黃芩苷激活CPT1酶在改善肥胖相關(guān)疾病中的應(yīng)用
想要改善肥胖和代謝紊亂等不良狀況的一個有效策略，就是減少脂質(zhì)的過度累積。當前所采用的策略主要包括：健康的飲食、手術(shù)清除多余的脂肪、抑制脂質(zhì)的生物合成等方面。脂質(zhì)的累積主要是由于脂質(zhì)代謝的失衡所導(dǎo)致，因此可通過加速脂質(zhì)代謝來改善肥胖等代謝性疾病的病情。
脂質(zhì)消耗的過程中首先要將脂肪酸活化生成脂酰 CoA，然后進入線粒體進行脂肪酸的 β-氧化，而肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶 I（CPT1）是脂肪酸 β 氧化的限速酶，具有十分重要的作用。從藥理學(xué)角度來講，使用可以活化 CPT1 酶的藥物能夠增加脂肪酸的氧化代謝，進而促進脂質(zhì)的消耗。截至目前，有多個化合物被報道具有促進 CPT1 酶的活性[1]，但是直接靶向 CPT1 酶進而將其激活的化合物還未見報道，因此尋找 CPT1 的直接激動劑具有重要的科學(xué)意義。
黃芩是一種常見的中草藥并長期被中醫(yī)使用，其粗提取物被報道就有強的降脂效果。尤其是它的主要成分黃芩苷（圖1）被報道能夠改善飲食誘導(dǎo)的脂肪肝癥狀，然而其發(fā)揮作用的機制仍不清楚。本研究通過多種化學(xué)生物學(xué)和蛋白組學(xué)的方法，研究黃芩苷的作用機制，發(fā)現(xiàn)其能夠直接靶向激動肝臟中的 CPT1（CPT1A）蛋白，加快脂肪酸 β 氧化，促進脂質(zhì)的代謝，進而改善飲食誘導(dǎo)的肥胖和脂肪肝。
圖1 黃芩苷的結(jié)構(gòu)
為了探討黃芩苷的作用機制，Wang C 等首先采用化學(xué)合成的方法將黃芩苷進行結(jié)構(gòu)衍生獲得與黃芩苷具有相似活性的光交聯(lián)分子探針。為了驗證探針的可行性，他們先將探針與靶蛋白進行孵育，然后加入黃芩苷進行底物競爭。研究結(jié)果顯示，黃芩苷可以將探針競爭下來，證明它們的作用位置相同。將其與細胞進行共孵育后裂解細胞，通過紫外光照射將探針分子與蛋白進行共價交聯(lián)，對蛋白進行垂釣，通過 LC-MS-MS 的辦法對靶蛋白進行分析。
圖2 化學(xué)探針的設(shè)計及靶點垂釣（圖片來源Proc Natl Acad Sci USA）
通過對結(jié)果進行分析，他們發(fā)現(xiàn)多個可能的靶點蛋白。于是作者采用 RNA 干擾技術(shù)將這些可能的蛋白基因敲低表達，進一步去驗證真正的作用蛋白。結(jié)果顯示黃芩苷對 CPT1A 基因敲除的細胞的降脂效果減弱，這說明黃芩苷與脂肪酸代謝通路中的CPT1A 蛋白能夠直接的發(fā)生相互作用，在細胞內(nèi)通過激活 CPT1A 蛋白進而發(fā)揮降脂作用（圖3）。溫度依賴的細胞熱遷移實驗表明，黃芩苷在 100 μM 下可以增加 CPT1A 的熱穩(wěn)定性。分子對接和氨基酸突變實驗預(yù)測了黃芩苷與 CPT1A蛋白的結(jié)合模式（圖4）。
圖3 基因敲除實驗（圖片來源Proc NatlAcad Sci USA）
圖4 溫度依賴的細胞熱遷移實驗（A）和分子對接（B）
（圖片來源Proc Natl Acad Sci USA）
體內(nèi)藥效實驗表明，黃芩苷可以明顯促進 DIO 小鼠的脂質(zhì)的代謝，降低DIO 小鼠身體的脂肪含量，改善高脂飲食所引起的一系列代謝性綜合征。除此之外，黃芩苷可以明顯降低 DIO 小鼠的體重，達到“減肥”的目的。這些關(guān)鍵的藥效主要是通過直接激活 CPT1A 酶來實現(xiàn)的（圖5）。研究人員表示，小分子化合物不僅具有直接作為藥物進行臨床開發(fā)的潛力更在重編程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。
圖5 體內(nèi)藥效實驗（圖片來源ProcNatl Acad Sci USA）
Reference：
[1] Choi SH, Park SK, et al. AMPKα, C/EBPβ, CPT1β, GPR43, PPARγ, and SCD Gene Expression in Single- and Co-cultured Bovine Satellite Cells and Intramuscular Preadipocytes Treated with Palmitic, Stearic,Oleic, and Linoleic Acid.Asian-Australas J Anim Sci.2015 Mar;28(3):411-9.
[2 ] Wang C, et al.Chemoproteomicsreveals baicalin activates hepatic CPT1 to ameliorate diet-induced obesity andhepatic steatosis.Proc Natl Acad Sci U S A. 2018,115(26):E5896-E5905.
小M 的小思考：
中醫(yī)藥作為中華民族幾千年來留下的寶貴財富，其蘊含著豐富的化學(xué)活性成份。但由于這些活性成份的作用機制不明確，使得它們的應(yīng)用推廣受到了限制。本文針對黃芩中的重要活性成份黃芩苷，對其進行靶標機制的研究，發(fā)現(xiàn)了其可以直接靶向脂質(zhì)代謝信號通路中的 CPT1A 蛋白，進而促進脂質(zhì)的代謝，改善肥胖所帶來的多種代謝綜合征。文中所使用的化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)是目前尋找化合物作用靶點的經(jīng)典方法，研究邏輯嚴密，絲絲入扣，值得每位致力于尋找藥物靶標的科研人員學(xué)習(xí)。
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