Science | 青蒿素靶向LONP1巧降睾酮治疗PCOS

多囊卵巢综合征（Polycystic ovary syndrome，PCOS）是女性最常见的生殖内分泌紊乱疾病之一，也是育龄期女性不孕的首要原因，其在全球发病率约为10%～13%。多囊卵巢综合征患者常伴有肥胖、胰岛素抵抗、2型糖尿病等，严重影响女性生殖健康和生命质量。目前关于PCOS的发病机制临床上解释如下：女性患者机体激素轴发生紊乱，促性腺激素释放激素对于垂体的刺激异常，导致机体黄体生成素/卵泡刺激素水平失衡，诱发雄激素水平升高以及卵巢功能紊乱。雄激素水平升高一方面诱发卵泡发育受损、排卵异常及子宫内膜病变，另外一方面进一步加重机体激素轴紊乱并诱发胰岛素抵抗。因此临床使用激素类药物控制女性患者雄激素水平是目前治疗的主要策略。

青蒿素是来源于黄花蒿的倍半萜内酯化合物，作为疗效稳定且副作用小的一线抗疟疾药物应用于临床。除了经典的抗疟作用之外，近年来青蒿素类衍生物在治疗自身免疫性疾病，代谢性疾病及某些类型肿瘤方面展现出较大前景。

ATM作为抗PCOS药物的小鼠模型验证

作者使用三种青蒿素衍生物青蒿素甲醚（ATM）、SM934、青蒿素酯（ATS）探究对PCOS的治疗作用。首先给予脱氢表雄酮（Dehydroisoandrosterone，DHEA）和ATM，发现ATM可以明显降低小鼠血清中睾酮水平、改善小鼠发情周期以及缓解小鼠卵巢多囊样症状。随后，通过灌胃以及腹腔注射预先给予DHEA来诱导小鼠PCOS模型，再给予ATM，发现小鼠血清中睾酮水平降低、发情周期改善、卵巢多囊样症状减轻。此外，SM934和ATS同样对小鼠PCOS症状具有缓解作用。综上，作者发现青蒿素类衍生物对于小鼠PCOS样症状具有缓解作用。

ATM缓解大鼠模型中的PCOS样表型

作者接下来探究ATM对大鼠PCOS是否依然具有缓解作用。给予PCOS大鼠ATM，发现ATM可以明显降低大鼠血清中睾酮水平、改善发情周期以及缓解卵巢多囊样症状。随后，作者采用人绒毛膜促性腺激素（Human chorionic gonadotropin，hCG）和胰岛素进行造模，发现ATM对于此类激素造模诱导形成的PCOS样症状依然具有缓解作用，体现在降低大鼠的血清睾酮水平，发情周期正常化以及抑制了多囊卵巢形态。综上，作者发现啮齿类动物模型中，ATM治疗改善PCOS主要特征。

青蒿素通过下调CYP11A1蛋白进而抑制卵巢睾酮生成

作者进一步探究ATM等青蒿素抑制睾酮生成的机制。对睾酮合成通路中间产物进行测定，发现ATM可以显著降低中间产物生成，表明ATM可能通过抑制睾酮合成通路中关键代谢酶进而抑制睾酮生成。对青蒿素处理后的卵巢间质细胞进行蛋白组学分析，发现ATM显著降低CYP11A1蛋白，并且CYP11A1蛋白作为睾酮合成限速酶，表明ATM可能通过降低CYP11A1蛋白表达进而抑制睾酮的合成。随后，对ATM处理后卵巢间质细胞进行免疫印迹分析，发现CYP11A1蛋白水平显著下降。回补CYP11A1催化生成产物孕烯二酮时，即使给予ATM，睾酮水平也会随之上升，沉默CYP11A1蛋白表达后，青蒿素抑制睾酮生成能力也被大幅度消弱。综上，作者推断青蒿素通过下调CYP11A1蛋白进而抑制卵巢睾酮生成。

青蒿素促进LONP1和CYP11A1之间的相互作用

作者对青蒿素下调CYP11A1蛋白机制进行深入探究，发现青蒿素并未降低CYP11A1 mRNA水平，暗示青蒿素可能并不抑制CYP11A1蛋白翻译而是调节其翻译后蛋白水平。随后，使用放线菌酮（Cycloheximide，CHX，蛋白合成抑制剂）联合ATM，发现ATM可以促进CYP11A1降解。对ATM以及SM934处理后的卵巢间质细胞进行IP-MS，发现CYP11A1蛋白与LONP1蛋白（线粒体蛋白酶）二者存在相互作用。对ATM以及SM934处理后的293T细胞进行IP，发现CYP11A1蛋白与LONP1蛋白二者之间相互作用显著增强。因此，作者推测青蒿素促进LONP1和CYP11A1之间的相互作用，预测二者相互作用部位并进行突变后，二者的相互作用被明显削弱。对LONP1蛋白N端结构域、ATP水解酶区域以及蛋白水解域分别截断后IP，发现CYP11A1蛋白与三者之间均存在较强相互作用。综上，作者发现青蒿素促进LONP1和CYP11A1之间的相互作用。

LONP1促进CYP11A1降解导致雄激素合成减少

作者推测青蒿素促进二者相互作用进而促进CYP11A1降解。使用MG132（蛋白酶体抑制剂）以及CDDO-Me（LONP1蛋白抑制剂）联合ATM以及使用siRNA沉默LONP1蛋白表达后，发现CYP11A1蛋白降解均显著下降，表明青蒿素通过促进二者相互作用进而促进CYP11A1降解。对LONP1蛋白进行氨基酸突变（S844A，催化二元体生成关键氨基酸），发现CYP11A1降解显著下降，表明LONP1蛋白完整性对于其蛋白降解功能必不可缺。随后使用体外重组蛋白进行二者相互作用验证，发现ATP对于LONP1的蛋白降解功能也同样必不可缺。在动物模型以及细胞水平进行LONP1过表达，发现CYP11A1蛋白降解水平显著上升以及睾酮合成显著下降。最后，作者对GEO数据库进行分析，发现PCOS患者卵泡膜细胞LONP1基因表达水平显著下调。综上，作者发现LONP1促进CYP11A1降解导致雄激素合成减少。

LONP1是青蒿素的直接靶点

作者接下来进一步探究青蒿素直接作用靶点。使用生物素偶联ATS进行PULL-DOWN实验，发现ATS与LONP1直接结合，同时细胞热迁移分析也发现ATS可增加LONP1蛋白稳定性。分子对接以及SPR实验发现青蒿素与LONP1蛋白存在较高亲和力。因此，LONP1蛋白是青蒿素直接作用靶点。对不同物种LONP1蛋白序列分析，发现847-852位氨基酸为保守序列，同时对接数据显示该段残基对ATS与LONP1蛋白作用贡献巨大。构建847-852位突变体，给予ATM或SM934也不能促进CYP11A1蛋白降解。综上表明，LONP1是青蒿素的直接靶点。

双氢青蒿素对PCOS患者的疗效观察

最后，作者进行青蒿素类似物对于PCOS患者治疗作用临床研究，口服双氢青蒿素能有效改善PCOS患者高雄激素血症和多囊卵巢形态，有助于PCOS患者月经正常化。

本文创新揭示青蒿素直接靶向LONP1，诱导LONP1-CYP11A1二者之间相互作用，促进CYP11A1降解，进而抑制卵巢雄激素的合成，降低女性机体雄激素水平，从而缓解PCOS样症状。该研究结果不仅证明了青蒿素对PCOS患者的治疗作用，而且突出了它们作为分子胶降解剂的潜力。这一发现未来可能会为靶向LONP1-CYP11A1相互作用来控制卵巢雄激素的药物合成开辟新思路。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38870290/

撰稿 | 赖长杰

编辑 | 顾韫慧

参考文献：

1.Liu Y, Jiang JJ, Du SY, et al. Artemisinins ameliorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction. Science. 2024;384(6701):eadk5382. doi:10.1126/science.adk538

2.Zurita Rendón O, Shoubridge EA. LONP1 Is Required for Maturation of a Subset of Mitochondrial Proteins, and Its Loss Elicits an Integrated Stress Response. Mol Cell Biol. 2018;38(20):e00412-17. Published 2018 Sep 28. doi:10.1128/MCB.00412-1

3.Azziz R, Carmina E, Chen Z, et al. Polycystic ovary syndrome. Nat Rev Dis Primers. 2016;2:16057. Published 2016 Aug 11. doi:10.1038/nrdp.2016.5