2025年11月19日，一项发表于Science Advances期刊（第11卷，论文编号eadz9283）上的开创性研究，为我们揭示了褪黑素（Melatonin, MLT）在对抗衰老和阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）中的全新机制和巨大潜力。该研究题为《通过人工智能驱动的PROTAC靶点解析发现一种受超增强子调控轴的双重抗衰老和抗阿尔茨海默病治疗药物》（Ai-driven discovery of dual antiaging and anti-ad therapeutics via protac target deconvolution of a super-enhancer–regulated axis）。研究主要由中国药科大学的孙媛（Yuan Sun）、刘赛（Sai Liu）、陈龙（Long Chen） 等（为共同第一作者）以及中国药科大学的李新诺（Xinuo Li） 教授、王广基（Guangji Wang） 教授和诺丁汉大学的祝哲英（Zheying Zhu） 教授（为共同通讯作者）领导的国际团队完成。
研究背景与目标 随着全球人口老龄化加速，年龄相关疾病，尤其是以阿尔茨海默病为代表的神经退行性疾病，正带来日益沉重的健康负担。AD目前缺乏能够有效改变疾病进程的疗法，临床试验失败率极高。衰老是AD最主要的危险因素，两者在神经炎症、氧化应激、线粒体功能障碍等分子通路上存在深刻交织。此外，睡眠障碍（如失眠）被发现是连接衰老与AD的重要桥梁，它不仅普遍存在，且能加速两者的病理进程。因此，开发一种能够同时靶向衰老核心机制和AD病理、且安全适合长期服用的药物，成为一项紧迫而未满足的临床需求。传统的药物研发模式面对这种复杂、多靶点的网络疾病常显得力不从心，耗时长、成本高、失败率高。本研究旨在利用前沿的人工智能技术，结合创新的化学生物学与多组学分析手段，系统性地发现并验证能够同时对抗衰老和AD的候选药物，并深入阐明其作用机制，为复杂疾病的药物研发提供可复制的新范式。
详细研究流程与结果
本研究设计了一个精密、环环相扣的多阶段研究方案，从计算筛选到临床验证，再到分子机制解析，层层递进。
第一阶段：人工智能驱动的候选药物筛选与发现 研究团队首先构建了一个名为“通路与转录组驱动的药物疗效预测器”的人工智能模型。该模型采用双模块架构： 1. 生物通路预测模块：利用机器学习算法，从小分子库中预测化合物在抗AD、抗衰老、抗炎、抗氧化及血脑屏障通透性等关键药理学通路上的活性。该模块在独立测试集上表现出色，预测精度超过90%。 2. 转录组预测模块：整合自编码器和图卷积网络，能够根据化合物的分子结构，预测其在特定细胞系中引起的全基因组转录组变化。该模块在预测化合物扰动转录组谱方面，其决定系数显著优于传统线性回归方法。
利用这一强大的AI工具，研究团队从92种已获批的抗失眠药物中进行筛选。AI模型首先通过通路模块筛选出9种具有潜在抗AD活性的候选化合物。随后，转录组模块预测了这些候选物在四种不同细胞系中的转录组扰动谱，并通过计算其与AD疾病状态转录组谱的余弦相似度，最终将褪黑素确定为排名第一、最具潜力的双重作用候选药物。这一步骤不仅快速锁定了目标，也为后续验证提供了强有力的计算依据。
第二阶段：临床相关性验证 为验证AI预测的临床意义，研究团队对161份覆盖不同年龄段的人类血清样本进行了横断面分析。采用高灵敏度的液相色谱-串联质谱法对血清褪黑素水平进行定量。结果发现，血清褪黑素水平与年龄呈显著负相关，随着年龄增长，循环中的褪黑素水平逐渐下降。进一步将样本分为年轻组（<60岁）和老年组（≥60岁）进行比较，老年组的血清褪黑素水平显著低于年轻组。这一临床发现为褪黑素在衰老过程中的保护作用提供了直接的人类证据，提示其水平下降可能是衰老及相关神经退行性疾病的风险因素或生物标志物。
第三阶段：体内外药效学验证 * AD模型验证： * 体外：在过表达瑞典突变型淀粉样前体蛋白的人类神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞中，褪黑素处理能显著下调APP、促炎细胞因子IL-1β和MCP-1的水平。 * 体内：对6月龄的APP/PS1转基因AD模型小鼠进行褪黑素饮水补充。行为学实验显示，褪黑素治疗显著改善了AD小鼠在水迷宫测试中的空间学习和记忆能力，缩短了逃避潜伏期和路径长度。病理学分析表明，褪黑素减少了小鼠海马和皮层中的Aβ斑块沉积，降低了脑内促炎因子（IL-1β, IL-6, TNF）的mRNA水平，减轻了皮质中的活性氧积累，并上调了突触可塑性相关蛋白（PSD95, Synaptophysin）及其基因的表达。对小鼠脑组织的RNA测序分析进一步确认，褪黑素处理后差异表达基因富集于炎症反应、神经元突触和抗氧化活性等通路。 * 衰老模型验证： * 采用人间充质干细胞作为细胞衰老研究模型。在复制性衰老的MSCs中，褪黑素处理显著减少了衰老相关β-半乳糖苷酶阳性细胞，降低了细胞内活性氧水平，抑制了衰老相关分泌表因子的表达，改善了线粒体膜电位，减少了DNA损伤标志物γ-H2AX的磷酸化焦点。更重要的是，褪黑素下调了衰老关键调控蛋白p21、p16和p53的水平，上调了核纤层蛋白Lamin B1，并促进了视网膜母细胞瘤蛋白的磷酸化，从多个层面逆转了衰老表型。RNA测序分析揭示，褪黑素响应基因富集于氧化应激反应、染色质DNA结合和突触可塑性等通路。
第四阶段：PROTAC化学蛋白质组学解析作用靶点 为了阐明褪黑素发挥如此广泛保护作用的直接分子靶点，研究团队采用了蛋白水解靶向嵌合体技术。他们设计并合成了基于褪黑素的异双功能降解剂，通过将褪黑素与沙利度胺通过连接子连接而成。用该降解剂处理神经母细胞瘤N2A细胞后，进行定量蛋白质组学分析，寻找被特异性降解的蛋白。在与褪黑素单药处理的对比中，鉴定出84个差异靶点，其中32个显著下调。通过计算对接软件CB-Dock2预测褪黑素与这些候选蛋白的结合亲和力，组蛋白乙酰转移酶p300脱颖而出，成为排名第一的候选靶点。 后续实验证实，p300的降解具有剂量和时间依赖性。细胞热位移分析实验直接证明了褪黑素与p300蛋白的结合，引起了蛋白热稳定性的改变。功能丧失实验进一步验证了p300的关键性：使用p300选择性抑制剂C646预处理，能够完全阻断褪黑素在AD细胞模型中抑制APP表达和炎症因子释放的作用，也能逆转褪黑素在衰老MSCs中减轻衰老表型、抑制SASP、上调Lamin B1等效应。至此，研究明确将p300确定为褪黑素发挥神经保护和抗衰老作用的核心分子靶标。
第五阶段：超增强子介导的表观遗传调控机制解析 在锁定p300为靶点后，研究深入探索了其下游作用机制。 1. 识别转录共激活复合物：通过免疫沉淀-质谱联用技术并结合MAPE-PPI计算框架和AlphaFold3结构预测，发现p300与转录因子特异性蛋白1之间存在高亲和力相互作用，并通过共免疫沉淀实验证实。 2. 发现超增强子调控节点：利用DeepD2V深度学习模型预测p300与SP1在全基因组范围内的共结合位点，结合染色质切割标记测序实验，发现两者共同结合于多个基因的调控区域，其中富集了与神经系统发育、学习记忆相关的通路。通过H3K27ac的Cut&Tag测序分析活跃的染色质区域，发现p300/SP1共结合的位点伴随着强烈的H3K27ac信号，符合超增强子的特征。 3. 锁定核心效应基因——BMAL1：整合上述多组学数据，研究聚焦于一个关键的下游基因：脑和肌肉芳香烃受体核转运样蛋白1。BMAL1是生物钟的核心调控因子，与衰老和AD密切相关。研究发现，褪黑素处理显著增强了p300和SP1在BMAL1基因启动子附近一个特定区域的结合，并大幅提升了该区域的H3K27ac乙酰化水平，形成了一个活跃的超增强子，从而强力驱动了BMAL1的转录表达。这一现象在AD小鼠模型和衰老MSCs中都得到了验证。 4. BMAL1的功能验证：对AD患者和APP/PS1小鼠的单细胞及空间转录组学数据分析显示，AD相关的神经元、胶质细胞以及多个脑区中，BMAL1、EP300和SP1的表达均显著下调。遗传学实验证实了BMAL1是褪黑素效应的中心枢纽：在衰老MSCs中敲低BMAL1，可以完全消除褪黑素对细胞衰老表型、SASP分泌、DNA损伤等的改善作用。
结论与意义 本研究系统性地发现并证实了褪黑素是一种通过靶向p300/SP1转录复合物、重塑BMAL1超增强子、从而激活生物钟-表观遗传程序，实现双重抗衰老和抗AD潜力的候选药物。其科学价值在于： 1. 机制创新：首次将褪黑素的作用与p300靶向、超增强子重塑及BMAL1生物钟基因的转录激活联系起来，揭示了连接睡眠、表观遗传、昼夜节律、氧化应激与神经保护之间的一条全新分子轴。 2. 方法学创新：成功构建了一个从“AI筛选到临床前验证”的完整、可重复的研究范式。该范式深度融合了人工智能药物发现、PROTAC化学蛋白质组学靶点去卷积、以及多组学整合分析等前沿技术，为未来开发针对其他复杂、多因素疾病的治疗策略提供了强大的方法论框架。 3. 治疗策略创新：为解决“鸡生蛋还是蛋生鸡”的衰老与AD关系难题提供了一种可行的干预思路。通过靶向一个共享的上游调控节点，同时改善衰老和AD的多重病理特征，为开发安全、长效的老年神经退行性疾病治疗药物开辟了新途径。
研究亮点 1. 前沿技术深度融合：创新性地将AI预测、PROTAC靶点发现、深度学习DNA结合预测、单细胞与空间转录组学等尖端技术无缝衔接，形成强大的闭环研究体系。 2. 从计算到临床的完整证据链：研究从AI虚拟筛选出发，历经临床样本验证、多种体内外疾病模型药效确认、靶点鉴定与机制深挖，逻辑严密，证据扎实。 3. 聚焦关键生理病理交叉点：敏锐地抓住了“睡眠障碍”这一连接衰老与AD的可干预风险因素作为药物筛选的切入点，并从其常用治疗药物中发现了具有更深层、更广泛生物学功能的褪黑素。 4. 阐明全新的表观遗传调控机制：超越褪黑素传统的受体介导作用，揭示了其通过直接结合并调控表观遗传“书写器”p300，进而以超增强子重塑的方式全局性影响基因表达（尤其是BMAL1）的新机制，极大地丰富了对褪黑素药理作用的认识。
总而言之，这项研究不仅为褪黑素作为抗AD和抗衰老药物的临床转化提供了坚实的理论和实验基础，更重要的是，它展示了一种利用跨学科前沿技术加速复杂疾病药物研发的强大新模式，具有重要的科学意义和广阔的临床应用前景。