主题：【分享】龙胆苦苷靶向PAQR3激活PI3K/AKT通路改善糖脂代谢紊乱

龙胆苦苷（Gentiopicroside，GPS）是条叶龙胆的主要活性物质，具有广泛的药理活性，包括抗炎、抗氧化等。最近发现龙胆苦苷能有效改善糖尿病小鼠的周围神经病变和视网膜病。此外，作者之前的研究发现GPS显著改善血糖水平并有效抑制炎症以减轻肾脏微血管病变。然而，GPS是否以及如何改善高脂饮食（HFD）诱导的糖脂代谢仍然很大程度上是未知的。2022年6月，中山大学药学院黄河清/刘培庆教授联合广州中医药大学药学院刘中秋团队在Acta Pharm Sin B（IF=14.5）发表题为“Gentiopicroside targets PAQR3 to activate the PI3K/AKT signaling pathway and ameliorate disordered glucose and lipid metabolism”的文章，发现龙胆苦苷（GPS）有效改善肝脏胰岛素抵抗，改善糖脂代谢紊乱。从机制上讲，GPS促进PAQR3和DDB2的互作，促进DDB2介导的PAQR3泛素降解。此外，GPS直接与PAQR3的N端结合，并在空间上抑制PAQR3与P110 α的互作，从而维持PI3K/AKT信号通路。
1、GPS激活PI3K/AKT通路减少脂质合成并增加葡萄糖利用率棕榈酸（PA）可用于诱导肝细胞和骨骼细胞中的胰岛素抵抗。作者发现GPS能增加PA处理的HepG2细胞中葡萄糖利用率，起到与二甲双胍相似的效果。此外，GPS显著降低HepG2细胞中的TG和TC含量，减少脂滴沉积并增加了糖原合成。考虑到PI3K/AKT轴激活对调节葡萄糖和脂质代谢很重要，作者检测发现，PA刺激显著抑制PI3K活性并减少了PIP3的产生，而GPS共处理可恢复PI3K活性并促进PIP3的产生。此外，FOXO1和SREBP-1c是调控胰岛素信号通路中GCK、G6Pase、PEPCK和LDLR等的主要转录因子，GPS有效阻断了PA诱导的HepG2细胞中的FOXO1和SREBP-1c核易位。图片图1 GPS激活PI3K/AKT通路减少脂质合成并增加葡萄糖利用率2、GPS体外抑制PAQR3与P110α互作促进PI3K/AKT通路激活作者使用PI3K的特异性抑制剂LY294002进一步研究GPS 在 PI3K/AKT 轴上的作用，发现在PA处理的HepG2细胞中，与LY294002的预孵育显著逆转了GPS共处理诱导的PI3K、AKT和GSK3 β磷酸化增加。有研究报道PAQR3竞争性地拴住了高尔基体中PI3K的催化亚基（p110α），以抑制 p110α–p85α二聚体的形成，从而负向调节胰岛素信号通路。作者发现GPS处理显著降低了PA处理细胞中高尔基体中PAQR3和p110α的分布。co-IP结果证实GPS处理可逆转PA刺激导致的PAQR3和p110α互作的增加。同时，GPS处理显著增加p110α与p85α互作，表明GPS处理促进了PI3K二聚体的形成。此外，PAQR3过表达显著逆转了GPS处理对减少高尔基体中PAQR3和P110α分布的影响，消除了GPS共处理诱导的PI3K二聚体（P110α–P85α）的形成，也逆转了GPS诱导的PI3K/AKT轴的激活，而PAQR3敲低足以恢复PI3K/AKT轴并改善糖脂代谢标志物表达，而与GPS联合处理没有产生额外的效果。图片图2 GPS抑制PAQR3与P110α互作促进PI3K/AKT通路激活3、GPS通过DDB2介导的PAQR3体外泛素化抑制PAQR3蛋白表达作者接着研究了GPS负调控PAQR3蛋白水平的机制，发现GPS不影响PA处理的HepG2细胞中PAQR3的mRNA水平，半衰期分析显示GPS处理组PAQR3周转率快于未处理组，表明GPS在翻译后水平上调控PAQR3的表达。据报道PAQR3可能被泛素-蛋白酶体途径降解。作者发现在蛋白合成抑制剂CHX存在下，用蛋白酶体抑制剂MG132处理可以阻断HepG2细胞中PAQR3蛋白的降解，而溶酶体抑制剂氯喹CQ不能阻止PAQR3降解，结果阐明了PAQR3降解是由蛋白酶体介导的。此外，作者发现PAQR3可以被多泛素化。DDB2是一种底物受体模块，可决定靶向底物对泛素化的特异性，最近的研究表明，DDB2是PAQR3的转录后调节因子，可促进泛素介导的PAQR3降解。作者通过过表达DDB2验证了DDB2在促进PAQR3泛素化以恢复PI3K激活中的作用。PA刺激下DDB2下调，PAQR3上调，GPS协同处理显著增加DDB2表达，PAQR3表达降低。此外，PA处理细胞中DDB2和PAQR3的共定位降低，而GPS共处理显著增加了DDB2和PAQR3的共定位。Co-IP结果验证了GPS可促进PA处理细胞中DDB2和PAQR3的互作。此外，GPS诱导的PAQR3泛素化在很大程度上受到DDB2-siRNA的抑制。同时，DDB2敲低损害了GPS对促进PA处理的HepG2细胞中P110α和P85α的互作，损害了GPS诱导的PI3K磷酸化。这些结果表明，GPS通过DDB2介导的PAQR3泛素降解抑制PAQR3的表达。图片图3 GPS通过DDB2介导的PAQR3体外泛素化抑制PAQR3蛋白表达4、GPS直接靶向结合PAQR3Co-IP结果表明GPS可抑制PAQR3和P110α的互作，与PAQR3表达的抑制无关，而这种作用是否可归因于GPS和PAQR3的直接结合尚不清楚。作者利用重组PAQR3蛋白通过SPR、MST和TSA证实了GPS与PAQR3蛋白直接互作。分子对接确定GPS复合物与PAQR3的Leu40、Asp42、Glu69、Tyr125和Ser129形成7个关键氢键，以稳定结合构象，这对GPS的抑制活性很重要。蛋白质配体相互作用指纹图谱（PLIF）计算表明，GPS和Glu69之间存在两种强氢键相互作用和强表面接触，表明Glu69可能是GPS的重要结合位点。利用定点诱变构建PAQR3的PAQR3-S129T/Y125F/E69D/D42E/L40G和PAQR3-E69Del突变体，并通过CETSA和SPR发现Glu69的缺失影响GPS和PAQR3结合，表明 Glu69 可能是GPS的重要结合位点。图片图4 GPS直接结合PAQR35、GPS激活糖尿病小鼠的PI3K / AKT信号通路改善糖脂代谢紊乱采用链脲佐菌素（STZ）和高脂饮食（HFD）诱导的糖尿病小鼠确认GPS在体内的效果，发现GPS给药降低了空腹血糖（FBG）水平和糖化血清蛋白（GSP），降低了肝脏重量/体重（LW/BW）的比值，增加了肝糖原的含量，降低了肝组织中的总胆固醇（TC）和甘油三酯（TG）含量。重要的是，GPS在改善葡萄糖和脂质代谢方面与二甲双胍相当。作者进一步观察了糖尿病小鼠肝脏的形态，发现GPS或二甲双胍均明显改善糖尿病小鼠肝组织病理性肝损伤和脂质沉积，增加了LDLR和GCK在肝脏中的分布，恢复STZ-HFD诱导的受损AKT和GSK3β信号转导，改善了肝脏中糖脂代谢标志物的表达，有效阻断FOXO1和SREBP-1c在肝细胞核中的积累。图片图5 GPS激活糖尿病小鼠的PI3K / AKT通路改善糖脂代谢紊乱6、GPS抑制PAQR3在体内的表达促进PI3K的激活体外结果表明GPS诱导的PAQR3抑制介导了PAQR3在胰岛素抵抗中的保护作用，作者进一步在糖尿病小鼠中检测发现糖尿病小鼠肝组织中PAQR3表达上调，PI3K磷酸化下调，GPS治疗逆转该现象。此外，提取肝组织的高尔基体，Western blot显示GPS降低了高尔基体中PAQR3和p110α的表达，降低 PAQR3 和p110α的共定位。Co-IP结果进一步证实，在糖尿病小鼠中，GPS处理后PAQR3与p110α之间增加的互作受到强烈抑制，P110α与P85α之间的相互作用增加，这与体外结果一致。图片图6 GPS抑制PAQR3在体内的表达促进PI3K的激活7、GPS 促进体内DDB2和 PAQR3的互作来促进PAQR3泛素化降解与细胞实验一致，GPS显示对糖尿病小鼠Paqr3的mRNA水平没有影响。此外，PCR结果表明GPS显著提高了糖尿病小鼠Ddb2的mRNA水平，这可能有助于DDB2蛋白表达的上调。免疫荧光显示，GPS处理的肝组织中DDB2和PAQR3的共定位显著增强。Co-IP结果进一步证实，DDB2和PAQR3的结合在糖尿病小鼠中减少，而GPS处理促进了DDB2和PAQR3在糖尿病小鼠肝组织中的互作。此外，肝组织中PAQR3的泛素化水平在糖尿病期间下调，伴随着PAQR3 蛋白的上调。结果表明，GPS增加了DDB2的表达，这可能促进了PAQR3的泛素化和降解。综上所述，GPS通过DDB2介导的PAQR3泛素介导的降解抑制糖尿病小鼠PAQR3的表达。图片图7 GPS促进体内DDB2和 PAQR3的互作来促进PAQR3泛素化降解总结该研究发现龙胆苦苷在棕榈酸（PA）处理的HepG2细胞中减少脂质合成并增加葡萄糖利用，此外，龙胆苦苷改善了链脲佐菌素（STZ）治疗的高脂饮食（HFD）诱导的糖尿病小鼠的糖脂代谢。机制上，龙胆苦苷通过促进DDB2介导的PAQR3泛素化降解来促进PI3K/AKT轴的激活。此外， SPR、MST和TSA的结果表明，GPS直接与PAQR3结合。分子对接和CETSA结果显示GPS直接与PAQR3 NH的氨基酸结合，并在空间上抑制PAQR3与PI3K催化亚基（P110α）的互作以恢复PI3K/AKT信号通路。总之，研究确定了抑制PAQR3表达并直接靶向PAQR3以恢复胰岛素信号通路的天然产物龙胆苦苷，作为治疗糖尿病的潜在候选药物。