蔣建東院士/彭宗根研究員團隊 | 小檗堿通過sirt3依賴的NDUFS1去乙酰化，改善肝細(xì)胞糖脂代謝

該團隊前期的研究表明，BBR口服后主要分布在肝臟，肝臟是能量代謝的主要器官。鑒于線粒體在細(xì)胞代謝中的上游調(diào)控作用，我們的研究重點是BBR在肝臟線粒體中的分子機制。在本研究中，我們首次發(fā)現(xiàn)線粒體中的Sirtuin 3 （SIRT3）似乎是BBR的主要結(jié)合靶點。

2025年6月6日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所蔣建東院士/彭宗根研究員團隊在Sci China Life Sci（IF 9.5）發(fā)表了題為“Berberine dissociates mitochondrial complex I by SIRT3-dependent deacetylation of NDUFS1 to improve hepatocellular glucose and lipid metabolism”的文章，發(fā)現(xiàn)小檗堿通過SIRT3依賴性NDUFS1去乙酰化解離線粒體復(fù)合物I以改善肝細(xì)胞糖脂代謝。

摘要

許多代謝性疾病由于復(fù)合物I （complex I， CI）功能障礙而表現(xiàn)出線粒體異常。因此，靶向CI的藥物的發(fā)現(xiàn)具有很大的意義。小檗堿（BBR）是一種植物制劑，已被納入最新的ESC/EAS血脂異常管理指南。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)BBR在口服給藥后進入肝細(xì)胞線粒體，并通過降低肝細(xì)胞的氧化磷酸化來改善糖和脂代謝。BBR不是通過直接抑制CI酶活性，而是通過解離CI減少線粒體中CI的豐度，從而快速、選擇性、可逆性地抑制CI功能。BBR直接結(jié)合并激活Sirtuin 3 (SIRT3)，從而減少CI n模塊中催化亞基NDUFS1的乙酰化，導(dǎo)致線粒體CI的解離。綜上所述，BBR作為一種線粒體歸巢劑，通過sirt3依賴的NDUFS1去乙酰化，選擇性地、可逆性地分離線粒體CI，從而改善肝細(xì)胞的糖和脂代謝，表明CI可能是一個有希望的創(chuàng)新天然產(chǎn)物治療代謝性疾病的靶點。

1.BBR在體外和體內(nèi)均可輕易進入肝細(xì)胞線粒體

這些結(jié)果表明BBR口服后確實有利于肝線粒體。然而，BBR從外膜有效轉(zhuǎn)運到線粒體的細(xì)胞機制以及線粒體中是否存在BBR的特定區(qū)域需要進一步研究

圖1 BBR在體外和體內(nèi)均可輕易進入肝細(xì)胞線粒體

2.BBR通過降低線粒體氧化磷酸化改善肝細(xì)胞糖脂代謝

BBR可能通過直接抑制肝臟線粒體中OXPHOS，從而調(diào)節(jié)肝細(xì)胞糖脂代謝

圖2 BBR通過降低線粒體氧化磷酸化改善肝細(xì)胞糖脂代謝

3.BBR以選擇性和可逆的方式快速抑制CI功能

圖3 BBR以選擇性和可逆的方式快速抑制CI功能

4.抑制CI功能對BBR改善肝細(xì)胞代謝至關(guān)重要

線粒體CI是BBR重塑糖/脂代謝表型的關(guān)鍵反應(yīng)元件，至少在肝細(xì)胞中是如此

圖4抑制CI功能是BBR改善肝細(xì)胞代謝的關(guān)鍵

5.BBR不直接抑制肝細(xì)胞內(nèi)CI酶活性

BBR可能具有非經(jīng)典機制，這與經(jīng)典的CI抑制劑通過直接相互作用于CI中的電子傳遞不同

圖5 BBR不直接抑制肝細(xì)胞內(nèi)CI酶活性

6.BBR通過解離線粒體CI抑制線粒體CI活性

結(jié)果進一步表明BBR通過減少線粒體中完整的CI數(shù)量來抑制CI。

圖6 BBR通過解離線粒體CI抑制線粒體CI活性

7.BBR通過sirt3介導(dǎo)的NDUFS1去乙酰化作用解離CI

圖7 BBR通過sirt3介導(dǎo)的NDUFS1去乙酰化作用解離CI

8.BBR直接結(jié)合并激活線粒體SIRT3

為了探究BBR激活腦梗死復(fù)合體中SIRT3的機制，我們研究了BBR是否直接與SIRT3結(jié)合。BBR處理L-02細(xì)胞2 h后，細(xì)胞熱位移測定（CETSA）結(jié)果表明，與對照組相比，BBR顯著增加SIRT3的熱穩(wěn)定性，SIRT3的熱熔解曲線右移（圖8A）證明了這一點。此外，SIRT3的藥物親和力反應(yīng)靶點穩(wěn)定性（drug affinity responsive target stability，DARTS） 結(jié)果表明，與沒有BBR處理的對照組相比，BBR增加了SIRT3的酶的穩(wěn)定性（圖8B）。此外，表面等離子體共振（SPR）實驗顯示BBR和SIRT3之間存在直接相互作用，親和平衡解離常數(shù)（KD）值為1.72 μmol L?1（圖8C）。

然后，我們在體外酶反應(yīng)系統(tǒng)中研究了BBR是否直接激活SIRT3。我們觀察到10 nmol L - 1 BBR可直接增加重組人SIRT3 （rhSIRT3）蛋白的酶活性（圖8D）。然而，值得注意的是，這一增長相對溫和。在細(xì)胞和體內(nèi)環(huán)境中可能產(chǎn)生更明顯的反應(yīng)。在使用Autodock Vina v1.2.2進行的分子對接分析中，我們觀察到BBR和SIRT3之間存在強結(jié)合，其特征是可見的氫鍵和靜電相互作用（圖8E），結(jié)合能為- 8.2 kcal mol - 1。在這個姿勢中，BBR與SIRT3的Glu296、Val292、Pro299、Asp290、Ser253、Arg301、Glu246和Arg235構(gòu)建的疏水口袋結(jié)合，并與Glu246和Arg235形成氫鍵。

利用分子對接分析的結(jié)果，我們探索了BBR與SIRT3相互作用的可能氨基酸位點。分別純化R235A和E246A點突變（rhSIRT3R235A,E246A）或R235A和E246A點突變+ 290-301 aa缺失（rhSIRT3R235A,E246A,?290-301 aa）的rhSIRT3蛋白，用于SPR檢測。結(jié)果顯示，與野生型rhSIRT3（圖8C）相比，BBR和SIRT3R235A、E246A之間的KD值（1.72→10.5 μmol L?1）顯著降低（圖8F）。此外，在SPR實驗中，BBR與SIRT3R235A、E246A、?290-301 aa之間沒有檢測到相互作用（圖8G），這表明SIRT3的Glu246和Arg235以及由290-301 aa組成的構(gòu)象對BBR與SIRT3的結(jié)合至關(guān)重要。因此，這些結(jié)果進一步支持BBR與SIRT3的直接結(jié)合

圖8 BBR直接結(jié)合并激活線粒體SIRT3

結(jié)論

我們發(fā)現(xiàn)BBR是一類新型的代謝改善劑，可以選擇性地進入肝細(xì)胞的線粒體，并通過直接結(jié)合線粒體中的SIRT3來直接調(diào)節(jié)線粒體的CI功能；這一作用觸發(fā)線粒體腦梗死亞基NDUFS1的去乙酰化和腦梗死解離，導(dǎo)致腦梗死活性降低，從而導(dǎo)致電子傳遞鏈中斷。這一作用導(dǎo)致肝細(xì)胞內(nèi)OXPHOS減少，從而改善臨床上的糖脂代謝（圖8H）。線粒體中的SIRT3是BBR的主要靶點，提示CI是治療代謝性疾病的一個有前景的靶點。

綜上所述，BBR自2004年開始用于代謝性疾病患者的臨床治療，其機制復(fù)雜，包括增加低密度脂蛋白受體和胰島素受體的表達(dá)，激活A(yù)MPK，降低PCSK9的表達(dá)。關(guān)鍵問題是BBR在人體內(nèi)的主要作用靶點是什么。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)口服BBR在線粒體中迅速聚集，并直接與線粒體中的SIRT3結(jié)合，從而改善線粒體功能。這種作用機制可能是BBR調(diào)節(jié)能量代謝的主要上游事件之一。

https://link.springer.com/article/10.1007/s11427-024-2834-8

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