多肽IMB-P1的理性設(shè)計及活性評價

劉娟娟，金媛媛，鄒森，馮曉，赫衛(wèi)清，楊兆勇

惡性腫瘤是一個全球范圍的公共健康問題[1]。由于環(huán)境因素、不良生活習(xí)慣和遺傳等各種因素的影響，惡性腫瘤的發(fā)病率及死亡率呈逐年上升的趨勢[2]。據(jù)統(tǒng)計，目前惡性腫瘤已成為我國居民的第一位死亡原因[3]?，F(xiàn)在常用的抗腫瘤藥物主要有小分子化學(xué)藥物、抗體類藥物和多肽類藥物等。其中多肽類藥物具有分子量較小、易改造、易合成、合成原料相對易得、適于規(guī)?；Y選與開發(fā)等優(yōu)點[4]，在世界新藥研發(fā)、生產(chǎn)、使用中已獨具特色，且業(yè)已形成規(guī)模。

山羊抗癌活性肽（goat anti-cancer bioactive peptides，gACBPs）是用人胃癌細(xì)胞碎片免疫山羊，從其脾臟中分離獲得的具有良好抗腫瘤活性的分子量單一的（16.7 kD）肽類混合物，其良好的抗腫瘤作用及安全性在體內(nèi)外實驗中均得到驗證[5-11]。前期應(yīng)用二維納升液相色譜-電噴霧靜電場軌道阱組合式高分辨質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)（2D-nano-LC-ESI LTQ-Orbitrap MS/MS）對 gACBPs 進(jìn)行生物合成信息的解析，獲得其中一個單組分羊過氧化物還原酶 5（goat peroxiredoxin 5，gPRDX5）的序列信息并實現(xiàn)了異源表達(dá)[12]。為了解決 gPRDX5 作為藥物應(yīng)用的免疫原性問題，對序列相似率達(dá) 89% 的人過氧化物還原酶 5（human peroxiredoxin 5，hPRDX5）進(jìn)行異源表達(dá)，體內(nèi)實驗證實 hPRDX5在結(jié)腸癌 C26 小鼠及荷 B16 黑色素瘤小鼠中均具有抑瘤作用，且與腫瘤免疫相關(guān)[13]。對 hPRDX5 功能片段進(jìn)行鑒定發(fā)現(xiàn)，含有 47 位半胱氨酸（Cys47）的多肽 IMB-P1（AFTPGCSKTHLPGFVEQAEAL）體內(nèi)抗腫瘤活性與 hPRDX5 完整蛋白相當(dāng)[14]。但多肽 IMB-P1 仍然存在分子量偏大、發(fā)揮抗腫瘤作用的關(guān)鍵氨基酸位點不明等問題，仍需確定其最小活性區(qū)域及關(guān)鍵氨基酸位點，為進(jìn)一步選擇合理有效的多肽優(yōu)化策略提供依據(jù)。

多肽序列截短是多肽設(shè)計的代表性策略之一[15]，因此本研究擬對多肽 IMB-P1 從兩端分別進(jìn)行截短。通過測定各截短多肽體外和體內(nèi)生物活性，并結(jié)合在小鼠血漿中穩(wěn)定性以及二級結(jié)構(gòu)的檢測，確定與 IMB-P1 活性相當(dāng)?shù)淖疃潭嚯?，為該類多肽藥物的下一步開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗材料 Fmoc-Gln-Resin、Fmoc-Thr-Resin、1-羥基苯并三唑、O-苯并三唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸鹽（HBTU）、N,N-二異丙基乙胺（DIEA）購自吉爾生化（上海）有限公司；其他化學(xué)試劑購自北京百靈威科技有限公司；均相時間分辨熒光（homogeneous time-resolved fluorescence，HTRF）試劑盒購自美國 Cisbio 公司；BMS202（S7912）購自美國百時美施貴寶公司；384 淺孔板購自美國Thermo Fisher Scientific 公司；RPMI1640 培養(yǎng)基、胎牛血清（fetal bovine serum，F(xiàn)BS）、0.25% 胰蛋白酶、25 ml 細(xì)胞培養(yǎng)瓶和 1 × PBS 緩沖液均購自美國 Corning 公司；胸腺肽 α1 購自成都地奧九泓制藥廠；小鼠黑色素瘤細(xì)胞（B16 細(xì)胞）購自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所。

1.1.2 實驗動物 六周齡、雄性、清潔級、近交系 C57BL/6 小鼠，體重（20 ± 2）g，由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院動物研究所提供。本次動物實驗依據(jù)本研究所《實驗動物管理條例》中的相關(guān)實驗動物倫理規(guī)范進(jìn)行操作。

1.1.3 實驗儀器 全自動多肽合成儀為美國CSBio 公司產(chǎn)品；半制備高效液相色譜儀為日本島津公司產(chǎn)品；EYELA N-1300 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀為日本東京理化器械株式會社產(chǎn)品；ALPHA 2-4 LD plus 冷凍干燥機(jī)為德國 Christ 公司產(chǎn)品；Infinite M200酶標(biāo)儀為瑞士 Tecan 公司產(chǎn)品；細(xì)胞培養(yǎng)箱為美國Thermo Fisher Scientific 公司產(chǎn)品；Chirascan 圓二色譜儀為英國應(yīng)用光物理公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 多肽的設(shè)計 對多肽 IMB-P1 序列進(jìn)行分析，其在完整蛋白中為 α-螺旋結(jié)構(gòu)，而 α-螺旋結(jié)構(gòu)為多肽鏈主鏈繞中心軸旋轉(zhuǎn)，形成棒狀螺旋結(jié)構(gòu)，每個螺旋含有 3.6 個氨基酸殘基。因此以 4 個氨基酸為單位，分別從 N 端和 C 端依次截短 4、8 和 12 個氨基酸殘基來縮短多肽的長度。

1.2.2 多肽的合成和純化 本研究中所設(shè)計的6 條多肽通過多肽合成儀進(jìn)行合成。使用 Kromasil 100-5C18（4.6 mm × 250 mm）色譜柱，檢測波長設(shè)為 210 nm，通過高效液相色譜（HPLC）對合成獲得的目標(biāo)多肽粗品進(jìn)行分離鑒定；質(zhì)譜（MS）檢測確認(rèn)多肽分子量，進(jìn)行制備。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除多肽溶液中的有機(jī)溶劑，放入 -70 ℃ 冰箱冷凍后再進(jìn)行冷凍干燥，獲得目標(biāo)多肽。

1.2.3 體外活性評價 采用 HTRF 方法[16-17]，以BMS202（S7912）為陽性對照，測定 100 μmol/L 多肽 IMB-P1-1 ～ 6 對 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合的抑制活性。

1.2.4 動物模型構(gòu)建 將 B16 黑色素瘤細(xì)胞復(fù)蘇后培養(yǎng)于含有 10% FBS 的 RPMI1640 培養(yǎng)液中，置于 37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待細(xì)胞處于指數(shù)增殖期時用 0.25% 的胰酶消化，調(diào)整細(xì)胞懸液濃度為 1 × 106/ml 備用。用備皮刀將小鼠背部毛發(fā)去除，去毛面積約為 4 cm2，用 75% 乙醇充分消毒，取備用的細(xì)胞溶液 0.2 ml 接種于小鼠背部皮下，隔天觀察腫瘤生長情況，觀測小鼠生存期并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.5 體內(nèi)抗腫瘤活性評價 分別設(shè)置未接種腫瘤組（陰性對照）、空白對照組（PBS）、陽性對照組、各實驗組，每組 6 只小鼠。由于設(shè)計合成多肽的分子量不一，為保證給藥量一致，按照統(tǒng)一摩爾濃度進(jìn)行藥物配制。為了進(jìn)行與同種類型藥物的對比，本次陽性對照藥物選擇臨床上用于腫瘤治療的多肽類免疫增強(qiáng)劑胸腺肽 α1。在本實驗中，胸腺肽 α1 的給藥量依據(jù)臨床用量即每周兩次 1.6 mg皮下注射，根據(jù)公式 10 × 1.6 mg/70 kg 換算，最終算得小鼠的給藥量為 0.2285 mg/kg。以 PBS 作為空白對照；多肽 IMB-P1 及 IMB-P1-1 ～ 6 用 PBS配制成相應(yīng)濃度的溶液，無菌 0.22 μm 濾膜過濾除菌。給藥方式：皮下注射給藥，每天 1 次，給藥 2 ～ 3 周。觀察小鼠生長狀態(tài)及生理狀態(tài)，待小鼠生長狀態(tài)出現(xiàn)下降或?qū)嶒炛芷诮Y(jié)束后采用頸椎脫臼法處死小鼠，將腫瘤組織剝離，稱量瘤重。

1.2.6 多肽在小鼠血漿中穩(wěn)定性實驗 用 PBS將多肽 IMB-P1、IMB-P1-2、IMB-P1-3、IMB-P1-6配制成 5 mmol/L 的母液，按表1 比例與適量空白小鼠血漿混合，添加 PBS 稀釋混合溶液，使其終濃度分別為 10% 和 1 mmol/L，同時設(shè)置血漿空白組和多肽空白組，按不同時間點（0、0.5、1、3、6 h、過夜）分裝 100 μl/管，37 ℃ 溫箱孵育，按相應(yīng)時間點取樣，將樣品 4 ℃、12 000 r/min 離心10 min，取上清 HPLC 分析（檢測波長 210 nm，流速 1 ml/min，進(jìn)樣體積 20 μl，5% ～ 90% 乙腈/水 + 0.1% TFA 梯度洗脫）。

表1 多肽在小鼠血漿中穩(wěn)定性實驗分組Table 1 Grouping of peptide stability test in mouse plasma

1.2.7 多肽二級結(jié)構(gòu)的測定 用超純水模擬體液環(huán)境，10% SDS 溶液模擬細(xì)胞膜表面的疏水環(huán)境。用圓二色譜儀檢測多肽 IMB-P1 和 IMB-P1-2的二級結(jié)構(gòu)，多肽濃度為 100 μmol/L，設(shè)定帶寬為1 nm，選擇光譜的測試范圍為 180 ～ 260 nm，掃描速度為 100 nm/min。設(shè)置數(shù)據(jù)采樣方式 Sampling，Time-per-point 為 0.5 s，設(shè)置采集模式為 Spectrum光譜。用 CDPro 軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作圖分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

采用 IBM SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，計量資料均以±s表示。多組間比較時，使用完全隨機(jī)設(shè)計資料的方差分析（one-way ANOVA）；多組間兩兩比較或兩組間比較時，若資料為正態(tài)分布則使用非配對t檢驗，若非正態(tài)分布則使用Wilcoxon 秩檢驗。以P＜ 0.05 判定為有統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 IMB-P1 同源多肽的設(shè)計與合成

分別對多肽 IMB-P1 從 N 端和 C 端進(jìn)行氨基酸殘基截短，獲得多肽 IMB-P1-1 ～ 6（表2），其中多肽 IMB-P1-1 ～ 3 依次為 C 端截去 4、8 和12 個氨基酸，多肽 IMB-P1-4 ～ 6 依次為 N 端截去 4、8 和 12 個氨基酸。采用固相合成法制備出純度達(dá) 95% 的目的多肽。

表2 IMB-P1 優(yōu)化設(shè)計的 6 條多肽序列Table 2 The sequence of 6 peptides by optimizing IMB-P1 design

2.2 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合的抑制活性評價

采用 HTRF 方法，以 BMS202 為陽性對照，對 IMB-P1 和多肽 IMB-P1-1 ～ 6 進(jìn)行 PD-1/PD-L1抑制活性評價發(fā)現(xiàn)，多肽 IMB-P1、IMB-P1-1 ～ 6 均有體外抑制 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合的活性（圖1）。多肽 IMB-P1 的抑制率約為 20%，IMB-P1-2、IMB-P1-3 和 IMB-P1-6 抑制活性優(yōu)于 IMB-P1。其中，多肽 IMB-P1-6 抑制活性最高，可達(dá) 90%以上；其次為多肽 IMB-P1-3，其抑制率約為 70%；多肽 IMB-P1-2 的抑制率大于 50%。

2.3 體內(nèi)抗腫瘤活性的測定

選用評價 hPRDX5 蛋白及多肽 IMB-P1 體內(nèi)抗腫瘤活性的荷 B16 黑色素瘤小鼠模型，對IMB-P1 同源多肽進(jìn)行體內(nèi)抗腫瘤活性的測定。IMB-P1 和其截短多肽的體內(nèi)抑瘤活性如表3 所示，IMB-P1 和從 C 端截短的多肽 IMB-P1-1 ～ 3的抑瘤活性均優(yōu)于胸腺肽 α1，多肽 IMB-P1-1 和IMB-P1-2 的抑瘤活性與 IMB-P1 相當(dāng)，但I(xiàn)MB-P1-2 的長度更短。而從 N 端截短的多肽IMB-P1-4 ～ 6 的抗腫瘤活性較 IMB-P1 變差。

表3 IMB-P1 和其截短多肽在荷 B16 黑色素瘤小鼠模型中的抗腫瘤活性Table 3 The anti-cancer activity of IMB-P1 and its truncated peptides with melanoma B16/C57BL/6 mouse tumor model

2.4 多肽在小鼠血漿中的穩(wěn)定性評價

由于多肽類藥物存在半衰期較短、血漿清除率高、穩(wěn)定性較差等問題，使得其發(fā)展受到限制[18]。因此對多肽 IMB-P1 和體內(nèi)抗腫瘤活性與其相當(dāng)?shù)亩嚯?IMB-P1-2 及體外 PD-1/PD-L1 抑制活性較好的多肽 IMB-P1-3、IMB-P1-6 進(jìn)行小鼠血漿中穩(wěn)定性檢測，以探究多肽進(jìn)入機(jī)體后半衰期的長短。結(jié)果如圖2 所示，多肽 IMB-P1 在血漿中37 ℃ 孵育過夜后仍未完全降解，多肽 IMB-P1-2則在血漿中 37 ℃ 孵育過夜后全部降解，多肽IMB-P1-3 在血漿中 37 ℃ 孵育 3 h 后全部降解，而多肽 IMB-P1-6 在血漿中 37 ℃ 孵育 6 h 后全部降解。對比發(fā)現(xiàn)，在血漿中的穩(wěn)定性順序是多肽IMB-P1 ＞ IMB-P1-2 ＞ IMB-P1-6 ＞ IMB-P1-3。

圖2 多肽 IMB-P1、IMB-P1-2、IMB-P1-3 和 IMB-P1-6 在血漿中的穩(wěn)定性Figure 2 The stability of IMB-P1, IMB-P1-2, IMB-P1-3 and IMB-P1-6 in plasma

2.5 多肽二級結(jié)構(gòu)的測定

多肽 IMB-P1 為蛋白 hPRDX5 結(jié)構(gòu)中的一段 α-螺旋片段，鑒于某一肽段從整體蛋白結(jié)構(gòu)中分離出來后很可能不能保持原有的構(gòu)象，隨之影響其生物活性，因此對多肽 IMB-P1 和截短的 IMB-P1-2 進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)的測定。由于細(xì)胞膜表面是一種疏水環(huán)境，因此使用 10% SDS 溶液來模擬細(xì)胞膜表面環(huán)境。結(jié)果如圖3 所示，多肽IMB-P1 無論是在水中還是在 SDS 環(huán)境中，均在198 nm 處有一個明顯的負(fù)峰，這說明此時的IMB-P1 的二級結(jié)構(gòu)均以無規(guī)則卷曲為主。而當(dāng)多肽 IMB-P1-2 在水中時，在 208 nm 處有一個明顯的負(fù)峰，在 222 nm 處有一個輕微的負(fù)峰，這說明多肽 IMB-P1-2 在水中形成了 α-螺旋的結(jié)構(gòu)。在SDS 溶液環(huán)境中，多肽 IMB-P1-2 呈現(xiàn)無規(guī)則卷曲狀態(tài)。

圖3 多肽 IMB-P1（A）和 IMB-P1-2（B）在水和 SDS 中的二級結(jié)構(gòu)分析Figure 3 The secondary structure analysis of IMB-P1 (A) and IMB-P1-2 (B) in water and SDS

3 討論

通過對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能時，有時候僅需要其部分功能區(qū)域，并不需要全部序列，即通過基因敲除或者僅合成多肽功能片段的方式也可發(fā)揮藥效，從而避免了基因工程表達(dá)蛋白質(zhì)的工藝繁瑣以及高成本、難純化等缺點[19]。因此基于蛋白質(zhì)功能區(qū)域的多肽藥物研發(fā)，成為了多肽類新藥發(fā)現(xiàn)的一個重要方式。

前期通過對 hPRDX5 功能片段的鑒定，獲得體內(nèi)抗腫瘤活性與 hPRDX5 完整蛋白相當(dāng)?shù)亩嚯腎MB-P1。為進(jìn)一步選擇合理有效的多肽優(yōu)化策略，仍需確定多肽 IMB-P1 的最小活性區(qū)域及關(guān)鍵氨基酸位點?？紤]多肽 IMB-P1 包含 21 個氨基酸，丙氨酸掃描的方式[20]合成成本較高、耗時較長、工作量較大，而多肽序列截短[21]可更直接判斷活性區(qū)域，且同步完成多肽截短，成本較低，故多肽IMB-P1-1 ～ 6 的設(shè)計采用兩端截短氨基酸殘基的方式進(jìn)行。

依據(jù)前期 hPRDX5 的體內(nèi)抗腫瘤活性以及與PD-L1 的分子對接模擬結(jié)果，推測hPRDX5 發(fā)揮活性與腫瘤免疫密切相關(guān)，很有可能作用于PD-1/PD-L1 信號通路[13]。因此，本研究以百時美施貴寶公司專利中的 PD-1/PD-L1 小分子抑制劑BMS202 為陽性對照，對 IMB-P1 及其截短多肽進(jìn)行 PD-1/PD-L1 抑制活性的評價，發(fā)現(xiàn)該 7 條多肽均有體外抑制 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合的活性，且多肽 IMB-P1-6、IMB-P1-3 及 IMB-P1-2 較IMB-P1 抑制活性有所提高，推測可能是由于氨基酸數(shù)目減少，使得其更容易與 PD-1/PD-L1 通路產(chǎn)生相互作用，這為該類多肽作用于 PD-1/PD-L1 通路的猜測提供了依據(jù)。

胸腺肽 α1 是人體胸腺激素中重要的活性組分，是由胸腺素組分 5（TF-5）中分離純化獲得的一種小分子生物活性多肽，該藥物由人工合成，具有促進(jìn)胸腺細(xì)胞及 T 淋巴細(xì)胞的分化、成熟及產(chǎn)生多種生物因子，調(diào)節(jié)和增強(qiáng)機(jī)體免疫功能的作用[22-23]。由于前期推測 hPRDX5 發(fā)揮活性與腫瘤免疫密切相關(guān)，因此本研究以胸腺肽 α1 為陽性對照，通過荷 B16 黑色素瘤小鼠對 IMB-P1 截短多肽進(jìn)行體內(nèi)活性評價。發(fā)現(xiàn)長度最短且與 IMB-P1抗腫瘤活性相當(dāng)?shù)氖窃?C 端刪除 8 個氨基酸殘基的 IMB-P1-2，而多肽 IMB-P1-3、IMB-P1-6 未呈現(xiàn)預(yù)期的抑瘤作用，結(jié)合多肽在小鼠血漿中的穩(wěn)定性結(jié)果，推測可能是因為多肽 IMB-P1-3、IMB-P1-6 在血漿中的穩(wěn)定性較差而導(dǎo)致體內(nèi)活性不佳。

此外，多肽 IMB-P1 中除包含關(guān)鍵半胱氨酸Cys47 外，hPRDX5 作為過氧化物還原酶的活性位點 Thr44、Pro45、Gly46、Lys49、Thr50[24]也全部包含其中。從 C 端依次刪除 4、8、12 個氨基酸殘基的多肽 IMB-P1-1 ～ 3 包含以上全部活性位點，實驗發(fā)現(xiàn)其 PD-1/PD-L1 抑制活性隨氨基酸數(shù)目的減少而提高，且含有活性位點的多肽仍保留體內(nèi)活性，據(jù)此推斷 hPRDX5 作為過氧化物還原酶的活性位點與其抗腫瘤活性相關(guān)。然而從 N 端完全刪除活性位點的多肽 IMB-P1-6 卻表現(xiàn)出了顯著的 PD-1/PD-L1 抑制活性，且高于其他多肽，具體原因尚不清楚，仍需進(jìn)一步研究。

抗腫瘤多肽通常具有一定的二級結(jié)構(gòu)特點，以α-螺旋最為常見。而 α-螺旋結(jié)構(gòu)是自然界中存在的一種重要的蛋白質(zhì)表位，生物體內(nèi)許多重要的蛋白間相互作用以及蛋白的識別都是由 α-螺旋結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的[25-26]。因此本研究對多肽 IMB-P1 和其截短多肽中體內(nèi)活性相當(dāng)?shù)?IMB-P1-2 進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)的測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)多肽 IMB-P1 無論是在水中還是在 SDS 環(huán)境中均呈無規(guī)則卷曲狀態(tài)，而多肽IMB-P1-2 僅在水中形成了 α-螺旋的結(jié)構(gòu)，這可能是多肽 IMB-P1-2 抑制 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合的活性高于多肽 IMB-P1 的原因，為將來進(jìn)一步提高多肽活性的修飾策略提供了鎖定其 α-螺旋構(gòu)象的方向。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了與多肽 IMB-P1 體內(nèi)抗腫瘤活性相當(dāng)?shù)母潭嚯?IMB-P1-2 以及具有較好抑制 PD-1 和 PD-L1 結(jié)合活性的多肽IMB-P1-6，為相關(guān)抗腫瘤多肽類藥物的發(fā)現(xiàn)及改造奠定了基礎(chǔ)。