海参岩藻聚糖硫酸酯的空间构象解析及干预胰岛素抵抗的定量构效关系研究

This project is set to investigate the structure-activity relationship of insulin resistance-affecting function of sea cucumber fucoidan (SC-FUC). The program is as follows. Low-price sea cucumbers are employed as materials to extract SC-FUC, and by using a special self-isolated fucoidanase, a series of SC-FUC enzymatic degradation products would be prepared; the delicate primary structure of SC-FUC would be clarified by using ESI-MS/MS; the conformation of SC-FUC and its degrdation products would be studied by using a combination of HPLC-multiple angle laser light scattering, dynamic light scattering and atomic force microscopy, and the relationship between primary structure and confromation would be further elucidated; insulin resistance-affecting activity of SC-FUC and its degradation product would be investigated by using both of the cell model and animal model, and the molecualr mechanism would be clarified via phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase and Protein Kinase B (PI3K/PKB) pathway; finally, the QSAR model would be established based on artificial neural network, and in that case, the relationship between the insulin resistance-affecting activity and several structural features including sulfatation pattern, molecular mass, chain morphology, and chain dimension could be clearly elucidated. This study would clarify the molecular structure of SC-FUC in different structural levels at the first time, and establish the first quantitative structure-activity ralationship (QSAR) model of SC-FUC. It would provide academic support to the efficient utilization of SC-FUC, and therefore be benefit to the benign development of sea cucumber industry.

项目拟针对海参岩藻聚糖硫酸酯（SC-FUC）干预胰岛素抵抗的构效关系展开深入研究。以多种低值海参为原料提取SC-FUC，利用自主筛选的糖苷酶特色制备系列酶解产物，基于多级质谱解明其精细一级结构；采用高效凝胶排阻色谱-多角度激光光散射、动态光散射、原子力显微镜等技术解析SC-FUC及其酶解产物的空间构象，进而阐明一级结构对SC-FUC空间构象的影响；运用胰岛素抵抗细胞模型及动物模型，研究SC-FUC及其酶解产物对胰岛素抵抗的干预作用，并以PI3K/PKB通路中关键靶点基因的表达为切入点，探明作用的分子机制；在此基础上，基于人工神经网络建立定量构效关系模型，准确阐明SC-FUC干预胰岛素抵抗作用与其硫酸酯化形式、分子量、链构象及链尺寸间的构效关系。本项目将首次从多个结构水平阐明SC-FUC的分子结构，并建立首个SC-FUC定量构效关系模型，为SC-FUC深度开发奠定理论基础，推动海参产业发展。

海参是我国传统滋补海洋食品，海参岩藻聚糖硫酸酯（sea cucumber fucoidan，SC-FUC）是海参的特有多糖及特征性功效成分。胰岛素抵抗是目前我国居民面临的主要营养健康问题之一，本项目聚焦于SC-FUC的结构与干预胰岛素抵抗功能开展研究，沿着“一级结构-高级结构-功效验证-机理探究-构效关系”的创新思路逐步深入。利用特色工具酶结合多维NMR等技术，明确了土耳其海参及墨西哥海参中岩藻聚糖硫酸酯的精细一级结构，同时基于HILIC-MS技术建立了SC-FUC寡糖的高通量分析方法，成功揭示黄玉参及沙参中SC-FUC的一级结构特征。在一级结构的基础上，以HPSEC-MALLS-Vis-RI及原子力显微镜等手段，率先研究了SC-FUC的链形态、链尺寸等空间构象特征，建立了一级结构与高级结构之间的联系，发现大多数SC-FUC呈现无规则卷曲链，分子量的降低、支链结构的存在将增加SC-FUC分子链的柔性，而硫酸酯化形式的差异对SC-FUC的空间构象影响有限。以不同一级结构、不同分子量SC-FUC为样品，在细胞及动物水平验证SC-FUC可显著改善胰岛素抵抗状态，其分子机制包括：通过抑制胰岛β细胞线粒体凋亡通路改善胰岛功能损伤进而改善糖代谢；改善肝脏甘油三酯和脂肪酸合成及分解关键因子的mRNA和蛋白表达，从而改善脂代谢；促进棕色脂肪分化、棕色脂肪线粒体合成及β-氧化关键因子的mRNA和蛋白表达，调控棕色脂肪产热、改善能量代谢。综合结构特征与功能研究，揭示出SC-FUC干预胰岛素抵抗的构效关系：相较相同分子量水平的SC-FUC，无支链结构、硫酸化程度较高的样品效果更加显著；伴随分子量的降低及链柔顺性的增加，SC-FUC改善胰岛素抵抗状态的作用效果呈现先增强后减弱的趋势，在200kDa左右达到最高。基于人工神经网络，构建了描述SC-FUC硫酸酯化、分子量、空间构象指数等结构特征与其干预胰岛素抵抗功能间的数值模型，实现了构效关系的定量。本项目首次探究了SC-FUC的空间构象，将SC-FUC结构的认识推进至高级结构层级，揭示了SC-FUC干预胰岛素抵抗的构效关系并建立定量描述模型。在项目资助下，项目组现已发表SCI论文13篇，其中JCR一区论文8篇。研究成果可为SC-FUC的开发以及海参资源的精深加工提供理论支撑，有助于促进海参产业健康发展。