BAA来源于芽孢杆菌 B a2
cillus sp1 no1 195,它的 N端与链霉菌和动物α2淀粉
酶同源。此外 , BAA、PPA与 T276的竞争结合试验
中 , PPA被 BAA代替 ,表明两个α2淀粉酶可能结合
在 T276分子的同样区域或者相近区域 , WRY序列
是 T276 /PPA重要结合位点 ,而其他某些片段是 T2
76 /BAA重要结合位点。上述研究表明 ,微生物源
α2淀粉酶抑制剂的真正靶酶可能是 BAA型α2淀粉
酶 ,因为它遇到这类酶的几率远远大于动物α2淀粉
酶 ,以后也有可能从微生物中分离出新型的缺少
WRY序列的α2淀粉酶抑制剂 [ 31 ] ,那它只会对 BAA
型α2淀粉酶敏感 ,而不会抑制哺乳动物α2淀粉酶。
3 微生物源α2淀粉酶抑制剂的应用及展望
在医药上 ,微生物源α2淀粉酶抑制剂具有重要
的药用价值 ,是一项新型有效的药物 ,可适用于各种
类型的糖尿病、高血糖、高血脂及肥胖症等 [ 31 ]。微
生物源α2淀粉酶抑制剂能有效地抑制消化道内唾
液及胰淀粉酶的活性 ,阻碍食物中碳水化合物的水
解和消化 ,减少糖分的摄取 ,降低血糖和血脂含量水
平。由于α2淀粉酶抑制剂对胰岛素和血糖的利用
并无直接作用 ,过去一直认为其对糖尿病患者只有
辅助降糖作用 ,而无直接治疗作用 ,但近几年的研究
发现 ,糖尿病病人长时间的高血糖是导致病人多系
统多脏器损害的最主要原因 [ 32 ]。因此 ,减少淀粉分
解为单糖从而降低餐后血糖水平对糖尿病人的好处
显而易见。
α2淀粉酶抑制剂的另一个应用是治疗肥胖症和
减肥 [ 2 ]。人在进餐的同时 ,食用 α2淀粉酶抑制剂 ,
餐后不产生高血糖 ,从而胰岛素分泌减少 ,脂肪合成
降低 ,体重减轻。服用α2淀粉酶抑制剂治疗肥胖症
或减肥则不必控制饮食 ,也不受饥饿的痛苦 ,成为一
类很受欢迎的防治肥胖症新药物。
随着现代生物技术的不断发展 ,微生物源α2淀
粉酶抑制剂在医学上的应用将日趋活跃 ,它的应用
前景将十分广阔。
参 考 文 献
1 Sum itani J I, Tsujimoto Y, Kawaguchi T, et al1 Journal of B iosci2
ence and B ioengineering, 2000, 90 (2) : 214～2161
45
2009年第 7期 王晓婧等 :微生物源α2淀粉酶抑制剂研究进展
2 吕凤霞 ,陆兆新 1食品科学 , 2002, 23 (3) : 152～1551
3 N iwa T, Inouye S, Tsuruoka T, et al1 Agri B iol Chem, 1970, 34:
966～9681
4 Kumagai M, Suhara Y, Aoyagi T, et al1 J Antibiotics, 1971, 24
(12) : 870～8751
5 Ueda S, Koba A1 Agricultural and B iological Chem istry, 1973, 37:
2015～20201
6 Umezawa H, Aoyagi T, Kom iyama T, et al1 J Antibiotics, 1974,
27: 963～9691
7 Schm idt DD, Frommer W , Junge B, et al1 Naturwissenschaften,
1977, 64: 535～5361
8 J iro I, Shoji O, Takashi S, et al1 The Journal of Antibiotics, 1981,
34: 1424～14281
9 Fukuhara KI,Murai H,Muraoi S1Agricultural and B iological Chem2
istry, 1982, 46 (8) : 2021～20301
10 Saito N1 J B iol Chem, 1982, 257 ( 6) : 3120～31251
11 Nam iki S, Kangouri K, Nagate T, et al1 The Journal of Antibiotics,
1982, 35: 1234～12361
12 Yokose K, Ogawa K, Sano T, et al1 The Journal of Antibiotics,
1983, 9: 1157～11641
13 Goto A, Matsui Y, Ohyama M, et al1 Agric B iol Chem, 1983, 47:
83～881
14 Koller KP , Engels J, Uhlmann E1Gene Amp lification and Over2Pro2
duction of theα2Amylase Inhibitor(HOE467, Tendam istat) in Strep2
tomyces tendae1 In: Third European Congress on B iotechnology1
Verlag Chem ie, W einheim, Federal Republic of Germany1 1984,
3: 273～2781
15 Oouchi N, A raiM, Murao S1 Agric B iol Chem, 1985, 49: 793～
7971
16 Vertesy L, Trip ier D1 FEBS Lett, 1985, 185: 187～1901
17 Hofmann D, Vertesy L, B raunitzer G1 B iol Chem Hoppe2Seyler,
1985, 366: 1161～11681
18 A rai M, N ishimura T, Tsukao K, et al1 J Fermen B ioeng, 1989,
68: 56～571
19 N ishimura T, Kawaguchi T, Shim izu Y, et al1 Chem Exp ression,
1991, 6: 17～201
20 Katsuyama K, Iwata N, Shimazu A1 B iosci B iotech B iochem,
1992, 56: 1949～19541
21 刘华珍 ,江宏磊 ,杨劲松 1中国抗生素杂志 , 1994, 19 (1) : 12～161
22 Kim JG, Chang HB, Kwon YI1 Journal of Antibiotics, 2002, 55
(5) : 457～4611
23 孙敏 ,王新荣 ,隆泉 ,等 1食品与生物技术学报 , 2005, 24 (3) : 48～511
24 耿鹏 ,石倩 ,张奇 ,等 1 生物工程学报 , 2008, 24 ( 6 ) : 1103 ～
11071
25 Koller KP, R iess G1 Journal of Bacteriology, 1989, 171 (9) : 4953
～49571
26 Sum itani J I, Hattori N, Nakamura Y, et al1 Journal of B ioscience
and B ioengineering, 2000, 90 (1) : 74～801
27 Nagaso H, Saito S, Saito H, et al1 Journal of Bacteriology, 1988,
170 (10) : 4451～44571
28 Jajiki T, Koba Y, Ueda S1 Agric B iol Chem, 1983, 47: 671～
6791
29 Sum itani J, Kawaguchi T, Hattori N, et al1 B iosci B iotechnol B io2
chem, 1993, 57 (8) : 1243～12481
30 W iegand G, Epp O, Huber R1 J Mol B iol, 1995, 247: 99～1101
31 谢丽源 1四川食品与发酵 , 2002, 38: 14～161
32 颜纯 1中华医学会第六次全国糖尿病学术会讨论文摘要汇编 1
中华医学会 , 1994
废水生物处理原理 (翻译版 )
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