科研團隊歷經(jīng)7載破解二甲雙胍靶點
當紅幾十年，今朝“明星藥”被釣出“老底”
林圣彩團隊的這一發(fā)現(xiàn)首次從分子角度勾畫出了二甲雙胍行使功能的路線圖，對提高藥物靶點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大眾來說并不陌生。近年來，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、保護心血管、抑制腫瘤生長及緩解神經(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？
二甲雙胍上市用于臨床已有60多年，無數(shù)患者從中受益，但人們始終沒能摸清它的具體作用機制，從而極大限制了醫(yī)學(xué)界對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)院教授林圣彩團隊歷經(jīng)7年科研攻關(guān)，成功找到二甲雙胍直接作用靶點，首次從分子角度勾畫出了二甲雙胍行使功能的路線圖，為進一步拓展其應(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，并對其進行了結(jié)構(gòu)修飾和優(yōu)化。二甲雙胍于1957年上市，被廣泛用于對糖尿病的治療。
通常認為，二甲雙胍直接作用于肝臟、腎臟和腸道，在轉(zhuǎn)運入細胞后，主要通過激活單磷酸腺苷激活的蛋白質(zhì)激酶（AMPK）信號通路來發(fā)揮降低脂肪含量、血糖等重要生物學(xué)功能。
AMPK被譽為人體代謝的總開關(guān)，在細胞能量水平下降時，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開關(guān)的？
此前有實驗發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過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，這些實驗使用了極高的、超過臨床濃度二甲雙胍，遠超臨床用藥劑量，因此這一作用結(jié)果很難真實反映生理效應(yīng)。
值得一提的是，在研究二甲雙胍激活A(yù)MPK的機制時，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(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于AMP的水平提升也沒有任何作用。直觀地說，患者在使用二甲雙胍治療時，細胞中使AMPK得以激活的AMP水平并未提升，可是藥物卻依然奏效。
長期致力于代謝穩(wěn)態(tài)和代謝疾病發(fā)生機制研究的林圣彩團隊認為，種種跡象表明，二甲雙胍對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的通路來激活A(yù)MPK。
2016年，該團隊發(fā)表了二甲雙胍可能通過他們先前發(fā)現(xiàn)的，機體感應(yīng)饑餓和血糖水平下降時所用的一條名為溶酶體途徑的通路來激活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。“當時的研究，相當于追蹤小偷進入了大樓，卻還不知道他在哪個房間。” 林圣彩形象地解釋道。基于上述研究方向，該團隊又經(jīng)過了5年多探索，果然找到了二甲雙胍的分子靶點——PEN2，證實了溶酶體途徑才是二甲雙胍激活A(yù)MPK的正確通路。
用“魚鉤”釣出的靶點
在這一工作中，林圣彩團隊首先和廈門大學(xué)鄧賢明團隊合作，后者通過一系列摸索，突破了多個化學(xué)合成上的難題，合成了二甲雙胍的化學(xué)探針。簡單地說，這個探針的工作原理與釣魚類似，前端的“魚鉤”是二甲雙胍這個分子，后端的“釣竿”則是一個名為生物素的標簽。當前端的二甲雙胍分子碰到了它所結(jié)合的蛋白，也就是靶點以后，科研人員就可以通過后端的標簽，把二甲雙胍連同它的靶點一起“釣”上來，再通過分析，就能準確知道二甲雙胍結(jié)合的靶點是什么。
通過這種方法，研究團隊從細胞中“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行進一步驗證。通過逐一驗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，研究團隊通過基因沉默依次抑制這113個蛋白的表達，最終發(fā)現(xiàn)一個與眾不同的蛋白——PEN2的表達被抑制時，二甲雙胍無法激活A(yù)MPK。這一結(jié)果說明，PEN2能夠介導(dǎo)二甲雙胍對AMPK的激活，即PEN2就是二甲雙胍啟動溶酶體通路、激活A(yù)MPK的關(guān)鍵靶點。
隨后，研究者們進一步在動物體內(nèi)實驗中證實了PEN2的身份。他們將小鼠、秀麗隱桿線蟲的PEN2敲除后發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍無法再激活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。
所有實驗結(jié)果都說明，PEN2在二甲雙胍的作用機制中是個不可或缺的信號分子。對此，研究者們還特意強調(diào)，這條通路不依賴于AMP，不會使細胞內(nèi)AMP水平發(fā)生擾動，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還不會因降低了能量水平，對細胞造成傷害，從而引發(fā)明顯的副作用。
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學(xué)術(shù)界普遍認為，基于二甲雙胍作用機制，未來或許能開發(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后，則極有可能設(shè)計出專一性靶向脂肪組織的二甲雙胍靶點藥物，這無疑為當下日益嚴重的營養(yǎng)過剩等各種代謝性疾病的治療帶來福祉。
此外，PEN2在腫瘤的形成、衰老和癡呆的發(fā)生等過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，可能會對預(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價，“林圣彩團隊的這一發(fā)現(xiàn)首次從分子角度勾畫出了二甲雙胍行使功能的路線圖，對提高藥物靶點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。”
研究團隊表示，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，仍是一個很前沿，或者說很不成熟的領(lǐng)域。以他們此次發(fā)現(xiàn)二甲雙胍的靶點的經(jīng)歷來看，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。對于這種情況，目前并沒有更好的篩選手段，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，未來還需要投入更多研究。
