【中药/天然分子设计】黄芩苷降脂效应的作用靶标及机制研究

随着社会的发展，肥胖已经成为了当代人面临的主要健康问题之一。肥胖症的主要表现为脂质过剩，进而引起一系列的心脑血管、消化系统乃至呼吸系统疾病。线粒体的脂肪酸β-氧化(fatty acid β-oxidation, FAO)是脂质消耗的主要途径，其关键步骤是将脂肪酸辅酶A转移到线粒体内，并生成乙酰辅酶A。在这个过程中，carnitine palmitoyltransferase (CPT)系统，特别是CPT1蛋白，是FAO的限速酶。因此，提高CPT1A的活性是促进脂肪酸代谢的关键。

研究表明，许多具有降脂活性的天然黄酮类化合物对CPT1的转录具有促进作用。然而，这些天然产物是否能直接激动CPT1的活性仍不清楚。黄芩是唇形科植物，富含黄酮类化合物，其粗提物具有很强的降脂作用。该植物的主要成分黄芩苷可显著减少饮食引起的肝脂肪变性，但其作用机制仍不明确。基于此，北京大学王初课题组以黄芩苷为研究对象，通过化学蛋白质组学和分子生物学研究，明确了黄芩苷降脂的主要作用靶点CPT1A及其作用机制。

  首先，研究者对黄芩苷的体外降脂活性和细胞毒性进行了研究，发现黄芩苷在12.5 μM时即可发挥降脂作用，且其细胞毒性相对较低，证实了之前文献报道的结果。由于黄芩苷的结构中不存在明显的“共价基团”，为进一步探究黄芩苷可能的作用靶标，研究人员首先对黄芩苷的结构改造，成功地向其引入了一个光交联基团生物正交基团，构建了探针分子BP及其对照分子CP。随后，研究人员采用SILAC-ABPP的方法，测定了BP探针与黄芩苷竞争性结合的蛋白质表达差异。由于光交联探针的引入可能会产生较多的非特异性结合，研究人员还设置了不同处理条件的三个对照组(BP control、UV control和CP control)。通过对三个对照组和竞争性实验组(competition)差异蛋白的共同分析，研究人员从中确定了142个具有进一步研究潜力的蛋白。基因本体(GeneOntology)分析表明，上述142个蛋白与脂肪酸代谢通路高度相关，这与黄芩苷降脂活性的表型一致。进一步的分析结果表明，该通路共涉及ALDH3A2、ACSL1、ACSL3、ACSL4、CPT1A、ACADVL及HADHA七个蛋白。通过对这七个蛋白进行逐一敲除，研究者发现当敲除CPT1A时，黄芩苷的活性完全丧失，表明CPT1A可能是黄芩苷主要的作用靶点。

  随后，研究人员通过生物物理和分子生物学的方法，证实黄芩苷可直接与CPT1A结合，并可在完整的细胞、细胞裂解液和线粒体提取物中激动CPT1A的活性，但不影响CPT1B、CPT1C的活性。通过RD-ABPP分析和分子对接模拟，作者获得了与黄芩苷作用的四个关键氨基酸，并通过突变实验证实了这四个氨基酸是影响黄芩苷与CPT1A结合的关键氨基酸。

进一步，研究人员通过饮食诱导的肥胖(diet-inducedobesity, DIO)小鼠模型验证了黄芩苷的体内降脂活性：黄芩苷可在400mg/kg的浓度下降低DIO小鼠的体重，降低其体脂比。在不影响小鼠进食量的情况下，促进其能量交换、降低其呼吸交换比，改善肝部脂质聚集和肝重，降低肝部胆固醇和甘油三酯的含量；并证实黄芩苷的体内降脂作用是通过CPT1A起效的。

综上所述，黄芩苷可通过“打开”CPT1A，让更多脂肪进入线粒体燃烧，进而发挥降脂作用。随着我们国家对中药及其天然产物分子在各类疾病中的重视，围绕天然分子的靶标及功能研究必将再次成为药物研发中热点。因此，从本期起，“分子设计”公众号新开辟“中药/天然分子设计”专栏，从我国科学家的研究作为开篇，和大家共享中药及天然产物分子研究中的经典案例。

参考文献

Dai, J.; Liang, K.; Zhao, S.;Jia, W.; Liu, Y.; Wu, H.; Lv, J.; Cao, C.; Chen, T.; Zhuang, S.; Hou, X.; Zhou,S.; Zhang, X.; Chen, X. W.; Huang, Y.; Xiao, R. P.; Wang, Y. L.; Luo, T.; Xiao,J.; Wang, C. Chemoproteomics Reveals Baicalin Activates Hepatic CPT1 toAmeliorate Diet-Induced Obesity and Hepatic Steatosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115, E5896-E5905.