降糖、抗衰、抗癌遇瓶頸，怎麼辦？
你為何不問問神奇的二甲雙胍呢？
二甲雙胍作為降糖藥，已經為2型糖尿病患者“服務”了幾十年了，也是目前世界上應用最廣泛的降糖藥物[1]。
除了能降糖，近年來，二甲雙胍還被陸續發現各種其他潛在功效，比如降低膽固醇、抗衰延壽、抗癌等。廣泛的應用、便宜的價格，妥妥的平民戰神，讓不少人直呼“我可以！”（這裡必須處方藥警告）。
不過，這位平民戰神雖說是戰果累累，但關于其作用靶點仍是衆說紛纭。
目前的研究表明，二甲雙胍可直接作用于肝髒、腎髒和腸道，在轉運入細胞後，主要通過激活AMPK信号通路來發揮降糖等重要生物學功能[2,3]。這個AMPK可是人體代謝的總開關，在細胞能量穩态調節中起重要作用。但要細問二甲雙胍是如何打開這個開關的，這中間的關鍵靶點以及相關機制還真說不清楚。
廈門大學的林聖彩院士團隊與鄧賢明團隊聯手合作，為我們撥開了二甲雙胍的靶點疑雲，進一步揭示二甲雙胍的作用機制[4]。
他們發現，一種名為PEN2的蛋白質是關鍵靶點。二甲雙胍在與PEN2發生互作後，會抑制溶酶體質子泵v-ATPase的活性，進而激活AMPK信号通路，發揮降低葡萄糖水準、降低肝髒脂肪含量、延長壽命的功效。
文章于昨日發表在頂刊《自然》上。
論文首頁截圖
在研究二甲雙胍激活AMPK的機制時，科學家們發現一個奇怪的現象。
作為真核細胞中高度保守的、最重要的能量感受器，AMPK可以感覺細胞内葡萄糖水準的變化，當AMP/ATP 、ADP/ATP比率增加時被激活。換句話說，二甲雙胍要想打開AMPK這個開關，得先讓細胞内AMP/ATP 、ADP/ATP的比率波動起來才行[5,6]。
然而，這種變化隻能在小鼠的大劑量口服實驗中觀察到[7]。有研究表明，臨床上患者在使用二甲雙胍治療時，血液中的二甲雙胍濃度并不足以引起細胞中AMP/ATP和ADP/ATP比率出現增加，可是二甲雙胍的療效還好好的[3]。
這樣一來，激活AMPK的典型途徑并不完全适用于二甲雙胍，二甲雙胍可能不走尋常路，以一條全新的、不依賴于AMP的通路用來激活AMPK。
對此，2017年時，林聖彩院士團隊提出了溶酶體通路，并命名為“林通路”。他們認為，二甲雙胍正是以這條不依賴于AMP的通路來激活AMPK的，這為二甲雙胍甚至AMPK的相關機制研究都指出了一個新方向，隻是未能完全揭示溶酶體通路的全貌[8]。
經過研究團隊的不懈探索，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上關鍵一筆。
那就趕緊一起來看看，此次林聖彩院士團隊與鄧賢明團隊是如何找到這個分子靶點的吧。
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，可用于研究與特定靶分子之間發生的特異性互相作用。使這個法子來釣神秘靶點，再合适不過了。
研究者們經過一系列摸索後，成功合成二甲雙胍的分子探針（Met-P），與溶酶體的蛋白質提取物進行孵育。在溶酶體這個池塘裡，以二甲雙胍為餌，引未知靶點分子這條魚上鈎，由生物素分子這根竿完成收線，将二甲雙胍-蛋白質複合物一并收回。再通過質譜等方法，共在溶酶體蛋白質提取物中篩選得到113種與二甲雙胍發生特異性結合的蛋白質。
釣，啥都能釣
但釣魚人都懂一件事，那便是釣獲放流、隻取所需。
此次，研究者們一心所求的，就是那個在二甲雙胍激活AMPK通路中起關鍵作用的靶點。其餘的蛋白質和二甲雙胍發生結合後幹了點兒啥，這是另外的價錢就交給後續研究了。
他們在小鼠胚胎成纖維細胞、人原代肝細胞中，分别敲低這113種蛋白質的表達，進行體外培養，并觀察哪種蛋白質的表達能夠調控二甲雙胍對細胞内AMPK分子的激活作用。
結果顯示，PEN2蛋白質就是研究者們真正要找的魚，是二甲雙胍啟動溶酶體通路、激活AMPK的關鍵靶點。
當PEN2表達被敲低或是Pen2基因被敲除時，二甲雙胍對細胞内AMPK信号通路的激活作用就會被抑制。并鑒定出PEN2上與二甲雙胍相關的關鍵活性位點F35和E40。
PEN2表達敲除時，二甲雙胍在低劑量情況下就無法激活AMPK
研究者們進一步在動物體内實驗中證明了PEN2的身份。
他們将小鼠、秀麗隐杆線蟲的PEN2敲除後發現，二甲雙胍無法再激活AMPK，而且二甲雙胍誘導的降低葡萄糖水準、降低肝髒脂肪含量、壽命延長的效果也都無了。這些足以說明，PEN2在二甲雙胍的作用機制中是個不可或缺的信号分子。
a、c、g：依次為二甲雙胍誘導的降低葡萄糖水準、降低肝髒脂肪含量、壽命延長的效果
最後，從機制上來看，二甲雙胍在轉入細胞并與PEN2發生結合之後，誘導PEN2與v-ATPase的一個亞基——ATP6AP1結合并形成複合物，進而抑制v-ATPase的活性。一旦v-ATPase的活性被抑制，AMPK信号通路即被激活。
綜上所述，林聖彩院士團隊與鄧賢明團隊聯手發現了二甲雙胍的關鍵分子靶點——PEN2。二甲雙胍與PEN2結合後啟動信号通路，通過ATP6AP1激活溶酶體的“葡萄糖傳感器”AMPK，進而發揮降低葡萄糖水準、降低肝髒脂肪含量、延長壽命等功效。
對此，研究者們還特意強調道，這條通路不依賴于AMP，不會使細胞内AMP/ADP 水準發生擾動，這或許可以解釋為什麼二甲雙胍在發揮其治療益處的同時還不會有明顯的副作用。
二甲雙胍的機制還有很多未解之謎，真不知道這位平民戰神到底還有哪些“神力”呢？
參考文獻：
[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.nature.com/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