降糖、抗衰、抗癌遇瓶頸，怎么辦？

你為何不問問神奇的二甲雙胍呢？

二甲雙胍作為降糖藥，已經(jīng)為2型糖尿病患者“服務(wù)”了幾十年了，也是目前世界上應(yīng)用最廣泛的降糖藥物[1]。

除了能降糖，近年來(lái)，二甲雙胍還被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)各種其他潛在功效，比如降低膽固醇、抗衰延壽、抗癌等。廣泛的應(yīng)用、便宜的價(jià)格，妥妥的平民戰(zhàn)神，讓不少人直呼“我可以！”（這里必須處方藥警告）。

不過(guò)，這位平民戰(zhàn)神雖說(shuō)是戰(zhàn)果累累，但關(guān)于其作用靶點(diǎn)仍是眾說(shuō)紛紜。

目前的研究表明，二甲雙胍可直接作用于肝臟、腎臟和腸道，在轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞后，主要通過(guò)激活A(yù)MPK信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮降糖等重要生物學(xué)功能[2,3]。這個(gè)AMPK可是人體代謝的總開關(guān)，在細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中起重要作用。但要細(xì)問二甲雙胍是如何打開這個(gè)開關(guān)的，這中間的關(guān)鍵靶點(diǎn)以及相關(guān)機(jī)制還真說(shuō)不清楚。

廈門大學(xué)的林圣彩院士團(tuán)隊(duì)與鄧賢明團(tuán)隊(duì)聯(lián)手合作，為我們撥開了二甲雙胍的靶點(diǎn)疑云，進(jìn)一步揭示二甲雙胍的作用機(jī)制[4]。

他們發(fā)現(xiàn)，一種名為PEN2的蛋白質(zhì)是關(guān)鍵靶點(diǎn)。二甲雙胍在與PEN2發(fā)生互作后，會(huì)抑制溶酶體質(zhì)子泵v-ATPase的活性，從而激活A(yù)MPK信號(hào)通路，發(fā)揮降低葡萄糖水平、降低肝臟脂肪含量、延長(zhǎng)壽命的功效。

文章于昨日發(fā)表在頂刊《自然》上。

論文首頁(yè)截圖

在研究二甲雙胍激活A(yù)MPK的機(jī)制時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。

作為真核細(xì)胞中高度保守的、最重要的能量感受器，AMPK可以感知細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平的變化，當(dāng)AMP/ATP 、ADP/ATP比率增加時(shí)被激活。換句話說(shuō)，二甲雙胍要想打開AMPK這個(gè)開關(guān)，得先讓細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP 、ADP/ATP的比率波動(dòng)起來(lái)才行[5,6]。

然而，這種變化只能在小鼠的大劑量口服實(shí)驗(yàn)中觀察到[7]。有研究表明，臨床上患者在使用二甲雙胍治療時(shí)，血液中的二甲雙胍濃度并不足以引起細(xì)胞中AMP/ATP和ADP/ATP比率出現(xiàn)增加，可是二甲雙胍的療效還好好的[3]。

這樣一來(lái)，激活A(yù)MPK的典型途徑并不完全適用于二甲雙胍，二甲雙胍可能不走尋常路，以一條全新的、不依賴于AMP的通路用來(lái)激活A(yù)MPK。

對(duì)此，2017年時(shí)，林圣彩院士團(tuán)隊(duì)提出了溶酶體通路，并命名為“林通路”。他們認(rèn)為，二甲雙胍正是以這條不依賴于AMP的通路來(lái)激活A(yù)MPK的，這為二甲雙胍甚至AMPK的相關(guān)機(jī)制研究都指出了一個(gè)新方向，只是未能完全揭示溶酶體通路的全貌[8]。

經(jīng)過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的不懈探索，撥開層層迷霧，如今二甲雙胍的溶酶體通路終于由他們親手補(bǔ)上關(guān)鍵一筆。

那就趕緊一起來(lái)看看，此次林圣彩院士團(tuán)隊(duì)與鄧賢明團(tuán)隊(duì)是如何找到這個(gè)分子靶點(diǎn)的吧。

首先，也是此次研究中的重頭戲——釣魚。

此釣魚非彼釣魚，是指分子探針技術(shù)，可用于研究與特定靶分子之間發(fā)生的特異性相互作用。使這個(gè)法子來(lái)釣神秘靶點(diǎn)，再合適不過(guò)了。

研究者們經(jīng)過(guò)一系列摸索后，成功合成二甲雙胍的分子探針（Met-P），與溶酶體的蛋白質(zhì)提取物進(jìn)行孵育。在溶酶體這個(gè)池塘里，以二甲雙胍為餌，引未知靶點(diǎn)分子這條魚上鉤，由生物素分子這根竿完成收線，將二甲雙胍-蛋白質(zhì)復(fù)合物一并收回。再通過(guò)質(zhì)譜等方法，共在溶酶體蛋白質(zhì)提取物中篩選得到113種與二甲雙胍發(fā)生特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)。

釣，啥都能釣

但釣魚人都懂一件事，那便是釣獲放流、只取所需。

此次，研究者們一心所求的，就是那個(gè)在二甲雙胍激活A(yù)MPK通路中起關(guān)鍵作用的靶點(diǎn)。其余的蛋白質(zhì)和二甲雙胍發(fā)生結(jié)合后干了點(diǎn)兒啥，這是另外的價(jià)錢就交給后續(xù)研究了。

他們?cè)谛∈笈咛コ衫w維細(xì)胞、人原代肝細(xì)胞中，分別敲低這113種蛋白質(zhì)的表達(dá)，進(jìn)行體外培養(yǎng)，并觀察哪種蛋白質(zhì)的表達(dá)能夠調(diào)控二甲雙胍對(duì)細(xì)胞內(nèi)AMPK分子的激活作用。

結(jié)果顯示，PEN2蛋白質(zhì)就是研究者們真正要找的魚，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)。

當(dāng)PEN2表達(dá)被敲低或是Pen2基因被敲除時(shí)，二甲雙胍對(duì)細(xì)胞內(nèi)AMPK信號(hào)通路的激活作用就會(huì)被抑制。并鑒定出PEN2上與二甲雙胍相關(guān)的關(guān)鍵活性位點(diǎn)F35和E40。

PEN2表達(dá)敲除時(shí)，二甲雙胍在低劑量情況下就無(wú)法激活A(yù)MPK

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、降低肝臟脂肪含量、壽命延長(zhǎng)的效果也都無(wú)了。這些足以說(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。

a、c、g：依次為二甲雙胍誘導(dǎo)的降低葡萄糖水平、降低肝臟脂肪含量、壽命延長(zhǎng)的效果

最后，從機(jī)制上來(lái)看，二甲雙胍在轉(zhuǎn)入細(xì)胞并與PEN2發(fā)生結(jié)合之后，誘導(dǎo)PEN2與v-ATPase的一個(gè)亞基——ATP6AP1結(jié)合并形成復(fù)合物，從而抑制v-ATPase的活性。一旦v-ATPase的活性被抑制，AMPK信號(hào)通路即被激活。

綜上所述，林圣彩院士團(tuán)隊(duì)與鄧賢明團(tuán)隊(duì)聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了二甲雙胍的關(guān)鍵分子靶點(diǎn)——PEN2。二甲雙胍與PEN2結(jié)合后啟動(dòng)信號(hào)通路，通過(guò)ATP6AP1激活溶酶體的“葡萄糖傳感器”AMPK，進(jìn)而發(fā)揮降低葡萄糖水平、降低肝臟脂肪含量、延長(zhǎng)壽命等功效。

對(duì)此，研究者們還特意強(qiáng)調(diào)道，這條通路不依賴于AMP，不會(huì)使細(xì)胞內(nèi)AMP/ADP 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)揮其治療益處的同時(shí)還不會(huì)有明顯的副作用。

二甲雙胍的機(jī)制還有很多未解之謎，真不知道這位平民戰(zhàn)神到底還有哪些“神力”呢？

參考文獻(xiàn)：

[1]Bailey CJ, Day C. Metformin: its botanical background. Practical Diabetes International. 2004;21(3):115–7. doi:10.1002/pdi.606

[2]Foretz, M., Guigas, B., Bertrand, L., Pollak, M. & Viollet, B. Metformin: from mechanisms of

action to therapies. Cell Metab. 20, 953–966 (2014).

[3]Graham, G. G. et al. Clinical pharmacokinetics of metformin. Clin. Pharmacokinet. 50,

81–98 (2011).

[4]https://www./articles/s41586-022-04431-8

[5]El-Mir, M. Y. et al. Dimethylbiguanide inhibits cell respiration via an indirect effect targeted

on the respiratory chain complex I. J. Biol. Chem. 275, 223–228 (2000).

[6]Owen, M. R., Doran, E. & Halestrap, A. P. Evidence that metformin exerts its anti-diabetic

effects through inhibition of complex 1 of the mitochondrial respiratory chain. Biochem. J.

348, 607–614 (2000).

[7]Hunter, R. W. et al. Metformin reduces liver glucose production by inhibition of fructose-1-

6-bisphosphatase. Nat. Med. 24, 1395–1406 (2018).

[8]Zhang CS, et al. Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK. Nature. 2017 Aug 3;548(7665):112-116. doi: 10.1038/nature23275. Epub 2017 Jul 19.

本文作者 | 張艾迪