芝麻素通过CYP1A2介导的脂质代谢和氧化应激调控改善高糖高脂饮食诱导的肝功能障碍

《Journal of Cellular and Molecular Medicine》：Sesamin Ameliorates High-Sugar, High-Fat Diet-Induced Hepatic Dysfunction via CYP1A2-Mediated Regulation of Lipid Metabolism and Oxidative Stress

　　

背景：高糖高脂饮食（HSDFD）可导致肝功能障碍，但像芝麻素（sesamin）这样的保护性化合物的分子机制仍不清楚。方法：研究人员采用了一种结合计算机模拟（in silico）和体内（in vivo）技术的多方面方法。利用AlphaFold数据库，筛选了多物种蛋白质组以识别潜在的芝麻素靶点。使用分子动力学模拟和MM-PBSA分析来表征芝麻素-蛋白质相互作用。体内研究包括对HSDFD喂养小鼠肝细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。研究人员通过细胞热转变分析（CETSA）、药物亲和力响应靶点稳定性（DARTS）分析、蛋白质印迹（Western blotting）和定量PCR（qPCR）验证了研究结果。结果：HSDFD诱导了具有高CYP1A2丰度的肝细胞亚群显著重新分布。计算分析将CYP1A2鉴定为芝麻素的直接靶点，具有物种特异性相互作用模式。芝麻素与CYP1A2稳定结合，通过微妙的构象变化调节其活性。关键残基F451和I386对于芝麻素调节CYP1A2介导的活性氧（ROS）产生至关重要。芝麻素补充通过调节脂肪酸代谢和氧化应激反应改善了HSDFD诱导的肝功能障碍。结论：本研究揭示了CYP1A2是芝麻素在HSDFD诱导的肝功能障碍中的关键分子靶点，为代谢性肝病的潜在治疗策略提供了新见解。

**研究背景与问题**
高糖高脂饮食（HSDFD）是导致非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）等代谢性肝病的关键因素，但其分子机制尚未完全阐明。芝麻素（sesamin）作为芝麻中的主要木脂素类化合物，已被报道具有抗氧化、抗炎和降脂等多重生物活性，然而其改善HSDFD诱导肝功能障碍的直接分子靶点尚不明确。现有研究多聚焦于芝麻素与过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）或抗氧化酶等通路的关联，但缺乏跨物种、全蛋白组的系统靶点筛选。因此，研究人员旨在利用AlphaFold预测的蛋白质结构数据库，对芝麻素进行跨物种虚拟筛选，鉴定其直接作用靶点并验证其功能，为代谢性肝病的治疗提供新策略。该论文发表在《Journal of Cellular and Molecular Medicine》。

**研究内容与结论**
研究人员通过整合计算机模拟、单细胞转录组学、分子动力学模拟及多种体外实验，发现芝麻素直接靶向细胞色素P450 1A2（CYP1A2），并通过调控其介导的活性氧（ROS）产生和脂质代谢，改善HSDFD诱导的肝功能障碍。研究首次揭示了CYP1A2是芝麻素在哺乳动物中的保守靶点，并鉴定了关键结合残基F451和I386，为芝麻素的作用机制提供了分子基础。该工作不仅阐明了天然产物芝麻素在代谢性肝病中的保护机制，也为利用人工智能驱动的结构生物学研究天然产物靶点建立了新范式。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用的研究方法包括：利用AlphaFold数据库获取小鼠、大鼠、斑马鱼和人类的全蛋白质组结构，通过fpocket鉴定结合口袋并用AutoDock Vina进行虚拟筛选；对HSDFD喂养的C57BL/6小鼠（8周龄雄性，购自上海SLAC）进行6个月饮食干预，同时口服补充芝麻素（10 g/kg饲料），随后收集肝脏进行组织病理学（H&E、油红O、Masson三色、天狼猩红染色）和生化分析（血清脂质、肝脏TC/TG、SOD/GPx/MDA/T-AOC）；对AML12小鼠肝细胞系、THLE-2人肝细胞系及原代小鼠肝细胞进行油酸（OA）诱导的脂质超载模型，结合Cyp1a2过表达/敲除、CETSA、DARTS、Western blotting和qPCR验证靶点结合；采用单细胞RNA测序（scRNA-seq，GEO: GSE182365）分析肝细胞亚群变化；使用GROMACS对CYP1A2-芝麻素复合物进行100 ns分子动力学模拟及MM-PBSA能量计算。

**研究结果**
**3.1 转录组学分析揭示芝麻素对肝脏脂质代谢的影响**
通过小鼠肝脏转录组测序（RNA-seq），基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，芝麻素显著影响脂肪酸代谢、脂肪酸延伸、PPAR信号通路和脂肪酸降解等通路。基因网络分析进一步指出，芝麻素上调了脂肪酸β-氧化相关基因（如Acaa1b、Acaa2、Hadha、Hadhb、Cpt2），提示其可能增强肝脏脂肪酸氧化。

**3.2 跨物种分析揭示芝麻素与CYP1A2的保守高亲和力相互作用**
对4个物种蛋白质组的虚拟筛选结果显示，芝麻素在人、小鼠和大鼠的CYP1A2上具有高结合亲和力，但在斑马鱼同源蛋白CYP1A上无类似结合。分子对接分析表明，芝麻素在哺乳动物CYP1A2中占据相似结合腔，并与关键残基（如人源F451、I386）形成氢键和疏水作用。在原代小鼠肝细胞中，芝麻素以剂量依赖和时间依赖方式上调CYP1A2表达，并调节氧化应激和脂质代谢相关蛋白。

**3.3 单细胞RNA测序揭示HSDFD诱导的肝细胞亚群转录组重塑**
对小鼠肝脏scRNA-seq分析显示，HSDFD导致肝细胞亚群密度分布显著改变，出现Igfbp7^?、Col4a1^?和Galnt17^hi等新亚群。CYP1A2在所有肝细胞亚群中广泛表达，且在HSDFD诱导的Igfbp7^?亚群中显著上调。基因本体富集分析表明，不同亚群在抗氧化活性、超氧化物歧化酶活性和对营养水平的反应等功能上存在差异。

**3.4 单细胞分析揭示饮食诱导的肝细胞亚群代谢重编程**
HSDFD诱导的Galnt17^hi亚群显示出脂肪酸延长活性升高，而Igfbp7^?亚群在糖酵解、氧化磷酸化和三羧酸（TCA）循环通路中活性降低。HSDFD普遍增强所有亚群的脂肪酸降解和细胞色素P450介导的异源物质代谢。将小鼠肝细胞亚群映射到人类蛋白质图谱，发现HSDFD促使细胞向脂肪酸代谢活性高的区域迁移。

**3.5 芝麻素缓解HSDFD诱导的肝脏脂质积累和代谢异常**
尽管计算机模拟的ADMET（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）预测提示芝麻素可能存在低肠道吸收和潜在肝毒性，但体内实验未发现肝损伤。与HSDFD组相比，芝麻素补充减少了肝脏脂质空泡和油红O染色阳性区域，降低了血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）、总胆固醇（TC）和甘油三酯（TG）水平，以及肝脏TC和TG含量。免疫组化显示Cyp1a2表达在HSDFD和芝麻素处理下发生改变。时间进程Western blotting显示，在HSDFD喂养小鼠肝脏和OA处理原代肝细胞中，Cyp1a2、抗氧化应激蛋白（Nrf2、Nqo1、Sod1、Sod2）和脂质代谢蛋白（Fabp1、Scd1、Pgc1α、Pparα）均随时间进行性上调，表明氧化应激与脂质代谢异常密切相关。

**3.6 芝麻素减轻OA诱导的肝细胞ROS负担和脂质代谢异常，并依赖CYP1A2调控抗氧化应激反应**
在AML12细胞中，OA处理升高了氧化应激相关基因mRNA水平、Cyp1a2蛋白表达和细胞内ROS水平，而芝麻素部分逆转了这些变化。BODIPY和油红O染色显示芝麻素减少了OA诱导的脂质积累；添加H₂O₂则加重脂质沉积。Western blotting在AML12、原代小鼠肝细胞和THLE-2人肝细胞中一致显示，OA上调了Cyp1a2、抗氧化应激蛋白和脂质代谢蛋白，芝麻素则减弱了这些上调。CYP1A2抑制剂DMQL产生与芝麻素相似的效果，而CYP2J2抑制剂LKY-047效果有限。Cyp1a2过表达或敲除进一步证实了CYP1A2在协调抗氧化应激和脂质代谢蛋白表达中的作用。

**3.7 芝麻素对CYP1A2结构和动力学产生微小变构效应**
分子动力学模拟（100 ns）显示，芝麻素结合后CYP1A2的RMSD、RMSF、溶剂可及表面积（SASA）、氢键数目和回旋半径与游离态高度相似，二级结构元素和关键相互作用基本保持不变。自由能形貌（FEL）分析表明，芝麻素结合态比游离态能量阱更集中，但整体构象变化微小，主要体现在局部二面角调整和网络连接增强。

**3.8 分子动力学与实验验证支持芝麻素与CYP1A2的直接相互作用**
MM-PBSA计算显示芝麻素与CYP1A2的结合自由能为?130.498 ± 10.895 kJ/mol，以范德华相互作用为主。残基分解表明I386和F451贡献显著。CETSA实验证实芝麻素提高了CYP1A2的热稳定性；DARTS实验显示芝麻素浓度依赖性地增强CYP1A2的抗蛋白酶水解能力。F451A/I386A突变则显著削弱了芝麻素的稳定作用。BODIPY流式细胞术显示，在AML12细胞中，芝麻素减少了表达野生型CYP1A2的细胞中OA诱导的脂质积累，但F451A/I386A突变部分减弱了该保护效应，而抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）则能绕过该突变恢复保护作用。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，HSDFD诱导的肝细胞亚群重分布及CYP1A2的广泛高表达揭示了肝脏对代谢应激的适应性反应，而CYP1A2在ROS产生和脂质代谢中发挥核心作用。芝麻素通过直接结合CYP1A2并调节其活性，减轻ROS负担，进而削弱抗氧化应激系统的代偿性激活并改善脂质代谢异常。物种特异性结合模式提示在动物模型向人类转化时需谨慎。研究局限性包括：CYP1A2上调的生物学意义在早期可能具有保护性，但长期则可能转为促氧化损伤；小鼠模型和THLE-2细胞的结果尚需在人类原代肝细胞和临床研究中验证。结论部分原文翻译如下：本研究整合了先进的计算方法和实验验证，揭示了CYP1A2是芝麻素改善高糖高脂饮食诱导肝功能障碍的关键靶点。通过阐明特异性结合残基并证明其在ROS介导的脂质代谢中的功能相关性，本研究为未来代谢性肝病的治疗提供了基础。尽管存在动物模型的局限性，该研究突显了天然化合物在解决复杂代谢紊乱中的潜力。