130929-57-6/恩他卡朋（Entacapone）抑制FTO來調(diào)節(jié)FOXO1介導(dǎo)的糖脂代謝

1. 文章來源介紹

北京生命科學(xué)研究所（NIBS）黃牛實(shí)驗(yàn)室于2019年4月17日在Science Translational Medicine雜志發(fā)表了題為“Identification of entacaponeas a chemical inhibitor of FTO mediating metabolic regulation through FOXO1”的文章(Peng et al., 2019)。該文章發(fā)現(xiàn)，恩他卡朋（Entacapone）通過抑制肥胖及肥胖相關(guān)基因（fat mass and obesity-associated gene, FTO），進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄因子FOXO1來調(diào)節(jié)相應(yīng)的糖脂代謝。

2. 研究背景及科學(xué)問題

肥胖和糖尿病以能量穩(wěn)態(tài)受損和機(jī)體代謝紊亂為特征，并已成為現(xiàn)代社會嚴(yán)重的流行病。肥胖及肥胖相關(guān)基因（FTO）本身是一個去甲基酶，主要執(zhí)行m6A的去甲基化功能，全基因組關(guān)聯(lián)研究已經(jīng)確定它是與肥胖和糖尿病等表型相關(guān)的遺傳因素(Yang et al., 2012)。在小鼠模型上，過表達(dá)Fto基因會導(dǎo)致肥胖表型(Church et al., 2010)，而將其敲除則能夠?qū)е滦∈篌w重降低(Fischer et al., 2009)，然而這其中的具體分子機(jī)制還不清楚。另外，目前也沒有作用于FTO的小分子抑制劑來治療肥胖和糖尿病等代謝性疾病。 針對上述未解決的問題，作者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了藥物篩選和后續(xù)的機(jī)制探索研究。

3. 主要技術(shù)方法

藥物篩選方面，作者使用了基于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的虛擬篩選和生化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從1323個FDA批準(zhǔn)的化合物中篩選出了FTO的特異性抑制劑；機(jī)制方面，作者主要通過細(xì)胞模型（Hep-G2）、肥胖小鼠模型（食物誘導(dǎo)的肥胖模型和db/db模型）和轉(zhuǎn)基因小鼠模型（Foxo1基因突變小鼠和肝臟特異性Fto基因敲除小鼠）等進(jìn)行了探索。

4. 重要發(fā)現(xiàn)

1) 虛擬篩選和生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)恩他卡朋是FTO的抑制劑

為了尋找FTO的抑制劑，作者采用虛擬篩選的方法對1323個FDA批準(zhǔn)的化合物進(jìn)行了篩選，最終篩到一個候選化合物——恩他卡朋，并且發(fā)現(xiàn)其作用于FTO的半抑制濃度（IC50）為3.5 μM，當(dāng)使用其處理Hep-G2細(xì)胞時，胞內(nèi)的m6A水平是顯著升高的。作者進(jìn)一步解析了結(jié)合有恩他卡朋時的FTO的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)合時，恩他卡朋可以占據(jù)FTO用來結(jié)合輔助因子和底物的結(jié)合位點(diǎn)，該結(jié)果提供了有力的依據(jù)，從結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上證實(shí)了恩他卡朋的確能夠有效的抑制FTO的活性。

2) 恩他卡朋能夠減輕小鼠體重并降低小鼠肝臟葡萄糖生成

由于FTO已經(jīng)確定與肥胖和糖尿病等代謝異常情況相關(guān)，而作者前文又證實(shí)恩他卡朋是FTO的抑制劑，所以這就促使他們進(jìn)一步去研究恩他卡朋是否能夠用于改善肥胖和糖尿病等代謝異常情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在野生型小鼠中，食物中添加恩他卡朋能夠有效的降低高脂食物誘導(dǎo)的肥胖表型，比如脂肪組織的重量和脂肪指數(shù)（脂肪組織重量/體重×100%）都比對照組有顯著降低；同時，恩他卡朋處理還能夠增加小鼠的能量消耗以及降低血液總膽固醇、低密度脂蛋白、甘油三酯以及血糖的水平；在db/db小鼠中，恩他卡朋處理不但夠顯著降低血糖水平，而且還能改善小鼠葡萄糖不耐受的情況；此外，作者在肝臟特異性敲除Fto的小鼠中也觀察到了類似于恩他卡朋處理db/db小鼠的表型。由于肝臟特異性敲除Fto的小鼠其血液胰島素水平和對照小鼠相比并沒有差異，但是其血糖水平又是降低的，所以作者認(rèn)為肝臟FTO能夠調(diào)節(jié)糖異生過程，而恩他卡朋能夠通過抑制FTO來抑制糖異生。

3) FTO通過調(diào)節(jié)FOXO1的mRNA甲基化水平來影響小鼠葡萄糖生成和產(chǎn)熱

在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步探索了其中的分子機(jī)制。他們在FTO敲低的Hep-G2細(xì)胞中做了RNA-seq，結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖代謝通路是有顯著變化的，其中的關(guān)鍵基因，如G6pc和Pck1是顯著下調(diào)的。已有文獻(xiàn)報(bào)道這兩個基因的轉(zhuǎn)錄因子是FOXO1，因此他們順藤摸瓜，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)FTO能夠促進(jìn)FOXO1 mRNA的去甲基化。由于FOXO1在肝臟組織中能促進(jìn)G6pc表達(dá)，在脂肪組織中能夠抑制Ucp1的表達(dá)，因而這種去甲基化在肝臟組織中是促進(jìn)糖異生、在脂肪組織中是抑制產(chǎn)熱的。反之，當(dāng)用恩他卡朋將FTO特異性抑制時，則在肝臟中抑制了糖異生、在脂肪組織中促進(jìn)了產(chǎn)熱，這對改善機(jī)體的代謝紊亂是極其有利的。

5. 重要性或?qū)︻I(lǐng)域貢獻(xiàn)

Fto是一個編碼去甲基化酶的基因，目前的研究已經(jīng)證實(shí)其與肥胖和糖尿病等代謝性疾病高度相關(guān)，因此它可能是一個潛在的治療代謝紊亂的靶點(diǎn)。但是由于其具體的底物未知，因此其如何參與調(diào)節(jié)機(jī)體代謝也不清楚；另外，目前也沒有可以抑制FTO的小分子化合物，這也限制了其作為靶點(diǎn)在治療代謝性疾病方面的應(yīng)用。本研究的重要貢獻(xiàn)恰恰在于其成功的回答了上述兩個問題：一方面，發(fā)現(xiàn)FOXO1 mRNA是FTO在調(diào)節(jié)代謝紊亂過程中的直接底物；另一方面，發(fā)現(xiàn)作為FDA批準(zhǔn)輔助治療帕金森疾病的恩他卡朋也是FTO的小分子抑制劑。

6. 存在問題及分析

盡管本研究回答了關(guān)于FTO的兩個重要問題，但是誠如文章中所言，該研究也存在著一些局限性。首先，由于人和小鼠是不同的物種，其脂肪組織，尤其是相應(yīng)的代謝水平是存在差異性的，因此還需要進(jìn)一步在人相關(guān)的細(xì)胞系、非人靈長類甚至人本身中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證恩他卡朋通過抑制FTO來調(diào)節(jié)代謝水平的可靠性；其次，由于恩他卡朋在血液中的消除半衰期（elimination half-life）大約只有0.5小時，因此在使用它治療代謝紊亂時還需要從藥物動力學(xué)和藥效學(xué)方面對其加以改進(jìn)。