空间协方差揭示异硫氰酸酯类天然产物通过调节氧化还原压力治疗α-1抗胰蛋白酶缺乏症的作用
膳食异硫氰酸酯化合物在α1抗胰蛋白酶缺乏症中的潜在治疗作用
背景及研究意义
α1抗胰蛋白酶缺乏症(Alpha-1 Antitrypsin Deficiency,AATD)是一种先天性单基因疾病,其主要由肝脏中α1抗胰蛋白酶(AAT)错误折叠引起。这种错误折叠会导致两种病理效应:肝脏中AAT聚合蛋白的增多导致毒性积累,肺部中AAT单体分泌减少,从而减少对中性粒细胞弹性蛋白酶(Neutrophil Elastase,NE)的抑制作用。后者直接导致肺组织的破坏并最终导致慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)。目前的标准治疗方法多采用酶替代疗法(Enzyme Replacement Therapy),然而这种治疗方法效果有限,且未能解决AAT折叠错误和聚合负担等根本性问题。
为应对α1抗胰蛋白酶缺乏症的这一挑战,来自多个研究机构的研究者尝试从环境和饮食因素中寻找可能的干预路径,以补充现有的治疗手段。食物来源的天然化合物因其潜在的抗氧化和抗炎作用受到研究者的广泛关注。其中,天然异硫氰酸酯(Isothiocyanates,ITC)化合物被认为可能通过调节细胞内的氧化还原平衡(Redoxstasis)改变蛋白折叠环境,从而缓解蛋白折叠错误问题。
本篇文章的研究重点在于利用高通量筛选(High-Throughput Screening,HTS)结合高斯过程(Gaussian Process,GP)机器学习模型,根据变异体间的残基行为特性对AAT功能恢复进行精准解析。研究目的是发现膳食源化合物的潜在治疗作用,并为个性化的精准医学提供新思路。
论文来源及作者信息
该研究由作者Shuhong Sun、Chao Wang、Junyan Hu、Pei Zhao、Xi Wang及William E. Balch领衔完成,分别来自南京医科大学、Shenzhen Bay Laboratory、The Scripps Research Institute等多个机构,研究成果发表于Cell Reports Medicine期刊(2025年1月21日),标题为《Spatial covariance reveals isothiocyanate natural products adjust redox stress to restore function in alpha-1-antitrypsin deficiency》。
研究流程详述
高通量筛选发现改善AAT-Z分泌的小分子化合物
初筛实验
研究团队使用Maybridge化合物库(约15,000种化合物)并开发了一种高通量筛选体系,主要通过测定在肺来源的IB3细胞中稳态表达的AAT-Z变异体的分泌水平,挑选出能够提高单体分泌的化合物。阳性对照为已被证实能改善AAT-Z分泌的SAHA(Suberoylanilide Hydroxamic Acid),通过初筛选出了约60种化合物。二次验证
在初筛的基础上,研究者对这60种候选化合物进行了三重复实验验证,并最终确定了4-甲基苯乙腈硫氰酸酯(4-Methylphenacyl Thiocyanate,MPTC)作为最具有潜力的化合物,其提高AAT-Z分泌水平约2倍。
MPTC对AAT-Z分泌与功能的影响
分泌量与功能活性测试
在肝来源的Huh7.5细胞以及诱导多能干细胞来源的肝样细胞中,通过ELISA实验与荧光酶联免疫测定实验,发现MPTC能够显著增加AAT-Z单体的分泌,并提升其对中性粒细胞弹性蛋白酶的抑制活性。细胞内蛋白稳定性与折叠路径
结合环己酰亚胺(Cycloheximide,CHX)追踪实验及蛋白酶体抑制实验,发现MPTC能够延长AAT-Z单体的细胞内半衰期,但未能显著降低聚合蛋白的水平。依赖于PDIA4的修复机制
实验表明MPTC通过调节内质网蛋白二硫键异构酶4(Protein Disulfide Isomerase A4,PDIA4)的氧化还原状态促进AAT-Z单体分泌,而与其他内质网折叠蛋白(如PDIA1和PDIA3)无关。
天然异硫氰酸酯成分PEITC的潜力
Phenethyl Isothiocyanate(PEITC)是一种广泛存在于豆类蔬菜(如西兰花和水芹)中的膳食化合物,与MPTC具有相似的化学分子结构。通过实验发现,PEITC能够以剂量依赖性方式提高AAT-Z单体分泌与功能活性,同时其作用也依赖于PDIA4的调节。需注意的是,类似的异硫氰酸酯化合物如萝卜硫素(Sulforaphane,SFN)未显示相同效果。
PEITC与自噬激活剂联用的协同效果
自噬激活剂卡马西平(Carbamazepine,CBZ)已被证明能够减少AAT-Z聚合负担,但单独使用对单体分泌与抑制活性没有显著作用。然而,当PEITC与CBZ联合使用时,显著减少了细胞内外聚合蛋白的水平,同时继续保持PEITC对AAT-Z单体分泌与功能活性的修复作用。这表明,联合用药可以有效解决肝与肺病变的关键问题。
模型解析与精准修复
研究进一步采用高斯过程(GP)机器学习算法,通过空间协方差(Spatial Covariance,SCV)方法,在残基一级描述了AAT序列功能恢复的全局模式。分析表明,MPTC/PEITC能够广泛改善与AAT-Z折叠和功能相关的多数残基,但在某些高聚合风险区域(如S5A和反应中心环区域)未能完全逆转聚合负担。这些研究结果为管理AAT变异的动态折叠行为提供了重要的新思路。
结论与创新亮点
科学意义与应用潜力
本研究通过系统性筛选与机器学习解析,发现了两种膳食异硫氰酸酯化合物(MPTC和PEITC)能够改善AAT错误折叠相关的肺功能缺陷,为AATD患者提供了一种潜在的膳食补充治疗策略。同时,联合自噬激活剂的方案展现了解决聚合负担的新思路。研究创新性
本研究首次利用GP-SCV方法,揭示了变异位点间的残基级联作用以及这些功能关系随氧化还原环境的动态改变,为蛋白质错误折叠疾病的研究提供了全新的视角。膳食健康指引
研究还验证了以西兰花、水芹等富含PEITC的食材补充饮食可能对α1抗胰蛋白酶缺乏症带来显著益处,这对于健康管理具有现实意义。
本研究不仅为AATD的精准医学探索开辟了新路径,同时对于理解内质网氧化折叠环境对疾病的影响提供了宝贵的理论支持。未来,基于这类膳食化合物的临床转化值得进一步深入研究。