食源性蛋白酪氨酸磷酸酶1B抑制劑的功能意義和結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

包美麗，王振宇*

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

2型糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病。近年來(lái)，糖尿病發(fā)病率大幅上升，迄今為止，全球成人患病率已達(dá)到8.5%，到2040年將達(dá)到世界人口的10.4%[1-2]。糖尿病的主要發(fā)病機(jī)制是胰島β細(xì)胞功能障礙和胰島素靶組織（肝臟、脂肪和肌肉）胰島素抵抗[3]，在分子水平上表現(xiàn)為胰島素與胰島素受體（insulin receptor，IR）結(jié)合后信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷[4]。酪氨酸磷酸化（phosphotyrosine，pTyr）是開(kāi)啟和傳導(dǎo)胰島素信號(hào)的關(guān)鍵反應(yīng)[5]。胰島素結(jié)合IR誘導(dǎo)胰島素受體β-亞基酪氨酸激酶自磷酸化而被激活。隨后激活的IR募集并磷酸化胰島素受體底物（insulin receptor substrate1-4，IRS1-4）和其他與胰島素生物效應(yīng)有關(guān)的銜接蛋白（Gab1和Shc）[6]，從而傳導(dǎo)胰島素信號(hào)。

細(xì)胞信號(hào)通路的精準(zhǔn)和快速傳播需要嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機(jī)制以及靈活的調(diào)節(jié)方式。蛋白質(zhì)磷酸化在細(xì)胞周期、生長(zhǎng)、凋亡和信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程中起著重要調(diào)控作用。真核細(xì)胞中的大部分蛋白質(zhì)磷酸化發(fā)生在絲氨酸或蘇氨酸殘基上，而pTyr僅占總蛋白磷酸化的0.01%～0.05%[7]。盡管細(xì)胞pTyr的發(fā)生概率要小得多，但pTyr在控制細(xì)胞正常代謝活動(dòng)中至關(guān)重要[8]。在體內(nèi)，pTyr是動(dòng)態(tài)可逆過(guò)程，是由特異性蛋白質(zhì)酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTKs）和蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatases，PTPs）平衡調(diào)控的。PTPs的異常表達(dá)與人類許多疾病相關(guān)，如癌癥、糖尿病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和高血壓[9]。PTPs是催化蛋白質(zhì)酪氨酸去磷酸化的酶。人體中存在100 多種PTPs，它們?cè)诟鞣N信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中充當(dāng)著正或負(fù)調(diào)節(jié)劑[10]。蛋白酪氨酸磷酸酶1B（protein tyrosine phosphatase 1B，PTP1B）是一種在胰島素靶向組織中普遍表達(dá)的細(xì)胞內(nèi)非受體型PTPs，是PTPs超家族中的一員，于1988年首次成功分離[11-12]。研究表明，PTP1B通過(guò)催化活化的IR的去磷酸化，在胰島素信號(hào)傳導(dǎo)中起到負(fù)調(diào)節(jié)作用[13-15]。PTP1B缺陷小鼠表現(xiàn)出胰島素敏感性增強(qiáng)和對(duì)飲食誘導(dǎo)肥胖的抵抗，肝臟和骨骼肌中的IR和IRS的pTyr增加[16-17]。自PTP1B被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它已成為治療2型糖尿病的潛在靶點(diǎn)[18]。因此，PTP1B抑制劑已被認(rèn)為是治療2型糖尿病的備選藥物。

食源性天然產(chǎn)物為開(kāi)發(fā)和治療2型糖尿病的藥物提供了寶貴的資源[19-20]。由于結(jié)構(gòu)的多樣性，它們能夠針對(duì)不同的靶點(diǎn)和途徑對(duì)糖尿病或其并發(fā)癥起到獨(dú)特的預(yù)防和治療作用[21]。近些年來(lái)，隨著研究人員對(duì)天然產(chǎn)物的廣泛關(guān)注，具有PTP1B抑制活性的食源性天然產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)并深入研究[22]。這其中以酚類、萜類、皂苷和生物堿等食源性天然產(chǎn)物為主，作用機(jī)制涉及多種抑制類型。本文就PTP1B的結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制和食源性天然PTP1B抑制劑的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為進(jìn)一步開(kāi)展PTP1B抑制劑的研究工作，開(kāi)發(fā)新型PTP1B抑制劑和降糖功能食品提供參考。

1 PTP1B的結(jié)構(gòu)生物學(xué)與作用機(jī)制

PTP1B是第一個(gè)從人胎盤中分離、純化并鑒定的細(xì)胞內(nèi)PTP，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）的細(xì)胞質(zhì)面，在人體組織中廣泛表達(dá)。1994年，Barford等[23]利用X射線晶體學(xué)闡明了PTP1B的晶體結(jié)構(gòu)，它主要由435 個(gè)氨基酸組成，其抑制劑的作用位點(diǎn)主要有3 個(gè)（圖1）。其中，N端結(jié)構(gòu)域包含兩個(gè)芳基磷酸酯結(jié)合位點(diǎn)，即高親和力催化位點(diǎn)（A位點(diǎn)）和低親和力非催化位點(diǎn)（B位點(diǎn)）。此外，第三個(gè)作用位點(diǎn)是距催化活性區(qū)域約20 ?處的C端變構(gòu)位點(diǎn)。PTP1B的A位點(diǎn)是由8 個(gè)氨基酸殘基（His214、Cys215、Ser216、Ala217、Gly218、Ile219、Gly220、Arg221）形成的剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，被稱為磷酸結(jié)合環(huán)——P環(huán)（phosphate binding loop，P-loop），該位點(diǎn)中的親核半胱氨酸殘基Cys215在PTP1B催化過(guò)程中至關(guān)重要，是高度保守催化中心。通過(guò)化學(xué)修飾活性位點(diǎn)Cys215，PTP1B活性經(jīng)歷氧化或S-亞硝基化而失活。PTP1B的B位點(diǎn)是由Arg24、Arg254、Met258和Gln262等組成的非保守結(jié)合位點(diǎn)，對(duì)底物特異性識(shí)別具有重要作用，其中Arg24和Arg254與磷酸化底物間的相互作用至關(guān)重要。變構(gòu)位點(diǎn)由一些獨(dú)特的α-螺旋（α3、α6和α7等）組成，當(dāng)PTP1B分子的C端結(jié)構(gòu)域影響N端結(jié)構(gòu)域時(shí)，PTP1B分子的整體構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)一步使催化結(jié)構(gòu)域與磷酸化底物之間直接接觸，相互作用[24]，PTP1B變構(gòu)抑制劑通過(guò)切斷他們之間的相互作用，使其不能呈現(xiàn)活性構(gòu)象，從而使PTP1B失活[25]。此外，WDP環(huán)的封閉構(gòu)象對(duì)PTP1B的催化過(guò)程也具有重要影響[26-27]。當(dāng)?shù)孜锱cP環(huán)結(jié)合時(shí)，WDP環(huán)上的Asp181使P環(huán)上的Cys215攻擊磷原子，導(dǎo)致P—O鍵斷裂并形成磷酸半胱氨酸中間體，最終使底物去磷酸化[28]。

圖1 PTP1B晶體結(jié)構(gòu)圖（PDB ID: 1PTV）Fig.1 Crystal structure of PTP1B (PDB ID: 1PTV)

2 PTP1B與2型糖尿病和肥胖癥的關(guān)系

糖尿病是一種復(fù)雜的慢性全身性疾病，是十大導(dǎo)致人類死亡的疾病之一。糖尿病分為1型糖尿病、2型糖尿病、特殊類型糖尿病和妊娠期糖尿病。其中，2型糖尿病患者約占糖尿病患者的95%[29]。人體長(zhǎng)期保持高血糖狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致多器官損傷，并引起多種并發(fā)癥?；颊呷魶](méi)有得到及時(shí)有效的治療，則會(huì)大大增加其患糖尿病腎病、神經(jīng)性病變、視網(wǎng)膜病變和心腦血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[30]。PTP1B作為2型糖尿病的潛在治療靶點(diǎn)，不僅是胰島素和瘦素信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子，而且與ER應(yīng)激和胰島素分泌密切相關(guān)。

2.1 PTP1B對(duì)胰島素和瘦素信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)作用

2型糖尿病的關(guān)鍵誘因是胰島素抵抗和β細(xì)胞功能障礙所導(dǎo)致的胰島素絕對(duì)缺乏。IR與胰島素結(jié)合后使IR催化結(jié)構(gòu)域發(fā)生自磷酸化，引起IRS1和IRS2的多個(gè)酪氨酸殘基磷酸化，進(jìn)而激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）/Akt通路，隨后葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）轉(zhuǎn)移至細(xì)胞表面，促進(jìn)細(xì)胞的葡萄糖攝取[31]。被激活的Akt還通過(guò)抑制糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK3）的活性來(lái)刺激糖原合成[32]。PTP1B使磷酸化的IR和IRS1去磷酸化，致使IR失活并終止胰島素信號(hào)（圖2），抑制細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取和糖原合成，導(dǎo)致胰島素抵抗[33]。PTP1B缺陷（PTP1B-/-）小鼠對(duì)胰島素敏感性增強(qiáng)，肌肉和肝臟中IR的pTyr水平增加，這表明PTP1B是影響胰島素信號(hào)通路非常重要的酶[34-35]。

圖2 PTP1B對(duì)胰島素與瘦素信號(hào)通路影響的作用機(jī)制Fig.2 Mechanism of the effect of PTP1B on the insulin and leptin signaling pathways

瘦素是一種分泌性蛋白類激素，主要由脂肪組織產(chǎn)生和分泌，以單體形式存在于血漿中[36]。瘦素與瘦素受體結(jié)合后使Janus激酶2（Janus kinase 2，JAK2）磷酸化，從而將信號(hào)傳導(dǎo)至下游信號(hào)分子——信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體的物質(zhì)和能量代謝。瘦素還能夠刺激脂肪酸的氧化和胰島素的釋放[37]。PTP1B使經(jīng)瘦素活化的JAK2去磷酸化而失活，進(jìn)而抑制瘦素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)嚙齒類動(dòng)物施用瘦素后，IRS-PI3K通路被激活[38-39]，這表明PI3K可能在胰島素和瘦素信號(hào)通路之間起到了交互作用（圖2）。因此，抑制PTP1B可能是減弱甚至逆轉(zhuǎn)肥胖患者對(duì)胰島素和瘦素抵抗的有效策略。

2.2 PTP1B與ER應(yīng)激的關(guān)系

ER是負(fù)責(zé)將分泌蛋白和膜蛋白折疊、修飾和運(yùn)輸?shù)募?xì)胞器。慢性高血糖和高脂血癥則會(huì)破壞ER穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊或未折疊的蛋白堆積，進(jìn)而產(chǎn)生ER應(yīng)激。PTP1B位于ER膜上，與ER應(yīng)激密切相關(guān)。用衣霉素或棕櫚酸處理體外培養(yǎng)的成肌細(xì)胞C2C12，誘導(dǎo)使其產(chǎn)生ER應(yīng)激，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ER應(yīng)激上調(diào)PTP1B的表達(dá)，使細(xì)胞對(duì)葡萄糖攝取減少。另一方面，PTP1B基因缺失可抑制ER應(yīng)激，逆轉(zhuǎn)衣霉素處理的小鼠肌細(xì)胞C2C12中葡萄糖攝取的下調(diào)[40]；提高肝特異性PTP1B缺失（L-PTP1B-/-）小鼠胰島素敏感性，降低其脂質(zhì)積累[41]。因此，PTP1B有望成為由ER應(yīng)激引起的胰島素抵抗的有效治療靶點(diǎn)。

2.3 PTP1B在胰島β細(xì)胞中的作用

2型糖尿病的重要特征是胰島素抵抗，即細(xì)胞對(duì)胰島素的反應(yīng)能力下降，外周組織對(duì)葡萄糖攝取和利用減少[42]。PTP1B基因敲除小鼠的胰島β細(xì)胞數(shù)量增多，凋亡率下降，葡萄糖刺激的胰島素分泌增強(qiáng)，同時(shí)由鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的β細(xì)胞缺失被部分逆轉(zhuǎn)[13]。此外，一項(xiàng)來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院Joslin糖尿病中心的報(bào)道顯示，胰腺PTP1B缺陷的正常小鼠葡萄糖耐量無(wú)異常，而胰腺PTP1B缺陷的肥胖小鼠則表現(xiàn)出葡萄糖耐量受損，同時(shí)由葡萄糖刺激的胰島素分泌減少，在分子水平上還確定了酪氨酸蛋白激酶A5受體——EphA5是胰腺中一個(gè)潛在的PTP1B底物[43]。這些結(jié)論為胰腺PTP1B在調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面提供了新的見(jiàn)解。綜上，PTP1B的表達(dá)水平可能是影響胰腺β細(xì)胞功能的潛在因素。

3 食源性天然PTP1B抑制劑

食源性天然產(chǎn)物與人類生活息息相關(guān)，它們不僅為人類提供生命所需的能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)還為人類提供了許多具有特殊生理活性的次生代謝物。食源性天然產(chǎn)物因其結(jié)構(gòu)多樣、種類繁多，對(duì)疾病靶點(diǎn)的作用機(jī)制也不盡相同。目前，通過(guò)分離純化技術(shù)和活性跟蹤法分離出的具有生物活性的天然產(chǎn)物已有幾萬(wàn)種，主要包括酚類、萜類、皂苷和生物堿類化合物等。本節(jié)就食源性天然PTP1B抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系進(jìn)行綜述。

3.1 酚類化合物

酚類化合物的特征是至少具有1 個(gè)芳香環(huán)，并有1 個(gè)或多個(gè)羥基與之相連，廣泛存在于茶葉、咖啡、谷物和蔬菜中。由于酚類化合物具有抗氧化、抗炎和調(diào)節(jié)代謝等功能，對(duì)許多疾病具有預(yù)防和治療作用[44]。類黃酮是由15 個(gè)碳組成的酚類化合物，2 個(gè)芳香環(huán)由三碳鏈相連。類黃酮是自然界中數(shù)量最多的天然產(chǎn)物，廣泛存在于水果、蔬菜、草藥和其他植物性食物中。秋葵（Abelmoschus esculentus(L.) Moench）中黃酮類化合物是其主要的成分之一。在一項(xiàng)對(duì)糖尿病大鼠進(jìn)行連續(xù)8 周灌胃秋葵提取物和槲皮素的研究中發(fā)現(xiàn)[45]，秋葵提取物和槲皮素（酚類化合物1）可以通過(guò)抑制PTP1B和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferatoractivated receptor-α，PPAR-α）來(lái)調(diào)節(jié)糖尿病大鼠體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。甘草（Glycyrrhiza uralensisFisch.）作為世界上最古老和最常見(jiàn)的草藥之一，也是食品中的天然甜味劑和調(diào)味劑。有研究從甘草中分離出18 種黃酮類化合物，其中甘草黃酮B（licoflavone B）（酚類化合物2）對(duì)PTP1B的抑制活性較強(qiáng)，這可能與其結(jié)構(gòu)中羥基或戊烯基的數(shù)目和位置有關(guān)，特別是環(huán)B上的戊烯基或異戊烯基可能會(huì)增強(qiáng)其抑制活性[46]。另一項(xiàng)研究又從甘草的地上部分中分離出86 種酚類化合物，其中16 種化合物在10 μmol/L濃度下對(duì)PTP1B的抑制率大于80%。這16 種化合物中有12 種化合物至少含有1 個(gè)異戊烯基結(jié)構(gòu)，其中化合物glycyuralin H、glycyuralin L、glycyuralin P（酚類化合物3～5）具有顯著的PTP1B抑制活性，半抑制濃度（half-maximal inhibitory concentration，IC50）分別為5.9、6.7 μmol/L和5.3 μmol/L，表明異戊烯基結(jié)構(gòu)在抑制PTP1B活性中發(fā)揮著重要作用[47]。黃牛木（Cratoxylum cochinchinense(Lour.) Blume）是一種富含多酚的植物，在我國(guó)被用作食物香料，其茶產(chǎn)品也廣泛流傳。研究發(fā)現(xiàn)從黃牛木中分離出的山酮類化合物——Cratoxanthone A（酚類化合物6）對(duì)PTP1B具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用和時(shí)間依賴性抑制作用，其抑制機(jī)制是通過(guò)異構(gòu)化酶復(fù)合物實(shí)現(xiàn)的[48]。菊苣（Cichorium intybusL.）作為藥食同源植物，其葉和根部都可食用，具有清熱解毒和利尿消腫等功效。從菊苣中分離的2 種咖啡酰衍生物綠原酸（酚類化合物7）和菊苣酸（酚類化合物8）對(duì)PTP1B具有非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，是其變構(gòu)抑制劑。通過(guò)分子對(duì)接模擬發(fā)現(xiàn)，綠原酸與PTP1B的關(guān)鍵殘基Lys 197、Glu 200和Gln 288之間形成氫鍵相互作用，與其變構(gòu)位點(diǎn)α7螺旋有效結(jié)合。而菊苣酸與PTP1B的殘基Asn 193、Glu 276和Ile 281形成氫鍵相互作用，對(duì)PTP1B進(jìn)行變構(gòu)抑制[49]。青錢柳（Cyclocarya paliurus(Batal.) Ijinskaja）在我國(guó)一直被用作傳統(tǒng)滋補(bǔ)品，其葉被加工成茶產(chǎn)品。從青錢柳中分離出的槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸（酚類化合物9）比楊梅素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸（酚類化合物10）對(duì)PTP1B有更強(qiáng)的抑制作用，這可能是因?yàn)殚纹に?3-O-β-D-葡萄糖醛酸比后者在結(jié)構(gòu)環(huán)B中的C-5’上少了一個(gè)羥基。此外，從青錢柳中分離出的槲皮素-3-O-α-D-葡萄糖醛酸是沒(méi)有活性的，其結(jié)構(gòu)與槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸具有不同構(gòu)型的葡萄糖醛酸部分，這意味著葡萄糖醛酸構(gòu)型在體外抑制活性中起著關(guān)鍵作用[50]。漿果類水果因富含酚酸、類黃酮和花青素等活性物質(zhì)而一直備受研究人員關(guān)注，美國(guó)農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)庫(kù)還將漿果類食品確定為類黃酮的主要來(lái)源[51]。在一項(xiàng)對(duì)漿果（綠醋栗、黑醋栗、野生越橘和越橘提取物商品Mirtoselect?）體外消化提取物進(jìn)行PTP1B抑制活性的研究中發(fā)現(xiàn)，這些提取物富含花青素和其他酚類物質(zhì)，且在一定濃度下均顯示出PTP1B抑制活性。繼續(xù)對(duì)其提取物中單體進(jìn)行PTP1B抑制活性研究，發(fā)現(xiàn)錦葵色素-3-葡萄糖苷（酚類化合物11）對(duì)PTP1B的抑制作用最強(qiáng)，而花色苷和飛燕草苷對(duì)PTP1B沒(méi)有抑制作用，這表明錦葵色素上葡萄糖基團(tuán)的存在是導(dǎo)致PTP1B受到抑制的原因，類似于環(huán)B中甲氧基的影響，而羥基的存在可能不會(huì)促進(jìn)花色苷對(duì)PTP1B的抑制活性；分子對(duì)接模擬結(jié)果顯示，錦葵色素-3-葡萄糖苷與PTP1B的Tyr46、Asp48、Lys120、Asp181、Ser216、Gly220和Arg221殘基形成氫鍵相互作用（圖3），與Val49、Phe182和Ala217殘基形成疏水作用力[52]。藍(lán)莓作為一種美味的漿果類食品備受大眾喜愛(ài)。有學(xué)者以PTP1B抑制活性為指標(biāo)，通過(guò)活性跟蹤法共分離出6 種花青素，發(fā)現(xiàn)其中花青素-3-阿拉伯糖苷（酚類化合物12）對(duì)PTP1B的抑制活性最強(qiáng)，構(gòu)效關(guān)系分析結(jié)果表明，花青素環(huán)B中的羥基數(shù)量在對(duì)PTP1B活性抑制中起著重要作用[53]。酚類化合物1～12的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 預(yù)測(cè)錦葵色素-3-葡萄糖苷與PTP1B（PDB ID: 1AAX）的結(jié)合模式[53]Fig.3 Predicted binding mode of malvidin-3-glucoside to PTP1B(PDB ID: 1AAX)[53]

圖4 酚類化合物1～12的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of phenolic compounds 1–12

3.2 萜類化合物

萜類化合物是由甲戊二羥酸衍生，分子骨架以異戊二烯單元（C5單元）為基本結(jié)構(gòu)單元的化合物及其衍生物，廣泛存在于自然界中。五味子（Schisandra chinensis(Turcz.) Baill.）是我國(guó)著名的草藥，同時(shí)也廣泛用作食品補(bǔ)充劑，由于其重要的營(yíng)養(yǎng)和醫(yī)學(xué)作用，近年來(lái)越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。研究人員通過(guò)生物活性跟蹤法從五味子石油醚提取物中分離出11 種化合物，其中包括4 種三萜類化合物、6 種木脂素和1 種酚酸，其中萜類化合物24-亞甲基環(huán)木菠蘿烯酮（24-methylenecycloartenone）（萜類化合物1）是首次從五味子中分離得到的，并且發(fā)現(xiàn)其對(duì)PTP1B具有顯著的抑制作用?；跇?gòu)效關(guān)系的研究，推斷該化合物的抑制活性可能與其結(jié)構(gòu)上C-3中的—OH和—COOH以及C-17在苷元中的構(gòu)型有關(guān)[54]。在我國(guó)，花楸是一種漿果類食品，同時(shí)也是治療慢性氣管炎、肺結(jié)核和水腫的中藥。研究顯示，花楸乙醇提取物（體積分?jǐn)?shù)70%）中6 種烏蘇烷型和1 種羽扇豆烷型三萜具有顯著的PTP1B抑制活性，其中，具有19α-羥基結(jié)構(gòu)的烏蘇烷型三萜化合物（pomolic acid-3β-acetate）（萜類化合物2）的抑制活性相對(duì)于化合物（3β-acetoxy-urs-12-ene-28-oic acid）（萜類化合物3）較低，而具有羽扇豆烷型三萜化合物（樺木酸）（萜類化合物4）對(duì)PTP1B的抑制活性最強(qiáng)，接近于陽(yáng)性對(duì)照熊果酸（天然五環(huán)三萜類化合物）的抑制效果，它們僅在E環(huán)上具有不同的結(jié)構(gòu)，正是這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了它們不同的抑制效果[55]。山茱萸作為藥食同源植物，含有多種活性物質(zhì)，其中以熊果酸含量最為豐富，是山茱萸重要的質(zhì)控指標(biāo)[56]。有學(xué)者基于糖尿病臨床使用的中藥提取物庫(kù)，采用高通量篩選法確定了山茱萸果實(shí)中的熊果酸是PTP1B抑制劑，且是一種競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑[57]?？紤]到熊果酸的可用性和生物學(xué)特性，研究人員將熊果酸進(jìn)行化學(xué)改性，合成了一系列熊果酸衍生物，其中合成得到的熊果酸衍生物UA0713（萜類化合物5）對(duì)PTP1B的抑制效果是熊果酸的10 倍，它在體外還能夠刺激L6肌細(xì)胞中葡萄糖攝取，并通過(guò)增強(qiáng)IR磷酸化來(lái)促進(jìn)CHO/hIR細(xì)胞中GLUT4的轉(zhuǎn)運(yùn)[57]。萜類化合物1～5的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 萜類化合物1～5 的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of terpenoids 1–5

3.3 皂苷類化合物

皂苷是一類具有多種生物活性的類固醇或三萜類化合物，已廣泛用于化妝品和制藥行業(yè)。三七是一種中藥，同時(shí)也是功能性食品[58]?！睹绹?guó)膳食補(bǔ)充劑健康和教育法案》已將三七茶或三七膠囊作為非處方膳食補(bǔ)充劑[59]。從三七中分離的新達(dá)馬烷型三萜類化合物三七皂苷-LY（皂苷類化合物1）以及3 種已知化合物——20(R)-原人參二醇（皂苷類化合物2）、20(R)-人參皂苷-Rh2（皂苷類化合物3）、20(S)-人參皂苷-Mc（皂苷類化合物4）對(duì)PTP1B具有顯著抑制活性，根據(jù)它們對(duì)PTP1B抑制活性的大小分析，具有原人參二醇型配基的化合物比具有3 種以上糖基的達(dá)瑪烷三萜更有效，糖基部分的存在可能降低了化合物對(duì)PTP1B的抑制活性；而具有R構(gòu)型的20(R)-人參皂苷-Rh2對(duì)PTP1B的抑制活性更強(qiáng)[60]。皂苷類化合物1～4的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 皂苷類化合物1～4的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structures of saponins 1–4

3.4 生物堿類化合物

生物堿是一種含氮有機(jī)化合物，參與植物體的防御功能。天然生物堿具有多種生理活性，如抗癌、抗炎和抗糖尿病等[61]。調(diào)料九里香（Murraya koenigii(L.)Spreng）還稱為咖喱葉，廣泛分布于東南亞地區(qū)，在印度作為調(diào)味食品。在民間，其綠葉可用于治療炎癥、痢疾、水腫等疾病[62]。研究人員通過(guò)活性跟蹤法從調(diào)料九里香氯仿提取相分離出4 種新的和14 種已知的咔唑生物堿，其中已知的生物堿mahanine（生物堿類化合物1）、mahanimbine（生物堿類化合物2）、8,8’-biskoenigine（生物堿類化合物3）對(duì)PTP1B具有顯著的抑制作用[63]。魚腥草是《中華人民共和國(guó)藥典》（2015版）中記載的一種重要的中藥，其地上部分在東南亞國(guó)家也是很受歡迎的野菜[64]。有學(xué)者通過(guò)活性跟蹤法從魚腥草氯仿提取部位中分離出2 種新生物堿——哌內(nèi)酰胺D的同系物（生物堿類化合物4）、4-羥基-1,2,3-三甲氧基-7H-二苯并喹啉-7-酮（4-hydroxy-1,2,3-trimethoxy-7H-dibenzo-quinolin-7-one）（生物堿類化合物5）以及2 種已知生物堿——7-氧代脫氫阿西米洛賓（7-oxodehy-droasimilobine）（生物堿類化合物6）和頭花千金藤二酮B（cepharadione B）（生物堿類化合物7）。通過(guò)研究這些生物堿與PTP1B的構(gòu)效關(guān)系發(fā)現(xiàn)，這些化合物含有3 個(gè)六原子環(huán)，其中1 個(gè)含氮五環(huán)或六環(huán)，這種結(jié)構(gòu)可能在對(duì)PTP1B抑制活性中發(fā)揮了積極作用[65]。生物堿類化合物1～7的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 生物堿類化合物1～7的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structures of alkaloids 1– 7

3.5 其他

除上述天然酚類、萜類、皂苷類化合物和生物堿外，食源性天然產(chǎn)物還有溴酚、香豆素和木脂素等，也具有PTP1B抑制活性。溴酚是海洋藻類食物中普遍存在的化學(xué)成分，其結(jié)構(gòu)苯環(huán)中溴原子和溴酚衍生物的烷基鏈長(zhǎng)度對(duì)PTP1B抑制起關(guān)鍵作用[66]。

4 開(kāi)發(fā)PTP1B抑制劑的挑戰(zhàn)

盡管大量的研究表明，一些天然產(chǎn)物對(duì)PTP1B具有顯著的抑制效果，其結(jié)構(gòu)中的特定基團(tuán)是抑制PTP1B的關(guān)鍵所在，但是這些PTP1B抑制劑作為臨床藥物制劑的開(kāi)發(fā)仍然存在一些問(wèn)題。一方面，PTP1B與其他PTPs的催化活性位點(diǎn)具有高度的同源性；另一方面，PTP1B中的催化結(jié)構(gòu)域具有高極性特征，這導(dǎo)致大部分抑制劑對(duì)PTP1B的選擇性不佳，且對(duì)細(xì)胞的通透性和生物利用度較低[67]。因此，開(kāi)發(fā)出精準(zhǔn)抑制PTP1B的藥物制劑是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

4.1 PTP1B抑制劑的選擇性

選擇性是PTP1B抑制劑作為藥物開(kāi)發(fā)的主要問(wèn)題之一。由于所有的PTPs的活性位點(diǎn)（即pTyr結(jié)合位點(diǎn)）都具有高度的結(jié)構(gòu)保守性，阻礙了開(kāi)發(fā)高親和力和選擇性PTP1B抑制劑的進(jìn)程。然而，通過(guò)對(duì)PTPs底物特異性的研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的pTyr部分不足以進(jìn)行高親和力結(jié)合，而pTyr兩側(cè)的殘基對(duì)PTP1B底物識(shí)別具有重要作用，且其他的PTPs不具有與之相同的活性中心外圍的作用位點(diǎn)[9,68]。因此，PTP1B活性位點(diǎn)附近的子口袋也可以作為其抑制劑開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，即開(kāi)發(fā)出針對(duì)活性位點(diǎn)和獨(dú)特的相鄰?fù)鈬稽c(diǎn)的雙配基抑制劑。例如，研究人員根據(jù)PTP1B活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征，合成出化合物Compound 2（圖8），并分析其與PTP1B之間的相互作用機(jī)制。結(jié)果表明，不可水解的pTyr模擬物——膦(二氟甲基)-苯丙氨酸占據(jù)了活性位點(diǎn)，且遠(yuǎn)端4-膦二氟甲基苯基乙?；c近端非催化位點(diǎn)Lys41、Arg47和Asp48殘基形成了范德華力和離子間作用力。該研究結(jié)果顯示，盡管PTP1B與Compound 2相互作用的氨基酸殘基并不是PTP1B所獨(dú)有的，但是所有與之相互作用的氨基酸殘基組合都不同于其他PTPs的氨基酸殘基[69]。這些研究為PTP1B抑制劑在生物學(xué)和藥理學(xué)研究中所需的效力和特異性提供了分子基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出有效的、具有特異性的PTP1B抑制劑提供了新思路。

圖8 Compound 2的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of compound 2

4.2 PTP1B抑制劑的生物利用度

生物利用度是PTP1B抑制劑作為藥物開(kāi)發(fā)的另一重要問(wèn)題。由于PTPs的活性位點(diǎn)在生理pH值下帶有2 個(gè)負(fù)電荷，而目前報(bào)道的以活性跟蹤法獲得的PTP1B抑制劑大多數(shù)都具有高帶電性[68]，這使得其在細(xì)胞中的滲透性降低，因此，研究人員針對(duì)這一問(wèn)題提出了幾種策略：其一，最直接有效的方法就是減少化合物的負(fù)電荷數(shù)量。例如，研究人員合成的小分子肽類PTP1B抑制劑——二羧酸類似物（圖9A）因帶有2 個(gè)負(fù)電荷而限制了其對(duì)細(xì)胞的滲透性，當(dāng)該化合物中的一個(gè)羧基被四唑基所取代后形成鄰四唑類似物（圖9B），不僅保持了其抑制活性的穩(wěn)定性，還增加了其對(duì)細(xì)胞的滲透性和對(duì)細(xì)胞的功能活性[70]。其二，因細(xì)胞膜的磷脂雙分子層具有疏水性，藥物通過(guò)細(xì)胞膜的過(guò)程可視為是在親水和疏水介質(zhì)之間的再分配，因此，可以通過(guò)增加化合物的疏水性，引入更多的疏水基團(tuán)，使其變得更加親脂，從而提高化合物的生物利用度。其三，由于PTP1B的變構(gòu)位點(diǎn)與pTry結(jié)合位點(diǎn)不同，其保守性較差、極性較弱，因此，開(kāi)發(fā)靶向變構(gòu)位點(diǎn)抑制劑是提高化合物生物利用度的一種替代策略。例如，在3.1節(jié)中提到的咖啡酰衍生物綠原酸和菊苣酸是通過(guò)與PTP1B變構(gòu)位點(diǎn)的有效結(jié)合從而對(duì)其發(fā)揮變構(gòu)抑制作用的。

圖9 二羧酸類似物（A）和鄰四唑類似物（B）的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.9 Structures of dicarboxylic acid analogue (A) and ortho tetrazole analogue (B)

5 結(jié) 語(yǔ)

全球糖尿病的患病率正逐年上升，若不能很好地控制2型糖尿病和肥胖癥，患者會(huì)出現(xiàn)各種并發(fā)癥。大量研究已經(jīng)證明PTP1B抑制劑有望成為治療2型糖尿病和肥胖癥的候選藥物，但目前還沒(méi)有被美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)的臨床使用的PTP1B抑制劑，究其原因可能是這些抑制劑對(duì)細(xì)胞膜滲透性低或選擇性不佳，因此，設(shè)計(jì)PTP1B抑制劑藥物成為了一項(xiàng)困難重重又極富挑戰(zhàn)的任務(wù)。天然產(chǎn)物因具有結(jié)構(gòu)多樣、種類繁多、多靶點(diǎn)以及、多途徑等優(yōu)點(diǎn)，一直都是作為藥物開(kāi)發(fā)的主要原料，現(xiàn)階段使用的藥物約有一半是從天然產(chǎn)物中衍生而來(lái)，在生物化學(xué)研究以及藥物創(chuàng)新領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文對(duì)食源性PTP1B抑制劑的構(gòu)效關(guān)系以及作用機(jī)制進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)多種食源性天然產(chǎn)物如酚類、萜類、皂苷類化合物和生物堿等對(duì)PTP1B具有顯著的抑制活性，且大多數(shù)已發(fā)表的研究都集中于酚類和萜類抑制劑，其結(jié)構(gòu)中獨(dú)特的化學(xué)基團(tuán)在抑制P T P 1 B 中起著關(guān)鍵作用。

雖然這些食源性天然產(chǎn)物在抑制PTP1B的研究中取得了一定進(jìn)展，但尚有些問(wèn)題需要思考和解決：1）由于PTP1B催化結(jié)構(gòu)域的高帶電性質(zhì)，以及PTPs中活性位點(diǎn)和第二結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)性，導(dǎo)致靶標(biāo)選擇性不佳。但PTP1B中的pTyr兩側(cè)殘基對(duì)其底物識(shí)別具有重要作用，是其他PTPs所不具有的活性中心外圍作用位點(diǎn)，因此，建議將此獨(dú)特的相鄰?fù)鈬稽c(diǎn)作為PTP1B抑制劑開(kāi)發(fā)的下一個(gè)研究目標(biāo)；2）大多數(shù)PTP1B抑制劑的高帶電性是其生物利用度低的主要原因之一，因此，建議針對(duì)此化學(xué)特性對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾或改性，如減少化合物的負(fù)電荷數(shù)量、增加化合物的疏水性或開(kāi)發(fā)靶向變構(gòu)位點(diǎn)抑制劑等；3）盡管天然PTP1B抑制劑表現(xiàn)出顯著的抑制效果，但是目前大部分研究都停留在天然產(chǎn)物與PTP1B的體外分子對(duì)接模擬階段，缺乏體內(nèi)PTP1B抑制活性的驗(yàn)證以及相關(guān)調(diào)控信號(hào)通路的研究，特別是關(guān)于體內(nèi)用藥劑量、給藥途徑、副作用以及不良反應(yīng)等生物安全性相關(guān)的研究甚少。因此，建議研究中可以補(bǔ)充相關(guān)代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白組學(xué)等組學(xué)技術(shù)，深入探究天然PTP1B抑制劑的生物安全性和分子調(diào)控機(jī)制；4）隨著天然產(chǎn)物活性物質(zhì)的分離純化和結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)的發(fā)展日益成熟，利用活性跟蹤法分離和鑒定出了上百種PTP1B抑制劑，但是大部分研究都著重于單一天然產(chǎn)物對(duì)PTP1B的抑制作用，對(duì)于復(fù)配天然產(chǎn)物的PTP1B的抑制研究鮮有報(bào)道，缺乏對(duì)PTP1B的3 個(gè)活性位點(diǎn)和活性中心外圍的作用位點(diǎn)的協(xié)同抑制的研究，因此，根據(jù)天然PTP1B抑制劑的抑制機(jī)理，復(fù)配出具有協(xié)同抑制作用的PTP1B抑制劑有待進(jìn)一步研究。

總之，食源性天然產(chǎn)物因其結(jié)構(gòu)的多樣性和新穎性在疾病的預(yù)防和治療方面發(fā)揮著獨(dú)特的生理活性和作用，為開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新型抗糖尿病藥物提供了化學(xué)分子模板，本文可為進(jìn)一步開(kāi)展食源性天然產(chǎn)物抗糖尿病研究提供理論基礎(chǔ)和新思路。