Midas Touch--蛋白组学揭示中药黄芩降脂作用的分子机制
目前全球有超过30%的成人体重超标，如果不进行控制很容易发展为代谢疾病，如非酒精性脂肪肝、二型糖尿病和心血管类慢性疾病。 相对现代医药而言，虽然中医药在很多慢性疾病的预防和缓解上具有一定的优势，但在其分子机理的研究滞后，严重阻碍中医药现代化的脚步。
近日，北京大学王初教授课题组在著名期刊PNAS上报道中药药理的最新成果：利用点击化学结合定量化学蛋白质组学技术，研究者揭示中药黄芩中活性分子黄芩苷Baicalin作为别构调控分子，激活线粒体中脂肪酸代谢关键酶Carnitine Palmitoyltransferase （CPT），加速脂肪酸代谢而延缓因能量摄入过多导致的肥胖[1]。本文的研究策略就好比希腊神话中的midas touch，有点石成金之效，为我们发掘中药宝库打开一扇窗。王初课题组戴建业博士为本文的第一作者，参与本研究的还有北京大学肖俊宇研究员、罗佗平研究员、肖瑞平教授等。
值得一提的是，不久前景杰生物（PTM Biolabs）和Mayo Clinic合作，在Cell Report上报道，CPT1蛋白还具有琥珀酰转移酶的活性【2】（详情请见“分饰两角” -------CPT1A(肉碱棕榈酰转移酶1A)具有琥珀酰转移酶活性）。而线粒体蛋白质琥珀酰化同样在能量代谢调控中发挥重要的调控作用，暗示我们黄芩的药理作用可能也和蛋白质琥珀酰化修饰调控相关。
唇形科植物黄芩在我国是常用的中药材，早在西汉就记载于“医圣”张仲景的名著《伤寒杂病论》，其名方“黄芩汤”主治阳邪入里。现代药理学发现其具有抗脂、抗炎等活性，而主要的活性成分黄芩苷被报道可以改善肥胖及其相关的代谢性疾病，然而其作用机制并不清楚。为此研究者展开了研究：
图1 黄芩中延缓因能量摄入过多导致肥胖的主要活性成分之一：黄芩苷
1. 首先研究人员将HeLa细胞用脂肪酸（HFA）处理后，利用ORO对胞内的脂肪酸进行染色。对比黄芩苷（Baicalin）处理前后，发现Baicalin处理可以抑制细胞内脂类的聚集。
图2 黄芩苷（Baicalin）可以抑制细胞内脂类的聚集
2. 研究人员对baicalin进行化学修饰，添加光交联基团，获得具有类似生物活性，但是可以在特定波长处理下可以和结合蛋白进行化学交流的分子（BP）。然后利用SILAC定量蛋白质组学，分析baicalin处理后BP结合含量降低的蛋白质，最后发现这样的蛋白有142个。通过生物信息分析，上述蛋白多属于脂肪酸代谢途径。利用RNAi将属于脂肪酸代谢的基因knockdown，发现siCPT1A细胞对baicalin处理不敏感，暗示是Baicalin通过CPT1A发挥作用。
3. 随后的体外酶学实验发现，黄芩苷可以明显激活CPT1A和原核表达CPT1A的活性，从而达到加速脂肪酸降解的过程（图 4）。为了进一步确认黄芩苷与CPT1A的直接相互作用，研究者通过Molecular Modeling，预测黄芩苷-CPT1A复合物的模型，并通过对结合位点的关键残基突变， 进一步确认了黄芩苷是CPT1A别构激活剂。
图4 baicalin处理激活CPT1A（左）和原核表达CPT1A（右）的活性
4. 最后，研究人员在小鼠中证明了baicalin不仅有明显的降脂活性，而且可以有效的减轻高脂饮食引起的肥胖和一系列代谢综合征的问题，更为关键的是这些效应是依赖于黄芩苷与CPT1A的直接相互作用（图 5）。
总的来说，该研究以威胁人类健康的肥胖及其相关的代谢性疾病为背景，综合运用点击化学、定量蛋白质组学技术，发现了中药活性分子黄芩苷发挥其降脂作用的靶点CPT1A，从而阐述了其治疗肥胖及其相关代谢疾病的分子机制， 为深入研究中药活性成分提供新的思路，同时也为中医药现代化打下基础。也表明了高通量蛋白质组学、蛋白质修饰组学分析在中药药理与药效机制等方面的强大功能与巨大推动作用。
整篇论文逻辑性非常好，由表及里、由浅入深，非常值得学习和细读，可称作中药蛋白质组学研究的典范。参照本文中采取的研究方法，我们可以总结出中药蛋白质组学的经典研究思路：第一步，确定中药中的主要活性成分，并对其功能进行分析验证；第二步，运用蛋白质组学与修饰组学等技术方法检测蛋白表达差异，研究活性成分发挥作用的靶点与分子机制；第三步，动物水平上验证上述靶点与分子机制。
王初课题组简介：
王初教授是北京大学化学与分子工程学院化学生物系特聘研究员，课题组长期致力于通过化学蛋白质组学、生物化学、细胞生物学和计算生物学等多种跨领域的技术和手段，大规模发掘蛋白质组中被内源生物小分子或外源化学药物分子特异修饰的功能位点和靶点，深入研究这些修饰对蛋白质的结构、功能以及其所在的细胞内新陈代谢和信号传导通路的影响，并开展针对性的分子模拟和药物设计。
近年来，作为通讯作者在Nature，Nature Methods，PNAS，JMol Biol等期刊上发表高水平研究论文。这次他们揭示了传统中药成分黄芩苷治疗肥胖及其相关代谢疾病的分子机制，这些研究为深入研究中药药效物质基础提供新的思路，同时也裨益中医药走进科学的进程。
参考文献：
1. Jianye Dai, et al. (2018), Chemoproteomics reveals baicalin activates hepatic
CPT1 to ameliorate diet-induced obesity and hepatic steatosis. PNAS.
2. Kiran Kurmi, et al. (2018), Carnitine palmitoyltransferase 1A has a lysine succinyltransferase activity. Cell Reports.
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