01 從α細(xì)胞到β細(xì)胞：代謝重編程打開(kāi)新的可能
糖尿病，尤其是1型糖尿病，其核心病理特征之一是胰島β細(xì)胞功能喪失。因此，如何恢復(fù)功能性β細(xì)胞數(shù)量，一直是糖尿病研究的重要方向。傳統(tǒng)策略多聚焦于干細(xì)胞移植或轉(zhuǎn)錄因子操控，但仍面臨供體短缺、轉(zhuǎn)化效率等挑戰(zhàn)。那么，有沒(méi)有另一種可能——不從外部補(bǔ)充β細(xì)胞，而是重新“喚醒”胰島內(nèi)部已有細(xì)胞的可塑性？
近期，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李晉研究員、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院黃河研究員、復(fù)旦大學(xué)藥學(xué)院周璐教授及中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所俞飚院士團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Chemical Biology發(fā)表題為“Metabolic reprogramming drives pancreatic β cell neogenesis from α cells”的研究[1]，通過(guò)代謝重編程促進(jìn)內(nèi)源性β細(xì)胞再生，為糖尿病治療研究提供了一條值得關(guān)注的新路徑。
研究人員首先通過(guò)表型篩選發(fā)現(xiàn)，PRC2抑制劑能夠顯著誘導(dǎo)α細(xì)胞系中β細(xì)胞標(biāo)志基因的表達(dá)。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，PRC2抑制降低了轉(zhuǎn)錄因子ETV1的乙酰化水平，并削弱其與雄激素受體AR的相互作用。而代謝組學(xué)分析又揭示出一個(gè)值得關(guān)注的差異：與β細(xì)胞相比，α細(xì)胞中的糖原合成代謝更加旺盛，而戊糖磷酸途徑(PPP)通量相對(duì)較低。藥理學(xué)抑制AR或遺傳性敲除ETV1，均可重塑α細(xì)胞代謝，使其轉(zhuǎn)向β細(xì)胞樣狀態(tài)?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究人員合成了膜通透性的ME-6-PG(6-磷酸葡萄糖酸的甲酯化形式)。在小鼠和純化的人類(lèi)α細(xì)胞模型中，ME-6-PG處理均能誘導(dǎo)α細(xì)胞表達(dá)表達(dá)β細(xì)胞特征，并在鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的糖尿病小鼠中顯著升高血清胰島素、降低血糖，同時(shí)改善β細(xì)胞質(zhì)量。
圖1. 該研究概述圖(源自Nature Chemical Biology)
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由此，這項(xiàng)研究勾勒出了一條新的細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控路徑：通過(guò)代謝重編程，推動(dòng)胰島α細(xì)胞向β細(xì)胞樣狀態(tài)轉(zhuǎn)變。研究不僅揭示了PRC2-AR-ETV1信號(hào)軸在維持α細(xì)胞身份中的重要作用，還發(fā)現(xiàn)了ME-6-PG在這一過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。但隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題也更加關(guān)鍵：ME-6-PG進(jìn)入細(xì)胞以后，究竟是怎樣發(fā)揮作用的？
02 從“有效”繼續(xù)追問(wèn)：ME-6-PG在細(xì)胞里作用于誰(shuí)？
在藥物發(fā)現(xiàn)與機(jī)制研究中，“觀察到表型”往往只是第一步。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，ME-6-PG能夠改變α細(xì)胞狀態(tài)，但這種變化究竟只是來(lái)自代謝通量的改變，還是ME-6-PG還會(huì)直接與某些蛋白發(fā)生相互作用？這并不是一個(gè)容易回答的問(wèn)題。因?yàn)榕c經(jīng)典的激酶抑制劑不同，ME-6-PG并沒(méi)有一個(gè)預(yù)先明確的蛋白靶點(diǎn)。為了從復(fù)雜的蛋白質(zhì)組中找到可能與它發(fā)生相互作用的蛋白，研究團(tuán)隊(duì)在這里使用了一項(xiàng)結(jié)構(gòu)質(zhì)譜技術(shù)：有限蛋白水解-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Limited Proteolysis-Mass Spectrometry，LiP-MS）。
LiP-MS的巧妙之處在于，它不需要預(yù)先知道靶蛋白是誰(shuí)。它所利用的是：當(dāng)小分子與蛋白結(jié)合后，蛋白的局部構(gòu)象或動(dòng)態(tài)性可能發(fā)生改變，進(jìn)而改變蛋白不同區(qū)域被蛋白酶切割的“可及性”。因此，通過(guò)比較小分子處理前后蛋白酶解肽段差異，就有機(jī)會(huì)在蛋白質(zhì)組尺度上捕捉由小分子結(jié)合所引起的結(jié)構(gòu)變化。
圖2. Lip-MS技術(shù)示意圖[2]
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利用這一技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)ME-6-PG能夠與胰高血糖素(GCG)發(fā)生直接相互作用。但一個(gè)技術(shù)得到的結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。于是，研究團(tuán)隊(duì)又引入了另一種基于完全不同物理原理的蛋白結(jié)構(gòu)/靶點(diǎn)驗(yàn)證技術(shù)--細(xì)胞熱位移分析（CETSA）。CETSA 利用的是小分子結(jié)合可能改變蛋白熱穩(wěn)定性這一現(xiàn)象。蛋白與小分子發(fā)生相互作用后，其在不同溫度下保持可溶狀態(tài)的比例可能隨之變化。研究中，LiP-MS與CETSA兩種方法相互驗(yàn)證，共同支持了ME-6-PG與GCG蛋白直接相互作用這一發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)一步關(guān)聯(lián)到α細(xì)胞分泌功能及細(xì)胞命運(yùn)變化。
圖3. Lip-MS(左)及CETSA(右)測(cè)試結(jié)果[1]
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其中，CETSA如果進(jìn)一步與定量質(zhì)譜結(jié)合，可以拓展為CETSA-MS/Thermal Proteome Profiling (TPP)。TPP能夠在蛋白質(zhì)組尺度比較藥物處理前后的蛋白熔解曲線(xiàn)，從而尋找潛在的直接和間接藥物靶點(diǎn)；經(jīng)典工作流還可以結(jié)合 TMT 多重標(biāo)記，將不同溫度點(diǎn)整合進(jìn)定量質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)中。
圖4. TPP技術(shù)示意圖[3]
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綜上，該研究的機(jī)制探索并沒(méi)有停留在：加入ME-6-PG→α細(xì)胞發(fā)生變化；而是繼續(xù)向前追問(wèn)：這個(gè)小分子進(jìn)入細(xì)胞以后，可能直接“碰到”了誰(shuí)？這正是現(xiàn)代化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)越來(lái)越重要的價(jià)值所在。
03 不只是“有哪些蛋白”：質(zhì)譜正在幫助我們理解蛋白“發(fā)生了什么”
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)組學(xué)非常擅長(zhǎng)回答兩個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題：
Who？--樣本中有哪些蛋白？
How much？--這些蛋白分別有多少？
而隨著藥物發(fā)現(xiàn)與生命科學(xué)研究不斷深入，我們希望質(zhì)譜能夠回答更多的問(wèn)題：
Where？--修飾或結(jié)合發(fā)生在哪里？
With whom？--它與誰(shuí)發(fā)生相互作用？
甚至進(jìn)一步追問(wèn)：
How？--小分子結(jié)合以后，蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了怎樣的變化？
LiP-MS正是這一技術(shù)演進(jìn)方向中的代表之一。圍繞藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和作用機(jī)制研究，目前已經(jīng)發(fā)展出多條各具特色的質(zhì)譜技術(shù)路線(xiàn)：
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這些技術(shù)之所以對(duì)藥物研發(fā)越來(lái)越重要，是因?yàn)橐粋€(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題始終存在：一個(gè)化合物產(chǎn)生了表型，并不意味著我們已經(jīng)知道它為什么有效。
以這項(xiàng)研究中的ME-6-PG為例。研究人員首先觀察到了α細(xì)胞獲得β細(xì)胞樣特征這一表型。轉(zhuǎn)錄組、代謝組等技術(shù)可以繼續(xù)幫助我們觀察大量下游變化，但如果希望進(jìn)一步建立更加完整的藥理機(jī)制鏈條，還需要繼續(xù)回答：化合物進(jìn)入細(xì)胞后作用于哪些蛋白？
由此，LiP-MS、TPP/CETSA-MS、ABPP等技術(shù)開(kāi)始承擔(dān)起一個(gè)越來(lái)越重要的角色--幫助連接：化合物→直接靶點(diǎn)→通路變化→細(xì)胞表型?，F(xiàn)代質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)也因此越來(lái)越深入地參與到靶點(diǎn)鑒定、靶點(diǎn)占有、選擇性評(píng)價(jià)、脫靶發(fā)現(xiàn)以及作用機(jī)制研究之中。
04 從一臺(tái)質(zhì)譜，到完整的“藥物機(jī)制解析平臺(tái)”
無(wú)論是LiP-MS、TPP，還是ABPP，當(dāng)研究最終進(jìn)入復(fù)雜蛋白質(zhì)組層面的鑒定與定量，高分辨質(zhì)譜都是重要的分析工具。圍繞不同的蛋白質(zhì)組學(xué)研究場(chǎng)景，Thermo Fisher高分辨質(zhì)譜平臺(tái)也形成了Orbitrap Hybrid、Orbitrap Tribrid、Orbitrap Astral等多種技術(shù)架構(gòu)。但對(duì)于現(xiàn)代藥物機(jī)制研究來(lái)說(shuō)，真正重要的往往已經(jīng)不只是“選擇哪一臺(tái)質(zhì)譜”。一個(gè)現(xiàn)代化的質(zhì)譜藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)平臺(tái)，更接近一個(gè)完整的研究體系。
圖5. 質(zhì)譜靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)研究體系示意圖
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也就是從一個(gè)小分子出發(fā)，不只是觀察“細(xì)胞發(fā)生了什么”，而是盡可能回答：它與誰(shuí)結(jié)合？結(jié)合之后，蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了怎樣的變化？是否存在潛在脫靶？哪些信號(hào)通路被重新編程？這些分子事件最終如何與疾病相關(guān)表型建立聯(lián)系？這也是近年來(lái)質(zhì)譜技術(shù)在藥物研發(fā)中一個(gè)值得關(guān)注的角色變化：從“鑒定工具”，逐漸走向“機(jī)制發(fā)現(xiàn)工具”?，F(xiàn)代Orbitrap化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)工作流也越來(lái)越強(qiáng)調(diào)分析通量、蛋白質(zhì)組覆蓋深度和定量精度，以滿(mǎn)足候選化合物篩選、靶點(diǎn)/脫靶發(fā)現(xiàn)以及作用機(jī)制研究等不同階段的需求。
而回到這項(xiàng)糖尿病研究，其意義也不僅僅在于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠改變α細(xì)胞狀態(tài)的代謝物。從PRC2-AR-ETV1信號(hào)軸，到PPP代謝重編程，再到ME-6-PG及其與GCG的相互作用，研究者沿著細(xì)胞表型不斷向分子機(jī)制深入，逐步勾勒出α細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換背后更完整的生物學(xué)圖景。
從“看到變化”，到“理解變化為何發(fā)生”，正是機(jī)制研究不斷深入的過(guò)程。而質(zhì)譜，也正在這個(gè)過(guò)程中扮演越來(lái)越豐富的角色。
參考文獻(xiàn)：
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