Mastoparan đầu tiên được nhận dạng, tách chiết và nghiên cứu đặc tính hóa học bởi Harai và cộng sự [43] từ ong săn mồi bầy đàn Vespula lewisii. Hirai và cộng sự [44] cũng là những người đầu tiên tinh chế và nghiên cứu đặc tính của mastoparan từ Vespa xanthoptera. Từ đó, các peptide mastoparan tương tự đã được nhận diện và nghiên cứu đặc tính từ nọc của nhiều loài ong đất và ong săn mồi bầy đàn.
Kể từ năm 1979, các nghiên cứu về cấu trúc đã đề xuất một cấu trúc xoắn ốc, dưới dạng một bánh xe lưỡng phần (vừa có tính ưa nước vừa có tính kỵ nước). Todokoro và cộng sự (2006) đã sử dụng kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để xác nhận cấu trúc này của mastoparan được tách chiết từ nọc độc của ong Vespa xanthoptera (Hình 1.6) [45]. Trong cấu trúc xoắn của nó, mastoparan thường tạo thành một bánh xe lưỡng phần, trong đó tất cả các gốc lysine nằm ở một phía của vịng xoắn và tất cả các gốc acid amin kỵ nước được đặt ở phía đối diện [45].
Lin và cộng sự (2011) đã so sánh các đặc tính sinh học và cấu trúc của các mastoparan trong nọc độc của sáu loài Vespa: V. affinis, V. analis, V. basalis, V. ducalis, V. mandarinia, và V. velutina flavitarsus ở Đài Loan. Tiền
thân của các mastoparan này được bao gồm một trình tự tín hiệu đầu N, một prosequence, mastoparan trưởng thành và một glycine bổ sung ở đầu C. Trình tự tín hiệu bao gồm 23 gốc amino acid, là giống nhau ở tất cả sáu mastoparan
tiền thân [46]. Các mastoparan trưởng thành, sau khi cải biến sau dịch mã, có các đặc tính đặc trưng của các peptide điện tích dương mạch thẳng (giàu các amino acid cơ bản và kỵ nước, khơng có liên kết disulfua). Chúng được mong đợi như một cấu trúc bậc hai xoắn α lưỡng phần.
Quá trình tổng hợp mastoparan bắt đầu với các polypeptide tiền thân bao gồm một trình tự tín hiệu vùng đầu N, một prosequence anion, một peptide mastoparan trưởng thành và một glycine thêm vào ở đầu C. Từ dạng này, quá trình cải biến sau dịch mã bao gồm việc phân tách của trình tự tín hiệu, loại bỏ prosequence và amin hóa đầu C, mastoparan trưởng thành được tạo ra [47].
Signal sequence Prosequence Mature peptide
MP-AF MKNTILILFTAFIALLGFFGMSA EADPIADPIADPISGPNAEADPEA INLKAIAALAKKLFG 62 MP-A MKNTILILFTAFIALLGFFGMSA E--ALADPIADPLAGPNAEADPEA IKWKAILDAVKKVIG 60 MP-B MKSTILILFTAFIALLGFFGMSA E--ALADPLAEPLADPNAEADPEA LKLKSIVSWAKKVLG 60 MP-D MKNTILILFTAFIALLGFFGMSA E--ALADPIADPVAGPNPEADPEA INLKAIAAFAKKLLG 60
MP-M MKNTILILFTAFIALLGFFGMSA E--ALADPKADPLAGPNPDADPEA INLKAIAALAKKLLG 60 MP-V MKNTILILFTAFIALLGFFGMSA E--ALADPVADPLAGPNAEADPEA INWKGIAAMAKKLLG 60 **.******************** * :*** *:*::.** :***** :: *.* .**::*
Hình 1.7 Sự so sánh trình tự của các gốc amino acid của các polypeptide tiền
thân của mastoparan.
Sự amin hóa đầu C của các mastoparan là một đặc tính chung của các lồi thuộc chi Vespa [43-44], [48], [49]. Nó làm bền cấu trúc xoắn α bằng cách cung cấp thêm một liên kết hydro [46]. Hơn thế nữa, hoạt tính kháng khuẩn của các mastoparan được amin hóa được tăng cường so với các peptide được khử amin trong các loài ong săn mồi Polistinae [50].
Mastoparan có một điện tích dương tồn phần (cation) và một cấu trúc xoắn α lưỡng phần (một phân tử có cả tính chất ưa nước và kỵ nước), trong đó tất cả các chuỗi bên của các amino acid kỵ nước là nằm một phía của trục và bazo của các amin acid này hoặc các gốc amino acid ưa nước là nằm ở vị trí phía đối diện. Các peptide này là các phân tử polycation có hoạt tính sinh học mà có thể đính với các màng sinh học và hình thành các lỗ thơng qua các chuỗi
bên được tích điện dương của các cấu trúc xoắn α lưỡng phần, dẫn tới tính thấm màng tế bào được tăng lên [51].
Hầu hết các mastoparan là các tetradecapeptide có chứa hai tới bốn gốc Lysine (Lys, K) ở các vị trí 4/5 và hoặc 11/12 [52]. Một ngoại lệ thú vị là peptide EMP-AF, trong đó các gốc Lys ở vị trí 5, 9 và 12. Sự định vị các gốc lysine ở các vị trí này góp phần duy trì cấu trúc lưỡng phần và xoắn bền vững và có thể góp phần vào hoạt tính ly giải của các peptide này [53], [54].
Bảng 1.2 Trình tự amino acid của một số peptide mastoparan từ nọc của một
số loài ong
Tên (Số truy cập) Trình tự amino acid Khối lượng
(Da)
Loài
Agelaia-mastoparan (P69436)
INWLKLGKAI IDAL 1568 Agelaia pallipes pallipes
Eumenine mastoparan- AF (P0C022)
INLLKIAKGI IKSL 1524 Anterhynchium flavomarginatum micado
Eumenine mastoparan- ER
(P0CJ38)
FDIMGLIKKV AGAL 1476 Eumenes
rubrofemoratus (Solitary wasp)
Mastoparan (P42716)
INWKKMAATALKMI 1619 Parapolybia indica
Mastoparan-J (P01517)
VDWKKIGQHILSVL 1636 Polistes jokahamae
Mastoparan-like peptide PMM2
INWKKIASIG KEVLKAL
(P85874) Mastoparan- 1 (P0C1Q4)
IDWKKLLDAA KQIL 1655 Polybia paulista
Mastopran (P0C1Q5) INWKALLDAA KKVL 1583 Protonectarina sylveirae Mastoparan-1 (P69034)
INWLKLGKKVSAIL 1583 Protopolybia exigua
Mastoparan-2 (P69035)
INWKAIIEAAKQAL 1569 Protopolybia exigua
Mastoparan-3 (P69036)
INWLKLGKAVIDAL 1554 Protopolybia exigua
Mastoparan-A (P0C1Q6)
IKWKAILDAVKKVL 1625 Vespa analis
Mastoparan-B (P21654)
LKLKSIVSWAKKVL 1613 Vespa basalis
Mastoparan-C (P01516)
LNLKALLAVAKKIL 1508 Vespa crabro
Mastoparan-like
peptide 12a (P0C1M4)
INWKGIAAMA KKLL 1557 Vespa magnifica
Mastoparan-like
peptide 12b (P0C1M5)
INWKGIAAMK KLL 1486 Vespa magnifica
Mastoparan-like peptide 12d (P0C5G7)
INLKAIAAMA KKLL 1498 Vespa magnifica
(P04205)
Mastoparan (P17238) INLKAIAALV KKVL 1494 Vespa orientalis
Mastoparan-X (P01515)
INWKGIAAMAKKLL 1557 Vespa simillima xanthoptera
Mastoparan-T (P0C1Q7)
INLKAIAAFAKKLL 1514 Vespa tropica
Mastoparan-L (P01514)
INLKALAALAKKIL 1480 Vespula lewisii
Mastoparan-V1 (P0C1Q8)
INWKKIKSIIKAAMN 1758 Vespula vulgaris
Mastoparan-V2 (P0C1Q9)
INWKKIKSLIKAAMS 1731 Vespula vulgaris
1.3.2. Hoạt tính của mastoparan
1.3.2.1 Hoạt tính chung của mastoparan
Trong hỗn hợp các loại protein/peptide được phát hiện từ nọc ong vò vẽ đơn lẻ và bầy đàn, mastoparan được quan tâm nhiều nhất vì hoạt tính sinh học của nó có thể được ứng dụng chữa đa dạng bệnh. Đây là những peptide đa chức năng, đã được phát hiện và tách chiết từ năm 1979 do nhóm tác giả Hirai Y và cộng sự [43-44]. Các peptide này bộc lộ vơ số dược tính q đáng kể như kháng vi sinh vật, kháng khối u, làm tăng insulin và nhiều ảnh hưởng đến hệ thần kinh. Kiểu tác động của mastoparan phụ thuộc vào loại tế bào. Mastoparan gây ra q trình giải phóng chủ động histamine ở tế bào mast, tiết serotonin từ tiểu cầu, tiết catecholamine từ tế bào sáng ở tuỷ và tiết prolactin từ tuyến yên trước [27]. Mastoparan biểu hiện nhiều hoạt tính sinh học khác nhau, bao gồm việc chèn vào lớp màng lipid kép dẫn đến sự mất ổn định màng và phân huỷ tế bào, hoặc tương tác trực tiếp với các protein G trên bề mặt tế bào chất, gây nhiễu tín
hiệu màng tế bào [55], [56] hoặc kích thích phospholipase, tăng nồng độ Ca 2+
từ ty thể và mạng lưới nội bào, gây hoại tử tế bào hoặc quá trình apoptosis [57], [58]. Hiện nay, mastoparan đang được nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, phân huỷ tế bào máu và tiêu diệt các tế bào ung thư [46], [59-62].
1.3.2.2 Hoạt tính kháng khuẩn của mastoparan
Trong 30 năm qua, người ta đã quan sát thấy sự gia tăng đáng kể của các siêu vi khuẩn phân lập trong môi trường lâm sàng, đặc biệt là các vi khuẩn từ nhóm được gọi là ESKAPE (Enterococcusfoecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter spp.) cho thấy khả năng đề kháng cao đối với tất cả các chất kháng
khuẩn hiện có. Sự xuất hiện của các vi khuẩn kháng kháng sinh là một mối đe dọa tới loài người trên tồn thế giới và do đó đã có một sự quan tâm đáng kể trong sự phát triển của một lớp chất kháng khuẩn mới như một phương pháp trị liệu để điều trị các bệnh truyền nhiễm.
Việc tìm kiếm các chất kháng sinh mới đã tìm thấy một nguồn gần như vô tận của các chất điều trị tiềm năng trong số các peptide kháng khuẩn, với các nguồn bao gồm cả nọc cơn trùng. Các peptide kháng khuẩn là một nhóm peptide đa dạng và độc đáo có chức năng thiết yếu trong đáp ứng miễn dịch bẩm sinh của vật chủ khi bị xâm nhập với các sinh vật gây bệnh. Tuy nhiên, sự hứa hẹn tiềm ẩn đã trở thành những trở ngại đầy thách thức, chẳng hạn như các khó khăn và chi phí tổng hợp các chuỗi peptide dài hơn, phạm vi hoạt động hẹp hơn, độ nhạy của chuỗi peptide ngắn, độc tính thấp đối với vật chủ và tính phù hợp của dược động học thuộc tính. Trong số nhiều peptide kháng khuẩn đã biết, mastoparan và các peptide tương tự mastoparan là những ứng cử viên có đặc điểm tốt nhất. Các mastoparan được tìm thấy trong nọc ong săn mồi, chúng đại diện cho các ví dụ điển hình về peptide kháng khuẩn đã được nghiên cứu [63- 68]. Mastoparan là các peptide kháng khuẩn với 14 gốc amino acid được amin hóa đầu C, có tác dụng rộng rãi chống lại vi khuẩn gram dương và gram âm và các loài nấm [59].
Mastoparan từ nọc của các loài ong đất khác các loài Vespa cũng như V.
Chen và cộng sự (2008) đã tinh sạch và nghiên cứu đặc tính của mastoparan từ nọc của ong Vespa bicolor [71]. Peptide này cho thấy hoạt tính kháng khuẩn chống lại các chủng nấm, vi khuẩn gram âm, vi khuẩn gram dương chuẩn được thử nghiệm. Hơn thế nữa, nó có hoạt tính kháng khuẩn mạnh chống lại các chủng vi khuẩn kháng thuốc được phân lập lâm sàng, nhưng hầu như khơng thể hiện hoạt tính tan huyết chống lại các tế bào hồng cầu.
Yang và cộng sự (2013) đã tinh sạch hai mastoparan (VT1 và VT2) và đã nhận diện năm peptide giống mastoparan bổ sung thuộc các peptide kháng khuẩn tự nhiên từ tuyến độc của ong đất Vespa tropica [72]. Một điều thú vị, trình tự amino acid của mastoparan VT1 (NLKAIAALAKKLL-NH2) là giống hoàn toàn với mastoparan M từ Vespa mandarinia [49]. Mastoparan VT2 có một isoleucine đầu N ngắn hơn so với mastoparan VT1. Hoạt tính kháng khuẩn của các peptide này được thử nghiểm chống lại các chủng vi khuẩn, nấm chuẩn và các chủng vi khuẩn kháng thuốc được phân lập từ lâm sàng. Chúng đã chứng minh hoạt tính kháng khuẩn phổ rộng chống lại tất các các chủng thử nghiệm bao gồm nấm, cả vi khuẩn gram âm và gram dương và có thể cung cấp các mẫu cho phát triển các kháng sinh peptide mới [72].
Nghiên cứu đã được thảo luận trước đây của mastoparan trong nọc độc của sáu loài ong Vespa của Lin và cộng sự (2011) [46] chứng minh rằng tất cả sáu mastoparan cho thấy hoạt tính kháng khuẩn chống lại cả vi khuẩn gram âm và gram dương được thử nghiệm, và sự thẩm thấu màng của các tế bào E.coli. Các nghiên cứu sâu hơn về hoạt tính kháng khuẩn của mastoparan từ V. affinis, mastoparan AF cũng đã được thực hiện bởi nhóm tác giả này [59], [73]. Họ đã chứng minh rằng mastoparan AF có hoạt tính kháng khuẩn chống lại chủng
E.coli đa kháng thuốc được phân lập từ các động vật [59] và các chủng Acinetobacter baumannii lâm sàng đa kháng thuốc được phân lập từ máu của
các bệnh nhân [73]. Ngoài ra, các kết quả đã cho thấy rằng mastoparan AF thể hiện sự tan huyết không đáng kể hồng cầu người ở nồng độ kháng khuẩn hiệu quả của nó [46], và kết hợp với các thuốc kháng sinh nhất định chống lại một số vi sinh vật kháng đa kháng sinh, điều này gợi ý rằng mastoparan AF đơn lẻ hoặc kết hợp với các thuốc kháng sinh khác có thể được phát triển như một loại
thuốc hứa hẹn chống lại các vi khuẩn cho các ứng dụng lâm sàng [59], [73]. Tầm quan trọng của các gốc Lys tới hoạt tính kháng khuẩn của mastoparan cũng đã được điều tra. Yoon và cộng sự (2015) cho thấy mastoparan của V. analis với bốn gốc Lys cho thấy hoạt tính kháng khuẩn và kháng khối u tốt hơn so với mastoparan từ V. crabro với ba gốc Lys [74]. Họ đã làm sáng tỏ điều này có thể là do gốc Lys bổ sung trong peptide mastoparan trưởng thành của V. analis. Li và cộng sự (2000) cho thấy rằng hoạt tính kháng khuẩn của D-mastoparan là tốt hơn so với mastoparan tự nhiên. Họ sử dụng D- mastoparan được tổng hợp hóa học, chứa D-amino acid thay vì các dạng L tự nhiên, cái mà có thể giết vi khuẩn bằng việc phá vỡ các tế bào [75]. Tiềm năng các mastoparan tổng hợp tương tự như các chất kháng khuẩn được điều tra sâu hơn bởi Chen và cộng sự (2018) [76]. Họ đã thiết kế hai mơ hình của mastoparan C (V. crabro) với mục đích cải thiện hoạt tính sinh học của chúng và khả năng thẩm thấu màng. Nghiên cứu tiết lộ rằng mastoparan C là một ứng cử viên tốt cho việc phát triển các chất kháng khuẩn.
1.3.2.3 Cơ chế hoạt động của các mastoparan chung trên màng của vi sinh vật sinh vật
Các mastoparan có chung một đặc tính sinh lý về hoạt tính kháng vi sinh vật của chúng, peptide này có tổng điện tích dương, có lực hút tĩnh điện đối với các bề mặt vi sinh vật tích điện âm, và tạo thành một chuỗi xoắn α lưỡng phần, kết quả của sự phơi bày các gốc kỵ nước trên bề mặt cho việc cài vào phần kỵ nước của bề mặt màng vi sinh vật [77], [78]. Trong quá trình tương tác của chúng với màng, các mastoparan đã được biết là gây ra sự phá vỡ màng thông qua một cơ chế như mơ hình thảm (carpet model), mơ hình có hình xuyến (toroidal model) hoặc mơ hình thùng (barrel-stave model), tuy nhiên, khơng có sự mơ tả rõ ràng nào thu được cho đến nay.