【Science】复旦大学汤其群团队报道青蒿素类衍生物的新应用及其机制

2024-06-16

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是一种普遍存在的生殖内分泌疾病，全球发病率约为10%-13%。其特征是高雄激素血症、排卵功能障碍、多囊卵巢形态，并且通常伴有代谢紊乱。雄激素升高是驱动PCOS表型特征的关键因素。尽管多囊卵巢综合征的患病率很高，但针对这种复杂综合征的药物干预仍面临巨大挑战。目前可用于PCOS的治疗方案有限，主要针对特定症状的管理。因此，迫切需要制定创新的治疗策略。青蒿素是植物来源的化合物，作为疗效稳定且副作用小的一线抗疟疾药物而闻名，但也被证明具有一些有益的代谢作用。复旦大学汤其群教授团队早期系统筛选了促进白色脂肪棕色化的小分子化合物，发现青蒿素类衍生物能够激活产热脂肪细胞来增强能量消耗和胰岛素敏感性的能力，从而防止饮食引起的肥胖和代谢紊乱（Cell Research，2016）。青蒿素在啮齿动物PCOS样模型和人类PCOS患者中的治疗潜力及机制尚不清楚。 2024年6月14日，复旦大学附属中山医院汤其群教授团队在Science（IF=56.9）发表题为“Artemisinins ameliorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction”的文章，发现青蒿素类衍生物能够显著改善PCOS的疾病表型。机制上，青蒿素能够靶向线粒体蛋白酶LONP1，促进LONP1与其底物CYP11A1的结合，加速CYP11A1的降解，抑制卵巢雄激素的合成，降低PCOS患者的雄激素水平，改善月经周期及卵巢多囊样变。该研究证明青蒿素还可以缓解多种啮齿动物模型和人类患者中多囊卵巢综合征的内分泌表现，这表明了一种治疗这种内分泌疾病多个方面的潜在方法。 1、在啮齿类动物模型中，蒿甲醚（ATM）对PCOS样表型有抑制作用为了评估青蒿素对PCOS发展的影响，作者首先使用脱氢表雄酮（DHEA）建立PCOS样小鼠模型，并同时给药发现蒿甲醚（artemether，ATM，一种青蒿素），发现ATM可以消除DHEA处理小鼠血清中升高的睾酮，从而防止PCOS样特征，改善DHEA引起的发情周期中断，改善卵巢异常形态。在观察到预防效果的基础上，作者评估ATM的治疗效果。在建立DHEA诱导的PCOS样模型后，通过腹腔注射不同剂量的ATM处理小鼠，发现ATM降低血清睾酮，恢复正常的发情周期，抑制子宫水肿，并显著减少卵巢囊泡（图1）。图1 小鼠模型鉴定ATM作为抗PCOS药物接下来，作者在大鼠模型中研究了ATM的抗PCOS作用，发现腹腔注射ATM足以使PCOS样大鼠的血清睾酮水平降至与对照大鼠相似的水平，并缓解被打乱的发情周期。卵巢组织学分析显示ATM逆转了DHEA处理大鼠的低排卵表型。在注射胰岛素和hCG（两者都是雄激素产生的强效诱导剂）建立的另一个PCOS样大鼠模型中，这一发现得到了进一步验证综上所述，在啮齿类动物模型中，ATM治疗改善了PCOS的主要特征，包括血清睾酮水平升高、发情周期不规则、多囊卵巢形态和低生育能力（图2）。图2 在大鼠模型中ATM可逆转PCOS样表型 2、青蒿素抑制卵巢中的甾体生成和睾酮产生 ATM引起的睾酮急剧下降促使作者探索青蒿素在调节雄激素合成中的作用。发现在PCOS样模型中，无论是腹腔还是口服，ATM均未显示出对促卵泡激素（FSH）和黄体生成素（LH）的影响。作者猜测青蒿素通过靶向卵巢调节睾酮水平，发现ATM显著抑制卵巢间质细胞中睾酮的产生。同样，SM934，也是一种青蒿素类似物，显示出与ATM诱导的睾酮水平相当的抑制作用。除了降低睾酮，ATM和SM934还明显降低孕烯醇酮、孕酮和17a-OHP，这些都是卵巢甾体生成的中间体和睾酮的前体，这一观察结果被另一种青蒿素衍生物青蒿琥酯（ATS）进一步验证。这些数据强烈表明，青蒿素抑制卵巢膜间质细胞的类固醇生成过程和随后的雄激素合成（图3A-3I）。 3、青蒿素通过降低CYP11A1来限制睾酮的产生为了揭示青蒿素诱导雄激素合成减少的细胞途径，作者对分离的卵巢间质细胞进行蛋白质组学分析，发现CYP11A1是ATM诱导下调最显著的蛋白，CYP11A1催化胆固醇向孕烯醇酮的转化，这是类固醇激素生物合成的第一步，ATM对CYP11A1的下调与前面观察到的青蒿素抑制雄激素合成相一致。作者接着在大鼠和小鼠卵巢间质细胞和PCOS样小鼠卵巢中验证了青蒿素剂量依赖性地下调CYP11A1蛋白，而不影响HSD3B2和CYP17A1。接下来，作者发现补充孕烯醇酮（CYP11A1催化反应的产物）或者过表达CYP11A1挽救了青蒿素处理细胞中下降的睾酮，而CYP11A1表达被破坏后青蒿素无法进一步降低睾酮的产生，表明上调和下调CYP11A1决定了睾酮的产生，青蒿素通过CYP11A1影响睾酮的产生（图3J-3O）。图3 青蒿素通过下调CYP11A1抑制卵巢甾体生成和睾酮产生 4、青蒿素介导LONP1和CYP11A1之间的相互作用作者接着探索青蒿素调节CYP11A1的机制。发现青蒿素诱导的蛋白水平降低，但Cyp11a1的mrna不受青蒿素的影响，表明青蒿素有转录后调控作用。随后，作者检测了CYP11A1的稳定性，发现ATM和SM934明显缩短了CYP11A1蛋白的半衰期。进一步研究表明，蛋白酶抑制剂MG132挽救了ATM和SM934诱导的CYP11A1下调，这共同表明青蒿素通过抑制其蛋白稳定性来降低CYP11A1水平（图4）。为了确定导致青蒿素诱导的CYP11A1不稳定的介质，作者应用IP-MS来鉴定ATM或SM934治疗下CYP11A1的相互蛋白，确定了两个候选蛋白在ATM和SM934均存在，co-IP验证发现其中的LONP1蛋白（一种线粒体蛋白酶，在线粒体蛋白质质量控制中至关重要）为目标蛋白，通过ATM和SM934诱导，LONP1和CYP11A1之间的相互作用显著增强。此外，LONP1过表达显著下调CYP11A1，这些数据表明，LONP1而不是TFG可能参与调节CYP11A1蛋白水平。内源性co-IP进一步证实，ATM和SM934增强了LONP1和CYP11A1之间的结合亲和力。综上所述，这些数据强烈表明，青蒿素增强了CYP11A1-LONP1的关联，就像“分子胶”一样，是一类诱导或稳定蛋白质之间相互作用的小分子。接下来，通过分子对接预测了LONP1和CYP11A1的结合位点，蛋白突变验证了CYP11A1中F252-T259区域对于CYP11A1-LONP1相互作用至关重要（图4）。图4 青蒿素增强了LONP1和CYP11A1之间的相互作用 5、LONP1促进CYP11A1降解，抑制睾酮合成在确定了青蒿素增强了CYP11A1-LONP1的相互作用之后，作者试图研究LONP1在青蒿素诱导的CYP11A1降解中的作用。发现LONP1过表达降低了CYP11A1水平，MG132挽救了CYP11A1水平，MG132是一种蛋白酶抑制剂，也能够抑制LONP1。这些结果与上述数据一致，表明MG132可以恢复青蒿素引起的CYP11A1下降。此外， CDDO-Me（LONP1抑制剂）逆转了ATM引起的CYP11A1表达降低，敲低LONP1完全逆转了ATM诱导的CYP11A1下降。而催化失活的LONP1 (LONP1-S844A) 没有像WT LONP1那样降低CYP11A1的表达或缩短CYP11A1蛋白的半衰期，说明LONP1通过其蛋白酶活性降低了CYP11A1（图5）。为了证实LONP1是否直接介导了CYP11A1的下调，作者使用纯化的CYP11A1和LONP1蛋白进行了体外蛋白酶测定，发现ATM促进了LONP1催化的CYP11A1降解，而在缺乏LONP1或ATP的情况下，ATM对CYP11A1没有影响。此外，CYP11A1 (DF252-T259)的突变体形式未能与LONP1结合，对青蒿素诱导的下调表现出抗性。这些观察结果共同支持了LONP1在介导青蒿素诱导的CYP11A1下调中不可或缺的作用。接下来，作者评估了LONP1对卵巢雄激素合成的影响，发现LONP1的过表达下调了CYP11A1蛋白，进而降低孕烯醇酮、孕酮、17a-OHP和睾酮水平。通过腹腔注射AAV-LONP1在小鼠卵巢中过表达LONP1。结果显示，LONP1降低了CYP11A1同时抑制了血清睾酮。这些数据共同表明，LONP1的过表达复制了青蒿素降低雄激素的作用（图5）。图5 LONP1促进CYP11A1降解，抑制睾酮合成 6、LONP1是青蒿素的直接靶点然后，作者试图确定青蒿素是否直接靶向LONP1或CYP11A1。通过生物素标记的青蒿素进行Pulldown实验证实了bio-ATS有效地降低了CYP11A1，进一步发现bio-ATS对LONP1蛋白而不是CYP11A1具有结合亲和力。游离ATS、ATM或SM934的竞争以及实验热稳定性实验同样表明LONP1，而不是CYP11A1，是青蒿素的直接靶点。进一步分子对接确定了青蒿素与靶点的结合模式。SPR和蛋白突变实验证实青蒿素对CYP11A1水平的抑制作用很大程度上依赖于其与LONP1蛋白水解结构域的结合。图6 LONP1是青蒿素的直接靶点 7、双氢青蒿素治疗多囊卵巢综合征的疗效观察最后，作者进行了一项试点临床研究，以验证青蒿素治疗多囊卵巢综合征患者的疗效。19例PCOS患者口服双氢青蒿素治疗12周，发现双氢青蒿素治疗显著降低了PCOS患者的血清睾酮。血清AMH水平与生长卵泡的数量密切相关，因此在PCOS患者中通常升高，而双氢青蒿素治疗显著降低了血清AMH。与这一结果一致的是，超声检查发现，双氢青蒿素治疗后，窦腔卵泡计数明显减少。63.16%的PCOS患者恢复了正常的月经周期。结果表明双氢青蒿素可有效改善PCOS患者高雄激素血症，改善多囊卵巢形态，促进月经正常。图7 双氢青蒿素治疗多囊卵巢综合征的疗效观察总结在这项研究中，作者将青蒿素确定为抗PCOS药物研究结果证明了青蒿素衍生物在缓解啮齿动物模型和人类患者的PCOS症状方面的功效，通过抑制卵巢雄激素合成来抑制高雄激素血症。青蒿素促进CYP11A1蛋白降解以阻止雄激素过量产生。从机制上讲，青蒿素直接靶向LONP1，增强了LONP1-CYP11A1相互作用，并促进了LONP1催化的CYP11A1降解。LONP1 的过表达复制了青蒿素的降雄激素作用。研究数据表明，青蒿素的应用是治疗多囊卵巢综合征的一种有前途的方法，并强调了LONP1-CYP11A1相互作用在控制高雄激素血症和多囊卵巢综合征发生方面的关键作用。图8 青蒿素类衍生物抑制PCOS发生的分子机制促雄激素诱导剂人绒毛膜促性腺激素（hCG）破坏LONP1和CYP11A1之间的相互作用，导致CYP11A1的上调，从而促进雄激素生成并加剧PCOS。相反，青蒿素介导LONP1-CYP11A1相互作用，促进CYP11A1降解，随后抑制卵巢雄激素合成。因此，青蒿素在改善啮齿动物和人类患者的PCOS症状方面显示出疗效。参考文献 Liu Y, Jiang JJ, Du SY, Mu LS, Fan JJ, Hu JC, Ye Y, Ding M, Zhou WY, Yu QH, Xia YF, Xu HY, Shi YJ, Qian SW, Tang Y, Li W, Dang YJ, Dong X, Li XY, Xu CJ, Tang QQ. Artemisinins ameliorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction. Science. 2024 Jun 14;384(6701):eadk5382. doi: 10.1126/science.adk5382. Epub 2024 Jun 14. PMID: 38870290. 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手觉得本文好看，请点这里↓