二甲双胍以临床上的优异表现跻身为糖尿病治疗领域的王牌药物：它在有效降低糖尿病人血糖的同时，并不会引起低血糖、酸中毒等副作用，同时还可以缓解脂肪肝，提高胰岛素敏感性，改善心血管功能。后来发现，二甲双胍还具有抗肿瘤抗衰老延长寿命等作用，因此而被称为“神药”。近百年来，二甲双胍的作用机理一直没得到科学证实。
药渡网也曾经推送过 <二甲双胍的“传奇药生”>，在科研领域，二甲双胍的传奇故事还在继续，那么本文主要介绍下近半年来二甲双胍在一些重量级期刊中的传说。
本文来自加拿大魁北克McGill大学生物化学系的Nahum Sonenberg教授，他们课题组的研究方向是真核细胞中的蛋白质合成的分子基础以及其在癌症、肥胖、糖尿病和神经退行性疾病中的重要作用。在本文中，其课题组与英国爱丁堡大学和加拿大蒙特利尔大学的科研人员合作，发现并探究了二甲双胍在治疗Fragile X Syndrome (FXS)中神奇疗效。FXS是一种单基因突变遗传病，导致自闭综合征的发生，其发病的分子机制是FMR1单基因突变后导致其蛋白产物FMRP不再表达，mTOR和ERK信号通路过度激活，细胞内蛋白质翻译活动上调，下游金属蛋白酶MMP高表达，过度酶解细胞外基质内的蛋白，改变神经突触的功能和成熟。
由于此前有研究报道二甲双胍能通过抑制mTOR和ERK通路抑制蛋白质翻译，作者推测二甲双胍是否对于FXS也有类似的治疗效果。因此，他们在FMRP基因敲除的老鼠模型内验证了二甲双胍的活性。他们发现，在连续给药10天后，小鼠FXR和自闭症的一系列症状得到有效的缓解和改善，其中包括自发性梳理毛发的动作次数和频率减少，睾丸不再肥大以及社会行为的改善；与此同时，在分子水平上，脑部神经细胞内的蛋白质合成速率减弱，且ERK通路磷酸化水平降低，MMP表达水平减弱。然而解释这一神药的另一个神奇疗效的机制目前还不清楚，有待进一步的研究和确证。但是鉴于FXS目前没有临床的有效治疗药物，二甲双胍这一被FDA批准达10年之久的治疗糖尿病的药物能够在动物模型上极大改善FXS的表型缺陷，为未来其在临床上使用治疗FXS和自闭症提供了希望。
癌细胞由于快速分裂增殖需要消耗大量能量和营养合成蛋白质。尽管在正常细胞中，甘氨酸、丝氨酸等非必需氨基酸可以通过生物代谢途径合成，但因癌细胞的需求远大于正常细胞，这些氨基酸往往需要外界补充，故切断非天然氨基酸供给后，癌细胞生长速率得到抑制。这种限制饮食中甘氨酸、丝氨酸的治疗方法在小鼠移植瘤模型上的有效性已得到验证。在这篇文章中，来自英国Beatson癌症研究中心和Glasgow癌症研究所的Karen H. Vousden、Fatih Ceteci教授课题组发现，这一方法可以应用于更有医学研究价值的原发性肿瘤模型上。
该研究使用Apc(一种抑癌基因)敲除的小鼠和Myc(一种癌基因)激活的小鼠，这两种小鼠分别极易患肠癌和恶性淋巴瘤。与对照组相比，给予缺乏丝氨酸和甘氨酸食谱的小鼠患肿瘤后的生存率有明显提高，肿瘤生长得到抑制。由于缺乏丝氨酸，癌细胞会通过从头合成途径合成丝氨酸，消耗较多糖类，研究人员又给小鼠注射了抑制线粒体复合物I的双胍类药物(如二甲双胍)，希望进一步降低细胞氧化磷酸化供能饿死癌细胞。但这种方法并没有在所有实验中奏效，一个重要的原因是虽然二甲双胍可以抑制线粒体复合物I在细胞内产生大量ROS，另一方面它又有抗氧化作用，而细胞内的ROS水平越低，癌细胞越容易存活。另外，实验中发现缺乏丝氨酸、甘氨酸食谱对于Kras突变引起的小鼠胰腺癌和肠癌疗效不佳，这是由于Kras突变能增加癌细胞表达丝氨酸从头合成步骤中关键的酶。
AMPK (AMP-activated protein kinase)是控制体内合成代谢和分解代谢平衡的一个重要蛋白激酶，上游LKB1可结合并磷酸化AMPKα亚基，使AMPK活性百倍升高。已有研究显示，AMPK的激活在二甲双胍治疗糖尿病、肝脂质沉积、动脉粥样硬化中起着重要的作用。然而二甲双胍激活AMPK信号仍然备具争议，且怎么激活的机理还未阐明。
林圣彩教授课题组长期从事于细胞信号转导及细胞代谢能量稳态的研究，他实验室长期研究的一个分子是AXIN，且通过Wnt信号通路、JNK信号通路、TGFβ信号通路证实了AXIN是一种抑癌基因。AXIN是一种普遍存在于生物体内的多功能蛋白质，在进化中高度保守。AXIN作为一种架构蛋白可与多种蛋白形成复合物，调控着生物体的发育、DNA损伤、JNK / TGFβ信号、代谢等过程。
他在2013年的Cell Metabolism文章中提出AMP激活AMPK的分子模型：饥饿诱导AMP而不是ADP，会促进AMPK与AXIN-LKB1的相互作用，形成MAPK-AXIN-LKB1复合体，促进LKB1磷酸化AMPK，从而激活MAPK。AXIN的敲除会导致AMPK不被激活。他在2014年的Cell Metabolism文章中又提出了细胞能量代谢的信号传导机制：v-ATPase感受高能量高营养并刺激Ragulator的GEF活性，催化RAGs构象转变使其与mTORC1亲和性增加，mTORC1移位到endosome表面而被激活，开启合成代谢；当营养不足和低能时，v-ATPase-Ragulator就会与AXIN结合，抑制Ragulator的GEF活性，导致mTORC1离开endosome表面，另一方便饥饿导致的胞内升高的AMP会增加AMPK与结合AXIN(缠绕LKB1)亲和性，激活AMPK，开启分解代谢。
鉴于之前的研究，林教授在2016年10月Cell Metabolism发表了“神药”二甲双胍的作用机制：作者发现肝脏特异性敲除AXIN、LAMTOR1，则二甲双胍给药不能激活AMPK信号，在原代肝脏细胞和MEF中得到同样结果。另外在HEK293中敲除v-ATPase发现同样废除了二甲双胍诱导的MAPK激活。接着用免疫荧光共定位、蔗糖梯度超离心分离endosome / lysosome证实二甲双胍通过v-ATPase-Ragulator-AXIN/LKB1-AMPK复合体激活MAPK和抑制mTORC1信号。
作者提出的机制是：二甲双胍直接作用v-ATPase并促进AXIN/LKB1移位到endosome / lysosome表面，与v-ATPase-Ragulator形成复合体，从而激活MAPK，同时通过AXIN/LKB1- v-ATPase-Ragulator途径抑制去激活mTORC1。该研究首次用科学证据揭示了二甲双胍激活AMPK的作用机理，同时还发现了二甲双胍与mTOR信号的联系，可能为二甲双胍的抗癌作用提出解释。但是，二甲双胍作用v-ATPase的哪个特定亚基还有待进一步研究。
Science Advances | 昔洛舍平助攻二甲双胍
本文来自瑞士巴塞尔大学的Michael N.Hall教授，他们课题组致力于TOR信号传导通路以及细胞生长方面的研究，同时Hall教授也是mTOR的发现者以及相关研究的先驱。
虽然体外实验证实二甲双胍具有杀伤肿瘤细胞的功能，但是体内实验发现血清中药物浓度远低于体外实验的有效浓度，这限制了二甲双胍的临床应用。而这篇文章发现治疗高血压的药物昔洛舍平可显著增强二甲双胍对癌症细胞的杀伤作用，使得二甲双胍有效用量降低到血清内可达到浓度范围内，并且具有对肿瘤细胞的特异性。作者还针对昔洛舍平助攻作用的分子机理进行了初步研究，发现它可增强电子传递链各个位点的抑制剂对肿瘤细胞的杀伤作用，还通过体外实验发现昔洛舍平可与α-烯醇酶结合。但令人费解的是，对昔洛舍平与二甲双胍联用具有抗性的细胞系都表达了γ-烯醇酶，但敲除这个酶后细胞依然具有抗性，因此这个药物的分子机理还需要进一步研究。总之，由于昔洛舍平与二甲双胍均是临床证明安全的药物，这篇文章为相关癌症的治疗提供了一个很有价值的思路。
文章引用：
1.Gantois，Ilse，et al. "Metformin ameliorates core deficits in a mouse modelof fragile X syndrome." Nature Medicine (2 017).
2.Maddocks，Oliver DK，et al. "Modulating the therapeutic response of tumours to dietary serine and glycine starvation." Nature 544.7650 (2017): 372-376.
3.Zhang，Chen-Song，et al. "Metformin Activates AMPK through the Lysosomal Pathway." Cell Metabolism 24.4 (2016): 521-522.
4.Benjamin，Don，et al. "Syrosingopine sensitizes cancer cells to killing by metformin." Science Advances 2.12 (2016):e1601756.
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