量子化学引导的鳕鱼源双功能肽识别：靶向氧化应激与炎症

《Bioorganic Chemistry》：Quantum-chemistry-guided identification of a dual-functional cod-derived peptide targeting oxidative stress and inflammation

　　

摘要 目的： 通过结合计算与实验的方法，研究电子结构-活性关系，从鳕鱼蛋白中识别靶向氧化应激和炎症的双功能肽。 方法： 从1206条计算机模拟水解的鳕鱼肽中，通过双靶点对接（Kelch样ECH关联蛋白1/ Toll样受体4）、密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟筛选候选肽，随后在脂多糖（LPS）诱导的RAW264.7细胞中进行验证。 结果： 鉴定出四肽YGDF为苗头候选物。计算机模拟分析预测，四肽YGDF因其独特的电子拓扑结构而具有强电子供体倾向。福井函数分析表明其存在“亲核-亲电”双中心分布，其中Tyr1位点充当自由基清除剂，而Asp3/Phe4残基则促进其在TLR4结合口袋内的锚定。实验验证证实，YGDF（100 μg/mL）在LPS诱导的RAW264.7细胞中有效抑制了NF-κB炎症级联反应并激活了Nrf2抗氧化通路。具体而言，YGDF使诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和环氧合酶-2（COX-2）的mRNA表达分别抑制了约75%和80%，并诱导血红素加氧酶-1（HO-1）转录增加了30倍。 结论： YGDF充当双靶点调节剂，其生物活性与福井函数分析预测的电子空间分布密切相关。

该论文题为《Quantum-chemistry-guided identification of a dual-functional cod-derived peptide targeting oxidative stress and inflammation》，发表于《Bioorganic Chemistry》。研究旨在解决氧化应激与慢性炎症之间复杂的相互作用这一公认的病理特征，这被认为是多种代谢疾病的关键标志。尽管食物源生物活性肽因其在清除自由基和调节信号方面的潜力而备受关注，但其生物功效与氨基酸序列、空间构象及电子分布紧密相关，阐明这种构效关系对于开发高效功能性食品配料至关重要。然而，目前的瓶颈在于缺乏能够连接宏观序列筛选与微观电子分析的系统性筛选策略，传统的“水解-分离-验证”方法往往忽略了控制肽-靶标相互作用的基本电子转移机制。为此，研究人员开展了此项研究，旨在通过整合量子化学电子分析与计算机辅助筛选，识别源自鳕鱼肌原纤维蛋白的双功能生物活性肽。

为实现这一目标，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，从UniProt数据库获取大西洋鳕鱼肌球蛋白和肌动蛋白的氨基酸序列，进行计算机模拟水解构建肽库。随后，利用PeptideRanker进行初步生物活性评分筛选。接着，采用双靶点分子对接（针对Keap1和TLR4）、密度泛函理论计算以及100纳秒的分子动力学模拟对候选肽进行多层次评估。最后，通过化学合成获得目标肽段，并在LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞模型中进行了生物学功能验证。

研究结果部分详细阐述了整个发现过程。在“高活性肽的筛选”中，研究人员通过对肌球蛋白和肌动蛋白的计算机模拟蛋白水解，获得了1206个独特的肽片段。利用PeptideRanker设定阈值大于0.8进行初步筛选，得到了30条具有高潜在生物活性的肽，这些候选肽的平均生物活性得分约为0.94。在进一步的电子结构与分子对接分析中，研究人员聚焦于得分最高的四肽YGDF。密度泛函理论计算揭示了其独特的电子拓扑结构，福井函数分析进一步明确了其“亲核-亲电”双中心分布特征，即Tyr1位点倾向于作为自由基清除剂，而Asp3和Phe4残基则负责与TLR4受体的特异性结合。分子动力学模拟结果证实了该肽在溶剂环境中的构象稳定性及其与靶点的动态结合模式。在“讨论与结论”部分，研究人员总结了YGDF的结构特征，指出其“芳香-酸性-芳香”（Tyr-Gly-Asp-Phe）的结构基序是其功能的基础。实验验证结果显示，YGDF能有效打破“氧化-炎症”恶性循环，一方面通过抑制NF-κB通路降低促炎因子iNOS和COX-2的表达（分别降低约75%和80%），另一方面通过激活Nrf2通路使HO-1转录增加30倍。

综上所述，该研究成功识别了源自鳕鱼蛋白的双功能四肽YGDF。研究人员得出结论，YGDF作为一种双靶点调节剂，其生物活性与福井函数分析所预测的电子空间分布密切相关。这项研究不仅为鳕鱼蛋白资源的增值利用提供了理论基础，也为基于构效关系的食源性功能肽筛选提供了一个可借鉴的方法学框架。