科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)7載破解二甲雙胍靶點(diǎn)
當(dāng)紅幾十年，今朝“明星藥”被釣出“老底”
林圣彩團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)首次從分子角度勾畫(huà)出了二甲雙胍行使功能的路線圖，對(duì)提高藥物靶點(diǎn)的安全性和有效性都至關(guān)重要，為糖尿病的治療，乃至抗腫瘤、抗衰老藥物的研發(fā)和應(yīng)用提供了嶄新的思路。
李小英
復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科主任
二甲雙胍作為治療糖尿病最常用的藥物對(duì)大眾來(lái)說(shuō)并不陌生。近年來(lái)，一些臨床研究發(fā)現(xiàn)，除了降低血糖，二甲雙胍在緩解脂肪肝、保護(hù)心血管、抑制腫瘤生長(zhǎng)及緩解神經(jīng)退行性疾病癥狀等方面也有一定效果。這些功效究竟從何而來(lái)？
二甲雙胍上市用于臨床已有60多年，無(wú)數(shù)患者從中受益，但人們始終沒(méi)能摸清它的具體作用機(jī)制，從而極大限制了醫(yī)學(xué)界對(duì)這一良藥的理解和應(yīng)用。
近日，這一“科學(xué)謎題”有了答案。中國(guó)科學(xué)院院士、廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授林圣彩團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)7年科研攻關(guān)，成功找到二甲雙胍直接作用靶點(diǎn)，首次從分子角度勾畫(huà)出了二甲雙胍行使功能的路線圖，為進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。
“另辟蹊徑”產(chǎn)生功效
二甲雙胍是于20世紀(jì)20年代從植物山羊豆中分離得到的，隨后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其有降糖作用，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修飾和優(yōu)化。二甲雙胍于1957年上市，被廣泛用于對(duì)糖尿病的治療。
通常認(rèn)為，二甲雙胍直接作用于肝臟、腎臟和腸道，在轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞后，主要通過(guò)激活單磷酸腺苷激活的蛋白質(zhì)激酶（AMPK）信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮降低脂肪含量、血糖等重要生物學(xué)功能。
AMPK被譽(yù)為人體代謝的總開(kāi)關(guān)，在細(xì)胞能量水平下降時(shí)，被升高的磷酸腺苷（AMP）所激活，起到維持物質(zhì)和能量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)功能等重要作用。那么二甲雙胍究竟是如何控制這個(gè)開(kāi)關(guān)的？
此前有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過(guò)抑制線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物的功能，從而提升AMP水平，激活A(yù)MPK，發(fā)揮功效。但值得注意的是，這些實(shí)驗(yàn)使用了極高的、超過(guò)臨床濃度二甲雙胍，遠(yuǎn)超臨床用藥劑量，因此這一作用結(jié)果很難真實(shí)反映生理效應(yīng)。
值得一提的是，在研究二甲雙胍激活A(yù)MPK的機(jī)制時(shí)，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。和二甲雙胍相比，其他合成的AMPK激活劑并不具有二甲雙胍的所有功效，而臨床劑量的二甲雙胍對(duì)于AMP的水平提升也沒(méi)有任何作用。直觀地說(shuō)，患者在使用二甲雙胍治療時(shí)，細(xì)胞中使AMPK得以激活的AMP水平并未提升，可是藥物卻依然奏效。
長(zhǎng)期致力于代謝穩(wěn)態(tài)和代謝疾病發(fā)生機(jī)制研究的林圣彩團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，種種跡象表明，二甲雙胍對(duì)AMPK的激活可能是“另辟蹊徑”的，很可能是以一條全新的、不依賴于AMP的通路來(lái)激活A(yù)MPK。
2016年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了二甲雙胍可能通過(guò)他們先前發(fā)現(xiàn)的，機(jī)體感應(yīng)饑餓和血糖水平下降時(shí)所用的一條名為溶酶體途徑的通路來(lái)激活A(yù)MPK的初步結(jié)論，為二甲雙胍的功效行使指明了粗略方向。“當(dāng)時(shí)的研究，相當(dāng)于追蹤小偷進(jìn)入了大樓，卻還不知道他在哪個(gè)房間。” 林圣彩形象地解釋道。基于上述研究方向，該團(tuán)隊(duì)又經(jīng)過(guò)了5年多探索，果然找到了二甲雙胍的分子靶點(diǎn)——PEN2，證實(shí)了溶酶體途徑才是二甲雙胍激活A(yù)MPK的正確通路。
用“魚(yú)鉤”釣出的靶點(diǎn)
在這一工作中，林圣彩團(tuán)隊(duì)首先和廈門大學(xué)鄧賢明團(tuán)隊(duì)合作，后者通過(guò)一系列摸索，突破了多個(gè)化學(xué)合成上的難題，合成了二甲雙胍的化學(xué)探針。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)探針的工作原理與釣魚(yú)類似，前端的“魚(yú)鉤”是二甲雙胍這個(gè)分子，后端的“釣竿”則是一個(gè)名為生物素的標(biāo)簽。當(dāng)前端的二甲雙胍分子碰到了它所結(jié)合的蛋白，也就是靶點(diǎn)以后，科研人員就可以通過(guò)后端的標(biāo)簽，把二甲雙胍連同它的靶點(diǎn)一起“釣”上來(lái)，再通過(guò)分析，就能準(zhǔn)確知道二甲雙胍結(jié)合的靶點(diǎn)是什么。
通過(guò)這種方法，研究團(tuán)隊(duì)從細(xì)胞中“釣”出了2000多種可能和二甲雙胍結(jié)合的蛋白，又從中篩選出了317種存在于溶酶體上的蛋白進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。通過(guò)逐一驗(yàn)證二甲雙胍和這些蛋白的相互作用，研究人員再次將范圍縮小到113種與二甲雙胍發(fā)生特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因沉默依次抑制這113個(gè)蛋白的表達(dá)，最終發(fā)現(xiàn)一個(gè)與眾不同的蛋白——PEN2的表達(dá)被抑制時(shí)，二甲雙胍無(wú)法激活A(yù)MPK。這一結(jié)果說(shuō)明，PEN2能夠介導(dǎo)二甲雙胍對(duì)AMPK的激活，即PEN2就是二甲雙胍啟動(dòng)溶酶體通路、激活A(yù)MPK的關(guān)鍵靶點(diǎn)。
隨后，研究者們進(jìn)一步在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了PEN2的身份。他們將小鼠、秀麗隱桿線蟲(chóng)的PEN2敲除后發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍無(wú)法再激活A(yù)MPK，而且二甲雙胍誘導(dǎo)的降低葡萄糖水平、肝臟脂肪含量的效果也都消失了。
所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說(shuō)明，PEN2在二甲雙胍的作用機(jī)制中是個(gè)不可或缺的信號(hào)分子。對(duì)此，研究者們還特意強(qiáng)調(diào)，這條通路不依賴于AMP，不會(huì)使細(xì)胞內(nèi)AMP水平發(fā)生擾動(dòng)，這或許可以解釋為什么二甲雙胍在發(fā)揮其治療作用的同時(shí)還不會(huì)因降低了能量水平，對(duì)細(xì)胞造成傷害，從而引發(fā)明顯的副作用。
或?qū)楦嗉膊≈委煄?lái)福祉
學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，基于二甲雙胍作用機(jī)制，未來(lái)或許能開(kāi)發(fā)出更加安全的新型替代藥物。例如，目前二甲雙胍只能作用于肝臟、腸道等少數(shù)幾個(gè)組織，其功效仍有局限性。如果人們想使用二甲雙胍，在減少脂肪的同時(shí)保留健碩的肌肉，而不是一起減少，就要尤其慎重。而在找到二甲雙胍分子靶點(diǎn)后，則極有可能設(shè)計(jì)出專一性靶向脂肪組織的二甲雙胍靶點(diǎn)藥物，這無(wú)疑為當(dāng)下日益嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩等各種代謝性疾病的治療帶來(lái)福祉。
此外，PEN2在腫瘤的形成、衰老和癡呆的發(fā)生等過(guò)程中的作用也被逐步揭示。有研究發(fā)現(xiàn)，不少阿爾茲海默癥患者PEN2基因存在突變。因此，二甲雙胍靶向PEN2，可能會(huì)對(duì)預(yù)防和治療老年性癡呆產(chǎn)生作用。
復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科主任李小英評(píng)價(jià)，“林圣彩團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)首次從分子角度勾畫(huà)出了二甲雙胍行使功能的路線圖，對(duì)提高藥物靶點(diǎn)的安全性和有效性都至關(guān)重要，為糖尿病的治療，乃至抗腫瘤、抗衰老藥物的研發(fā)和應(yīng)用提供了嶄新的思路。”
研究團(tuán)隊(duì)表示，目前，解析類似于二甲雙胍這樣的小分子和蛋白質(zhì)的相互作用，仍是一個(gè)很前沿，或者說(shuō)很不成熟的領(lǐng)域。以他們此次發(fā)現(xiàn)二甲雙胍的靶點(diǎn)的經(jīng)歷來(lái)看，能與二甲雙胍結(jié)合的水溶性蛋白分子，就像水溶液中的各種鹽離子一樣數(shù)不勝數(shù)，而要從這這些海量的水溶性蛋白分子中“釣”出PEN2猶如大海撈針。對(duì)于這種情況，目前并沒(méi)有更好的篩選手段，唯一的方法只能是不厭其煩地逐一篩選。此外，PEN2靶點(diǎn)能否完全解釋二甲雙胍產(chǎn)生的不同作用，是否還存在其他靶點(diǎn)，未來(lái)還需要投入更多研究。
