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(gè)有效策略，就是減少脂質(zhì)的過(guò)度累積。當(dāng)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(guò)加速脂質(zhì)代謝來(lái)改善肥胖等代謝性疾病的病情。

脂質(zhì)消耗的過(guò)程中首先要將脂肪酸活化生成脂酰 CoA，然后進(jìn)入線粒體進(jìn)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(lái)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(jìn)而促進(jìn)脂質(zhì)的消耗。截至目前，有多個(gè)化合物被報(bào)道具有促進(jìn) CPT1 酶的活性^[1]，但是直接靶向 CPT1 酶進(jìn)而將其激活的化合物還未見(jiàn)報(bào)道，因此尋找 CPT1 的直接激動(dòng)劑具有重要的科學(xué)意義。

黃芩是一種常見(jiàn)的中草藥并長(zhǎng)期被中醫(yī)使用，其粗提取物被報(bào)道就有強(qiáng)的降脂效果。尤其是它的主要成分黃芩苷（圖1）被報(bào)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(jī)制仍不清楚。本研究通過(guò)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)其能夠直接靶向激動(dòng)肝臟中的 CPT1（CPT1A）蛋白，加快脂肪酸 β 氧化，促進(jìn)脂質(zhì)的代謝，進(jìn)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(jī)制，Wang C 等首先采用化學(xué)合成的方法將黃芩苷進(jìn)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(yàn)證探針的可行性，他們先將探針與靶蛋白進(jìn)行孵育，然后加入黃芩苷進(jìn)行底物競(jìng)爭(zhēng)。研究結(jié)果顯示，黃芩苷可以將探針競(jìng)爭(zhēng)下來(lái)，證明它們的作用位置相同。將其與細(xì)胞進(jìn)行共孵育后裂解細(xì)胞，通過(guò)紫外光照射將探針?lè)肿优c蛋白進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)，對(duì)蛋白進(jìn)行垂釣，通過(guò) LC-MS-MS 的辦法對(duì)靶蛋白進(jìn)行分析。

圖2 化學(xué)探針的設(shè)計(jì)及靶點(diǎn)垂釣（圖片來(lái)源Proc Natl Acad Sci USA）

        通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)多個(gè)可能的靶點(diǎn)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(dá)，進(jìn)一步去驗(yàn)證真正的作用蛋白。結(jié)果顯示黃芩苷對(duì) CPT1A 基因敲除的細(xì)胞的降脂效果減弱，這說(shuō)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(xì)胞內(nèi)通過(guò)激活 CPT1A 蛋白進(jìn)而發(fā)揮降脂作用（圖3）。溫度依賴的細(xì)胞熱遷移實(shí)驗(yàn)表明，黃芩苷在 100 μM 下可以增加 CPT1A 的熱穩(wěn)定性。分子對(duì)接和氨基酸突變實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)了黃芩苷與 CPT1A蛋白的結(jié)合模式（圖4）。

圖3 基因敲除實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源Proc NatlAcad Sci USA）

圖4 溫度依賴的細(xì)胞熱遷移實(shí)驗(yàn)（A）和分子對(duì)接（B）

（圖片來(lái)源Proc Natl Acad Sci USA）

      體內(nèi)藥效實(shí)驗(yàn)表明，黃芩苷可以明顯促進(jìn) 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(dá)到“減肥”的目的。這些關(guān)鍵的藥效主要是通過(guò)直接激活 CPT1A 酶來(lái)實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)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(lái)留下的寶貴財(cái)富，其蘊(yùn)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(jī)制不明確，使得它們的應(yīng)用推廣受到了限制。本文針對(duì)黃芩中的重要活性成份黃芩苷，對(duì)其進(jìn)行靶標(biāo)機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)了其可以直接靶向脂質(zhì)代謝信號(hào)通路中的 CPT1A 蛋白，進(jìn)而促進(jìn)脂質(zhì)的代謝，改善肥胖所帶來(lái)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(diǎn)的經(jīng)典方法，研究邏輯嚴(yán)密，絲絲入扣，值得每位致力于尋找藥物靶標(biāo)的科研人員學(xué)習(xí)。

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