二甲双胍作用的直接靶点丨Trends in Endocrinology & Metabolism综述

生命科学

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近日，西湖大学吴连锋教授和哈佛医学院Alex Soukas教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Endocrinology & Metabolism发表了一篇题为“The direct targets of metformin in diabetes and beyond”的综述文章。二甲双胍是2型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）治疗的首选药物，虽然它已经被临床使用了超过60年，但其作用机制尚不完全清楚。近年来的研究表明，除了治疗T2D外，二甲双胍还可能对减肥、癌症预防和治疗以及延缓衰老等方面有益。因此，关于二甲双胍的潜在应用和作用靶点的研究非常热门，并取得了一些重要进展。该论文讨论了已知的二甲双胍效应以及在确定其直接靶点方面取得的重要进展。强调了揭示该药物及其直接靶点的结构基础的重要性，并提出了未来二甲双胍研究亟待解决的多个关键科学问题。

基于临床研究与应用确立的二甲双胍作用

治疗糖尿病和多囊性卵巢综合症

二甲双胍最重要的临床应用是治疗T2D（图1）。自1977年起，英国前瞻性糖尿病研究（UKPDS）对服用二甲双胍的T2D患者的血糖和微血管病变进展进行了长达二十年的追踪和记录，结果表明服用二甲双胍的患者具有最低的所有因素死亡风险，并且该药物显著降低了肥胖患者急性心脏收缩疾病的风险[1]。研究还发现，二甲双胍能改善胰岛素抵抗，因此它也被用于预防T2D、治疗1型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）和妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）。除此之外，临床应用中二甲双胍还被用于治疗多囊性卵巢综合症（Polycystic ovary syndrome，PCOS）。PCOS是一种雄激素过多分泌导致的生殖异常疾病，表现为卵巢中出现多卵泡现象，无法产生成熟的卵子。服用二甲双胍可以显著改善月经失调，降低雄性激素水平，改善肥胖情况。

二甲双胍的负面作用

二甲双胍具有较高的安全性，但也会造成一些不良反应（图1）。最明显的是引起服药者胃肠道不适，临床症状包括肠胃异常和呕吐[2]。幸运的是，这一症状可以通过逐渐调整药物剂量来缓解或预防。另外，长期使用二甲双胍也与维生素B12水平下降存在明显的关联[3]。维生素B12水平的下降通常缓慢且不易察觉，而一旦低于临界值，就会对身体造成不可逆转的损伤，特别是损伤神经细胞和造成贫血。因此，在使用二甲双胍治疗过程中，通常建议补充维生素B12。由于二甲双胍不会被人体代谢，几乎完全通过尿液排出，因此会导致环境中大量积累。目前该药物已在全球14个国家的地表水中广泛检测到[4]。这可能导致鱼类攻击性增加等问题。同时，二甲双胍在氯化处理过程中产生的副产物可能对人类健康构成隐匿且更严重的威胁[5]。因此，对其在环境中的累积值得加以关注。

除上述已被证实的临床效应和少许负面效应外，二甲双胍目前被关注更多的是它广泛的潜在益处。如果进一步的研究证实了其潜在的益处，它可能会改变二甲双胍的开方和使用方式，并扩大其在糖尿病管理之外的应用范围。因此，深入理解二甲双胍的作用机制对临床实践具有重大意义。此外，对其直接靶点进行详细的研究能够更全面地了解其药理作用和治疗潜力。

二甲双胍直接靶点的鉴定

众多研究已经尝试确定二甲双胍作用的直接靶点。目前已确认有三个直接靶点蛋白与二甲双胍结合，并获得结构数据支持，分别是线粒体复合物I、细胞色素P4503A4和大肠杆菌二氢叶酸还原酶（ecDHFR）（图2A）。

已获蛋白质结构基础支持的二甲双胍直接靶点

线粒体复合物I

早在1968年，就有研究提出二甲双胍通过抑制线粒体呼吸发挥作用。随后研究报道二甲双胍通过线粒体复合物I发挥作用。直到最近，人们才成功解析了二甲双胍类似物IM1761092与线粒体复合物I的结构[6]。这项研究发现，该类似物对线粒体复合物I的抑制活力，约为二甲双胍的2000倍。结构分析显示，双胍类药物可以在复合物Ⅰ的三个不同位点与其结合：醌结合通道，内质网空间，以及一个与膜域关键部分发生位移的结合位点。

细胞色素P4503A4（Cytochrome P450 (CYP) 3A4）

在线粒体中，细胞色素P4503A4也被发现可以和二甲双胍结合[7]。CYP3A4在药物和外源性物质的代谢中起着关键作用。早期研究揭示二甲双胍可以抑制原代人肝细胞中CYP3A4的表达。研究人员利用晶体学的方法揭示了二甲双胍和CYP3A4之间的直接相互作用，解析了二甲双胍和截断形式的CYP3A4形成的复合物的结构（Δ3-22），报道了该药物与CYP3A4活性位点的结合。

大肠杆菌二氢叶酸还原酶（Escherichia coli dihydrofolate reductase (ecDHFR)）

第一个获得结构解析基础的二甲双胍靶点蛋白是ecDHFR[8]。它是细菌必需的酶，催化二氢叶酸还原为四氢叶酸。研究人员通过核磁共振波谱学（NMR）、晶体学和分子建模，确定了苯乙双胍、丁双胍和二甲双胍与ecDHFR形成的复合物的结构，发现二甲双胍可以与对氨基苯甲酰-L-谷氨酸（pABG）以及占据与pABG相互作用的叶酸结合位点区域的其他配体形成三元复合物。

二甲双胍潜在作用靶点

通过计算辅助方法鉴定作用靶点

计算辅助技术已经成为药物发现和药物靶点识别的重要方法。相关应用的第一种类型是，通过计算筛选潜在靶点，并进行功能验证。通过该方法提出的二甲双胍的潜在靶点包括赖氨酸特异性去甲基化酶6A（KDM6A/UTX）和有机阳离子转运体1/2（OCT1/2），Sirtuin 1（SIRT1）、转化生长因子-β1（TGF-β1）、高基质金属蛋白酶9（MMP-9）、线粒体丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT2）和脂质磷酸酶（SHIP2）。第二种方法是利用计算机模拟确定功能相关蛋白与二甲双胍的结合位点，包括线粒体甘油磷酸脱氢酶（mGPD）、胃蛋白酶和PEN2（图2B）。

通过基于亲和化学蛋白质组学鉴定作用靶点

共价标记和蛋白质组学分析是鉴定药物靶点的强有力工具，包括化学交联和光化学交联（图2C）。通过这个方法，二甲双胍被发现可以结合到高迁移率族蛋白B1（HMGB1）的C末端酸性尾部并抑制其细胞外活性[9]。HMGB1是一种重要的促炎警示蛋白，参与各种炎症反应。然而，还需要进一步的研究确认它是否参与二甲双胍诱导的任何其他作用。此外，最新鉴定的二甲双胍的靶点PEN2也是通过基于亲和性的化学蛋白质组学和计算结构模拟确定的[10]。在这项研究中，研究人员从纯化的溶酶体的裂解物中分离出3042个二甲双胍候选靶点，发现PEN2是在低浓度二甲双胍激活AMPK以及抑制V-ATPase所必须的。

总结

二甲双胍因其各种潜在的健康益处而广受关注，包括促进健康寿命和寿命延长、降低癌症发病率和死亡率、减轻体重，以及其抗高血糖特性。然而，在人类中二甲双胍的真正效果范围仍不确定。除了对血糖调节和产生的相关副作用，二甲双胍的其他效果尚未得到临床数据证实。举例来说，目前缺乏临床证据支持二甲双胍的抗衰老效果。与此同时，二甲双胍在孕期的母体暴露对子代健康的影响也尚不清楚，需要进一步在临床和基础研究中进行探索。

更广泛地拓展二甲双胍的应用需要更全面地了解其介导多效应的直接靶点。线粒体被广泛认识为二甲双胍作用的靶标细胞器。值得关注的是，二甲双胍主要积累在线粒体内[11]。已有多个线粒体蛋白被报道为其直接靶点，包括线粒体复合物I、CYP3A4和SHMT2。此外，细菌蛋白ecDHFR以及肠道微生物群体总体上也被确认为是二甲双胍的作用靶点。重要的是，目前尚不清楚这些直接靶点是否解释了二甲双胍产生的所有效应，还是只解释了特定的效应。未来的研究应该独立验证二甲双胍的直接靶点，并确定它们在介导药物多效应中的作用。这些进一步的认识有助于拓展该药物对更广泛疾病和健康范围的使用。

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