二甲双胍被誉为神药，但它依旧神秘。
大量的研究证实二甲双胍能降糖、防癌抗癌，甚至还能抗衰老、抗雾霾；但遗憾的是，这些功效背后的分子机制至今鲜为人知。
近日，加拿大蒙特利尔大学的Stephen W. Michnick教授团队，凭借他们开发的一项新技术，让我们得以一窥二甲双胍在分子层面对生命体的神奇影响。
基于这项技术，他们发现二甲双胍至少能影响745种蛋白的活性，而这些蛋白按照功能分属代谢、信号传递、转运等4大类。在一定程度上，让我们明白了二甲双胍兼具降糖、防癌抗癌和延缓衰老的原因。他们的这项研究成果刊登在顶级期刊《细胞》杂志上[1]。
Michnick教授的表情很喜感
从1656年，英国植物学家兼医生Culpeper首次报道山羊豆能降血糖[2]；到1922年，爱尔兰化学家首次合成出二甲双胍[3]；再到2011年，二甲双胍被列入世界卫生组织基本药物清单[4]。
二甲双胍已经成为全世界处方量最大的口服降糖药。不过，二甲双胍进入人体之后，结合的靶点到底是啥，目前还不清楚，有研究说可能是单靶点，有研究说应该是多靶点[5]。
搞不清楚药物的作用靶点，就不能深入地认识疾病，难以开发更加有效的药物。其实啊，目前不少药物都面临这样的问题。
Michnick教授团队认为，目前的技术手段都不好使啊。于是他们基于蛋白片段互补分析（PCA）技术，开发了“同源物动力学”蛋白片段互补分析（hdPCA）技术。
蛋白在细胞内的命运，以及hdPCA
这个技术看名字挺复杂，实际上啊，也确实非常复杂。
简单来说，是这样的。在自然界中啊，有些蛋白质比较独特，把它切成两段，这两段都没有功能，一旦这两段蛋白相遇，它们就会结合在一起，组成完整蛋白，对应的功能就会恢复正常。这就是所谓的蛋白片段互补。
例如，对细胞存活和增殖至关重要，催化二氢叶酸还原成四氢叶酸，为嘌呤和胸苷酸合成提供前体的二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）。
如果奇点糕想研究某两个蛋白质（X和Y）之间是否有相互作用，我可以在DHFR已经缺失的细菌里，把DHFR的前半截连在X上，把DHFR的后半截连在Y蛋白上，然后在培养基里加入二氢叶酸。你应该已经猜到了。如果这个细菌活下来了，那就说明，X蛋白和Y蛋白勾搭在一起了，DHFR的功能恢复了；如果细菌都死了，那就说明X蛋白和Y蛋白没有结合。
这个就是蛋白片段互补分析（PCA）技术了。
先看看hdPCA的技术原理，再看后文
不过呢，Michnick教授团队要研究的不是蛋白质之间的相互作用，而是在药物的处理下，单个蛋白质的状态。所以他们对PCA技术做了改进，将报告基因的两段都连在同一个蛋白上，然后通过有性生殖获得杂合子（如上图）。如果某种蛋白起作用需要自身聚合，那么这种聚合就会让细胞生存；如果这个蛋白发挥作用恰巧不需要自身聚合，那么就死亡。
你可能也看出来了，这种方法会漏掉那些发挥作用不需要聚合的蛋白。当然这就是这个方法的缺陷，不过有研究表明，生物体内的蛋白复合物比例可能并不低，有些生物至少有50%的蛋白质要形成同源聚合物[6]。
技术平台在酵母体内搭建好之后，研究人员首先用免疫抑制剂雷帕霉素作为检验平台可靠性的药物。这个药物不仅作用靶点明确，而且还有比较齐全的数据库可以用来验证这个平台的分析结果[7]。
雷帕霉素的分析结果不仅验证了hdPCA平台的可靠性，并且还发现蛋白片段互补信号低，也就是某个蛋白形成同源聚合体的能力弱，与蛋白活性降低相关；反之，与蛋白活性增强相关。
这些研究成果，为研究靶点不明确的二甲双胍奠定了良好的基础。
四大版块儿的众多蛋白活性受影响
当研究人员用二甲双胍来筛选时，他们发现有342个蛋白的信号增强，403个蛋白的信号减弱。研究人员把这745个蛋白分成了代谢、信号传导和调节、转运和其他过程等4大类。
从糖代谢的角度而言，之前有研究表明，二甲双胍可以刺激细胞摄取葡萄糖，降低糖异生和细胞呼吸能力，并增加甘油和乳酸的浓度[8]。hdPCA筛选显示，参与葡萄糖转运的蛋白信号增加，降解糖异生酶的蛋白信号增加，以及甘油和乙醇生产的酶信号增加；而柠檬酸循环和氧化磷酸化相关的蛋白hdPCA信号降低。这与之前的发现相吻合。
看看这个图，二甲双胍几乎影响了糖代谢通路上的大部分蛋白（蓝色代表活性增强，红色代表活性被抑制）
从衰老和癌症的角度而言。二甲双胍处理之后，与衰老有关的蛋白hdPCA信号降低，这与之前在长寿酵母中观察到的结果一致。而且，促进乳腺癌的TOR通路信号也降低，说明也受到了二甲双胍的抑制。有趣的是，二甲双胍似乎可以促进DNA的修复，因为与DNA修复相关的蛋白信号显著升高。看来，二甲双胍抗癌防癌是有依据的。
最后，让研究人员感到惊喜的是，二甲双胍对细胞铁代谢的影响。从hdPCA信号的变化来看，二甲双胍似乎导致细胞表现出全面的铁缺乏现象。实际上，在铁被限制的情况下，研究人员已经在多种生物中观察到呼吸能力降低、葡萄糖摄取增加、甘油产量增加、TOR途径抑制、寿命增加和DNA修复激活。这也暗示，铁代谢途径，可能是二甲双胍作用的重要靶点。
总之，Michnick教授团队的这项研究，让我们对二甲双胍之神，有了一定的认识。后面想要进一步研究二甲双胍对具体疾病的作用机制，这个研究里面有丰富的材料值得去挖掘。
参考资料：
[1].Stynen B, Abd-Rabbo D, Kowarzyk J, et al. Changes of Cell Biochemical States Are Revealed in Protein Homomeric Complex Dynamics[J]. Cell, 2018, 175(5): 1418-1429. e9. DOI：10.1016/j.cell.2018.09.050
[2].Culpeper N, Siderits R. The English Physitian: or An Astrologo-Physical Discourse of the Vulgar Herbs of this Nation[M]. benefit of the Commonwealth of England, 2006.
[3].Werner E A, Bell J. CCXIV.—The preparation of methylguanidine, and of ββ-dimethylguanidine by the interaction of dicyanodiamide, and methylammonium and dimethylammonium chlorides respectively[J]. Journal of the Chemical Society, Transactions, 1922, 121: 1790-1794.
[4].http://www.who.int/medicines/publications/essentialmedicines/EML_2015_FINAL_amended_NOV2015.pdf?ua=1
[5].Madiraju A K, Erion D M, Rahimi Y, et al. Metformin suppresses gluconeogenesis by inhibiting mitochondrial glycerophosphate dehydrogenase[J]. Nature, 2014, 510(7506): 542-546. DOI：10.1038/nature13270
[6].Krissinel E B, Henrick K. Inference of Macromolecular Assemblies from Crystalline State[J]. Journal of Molecular Biology, 2007, 372(3): 774-797. DOI：10.1016/j.jmb.2007.05.022
[7].Anisimov V N, Zabezhinski M A, Popovich I G, et al. Rapamycin increases lifespan and inhibits spontaneous tumorigenesis in inbred female mice.[J]. Cell Cycle, 2011, 10(24): 4230-4236. DOI：10.4161/cc.10.24.18486
[8].Foretz M, Guigas B, Bertrand L, et al. Metformin: From Mechanisms of Action to Therapies[J]. Cell Metabolism, 2014, 20(6): 953-966. DOI：10.1016/j.cmet.2014.09.018
[9].Borkluyucel E, Eraslan S, Ulgen K O, et al. Transcriptional remodeling in response to transfer upon carbon-limited or metformin-supplemented media in S. cerevisiae and its effect on chronological life span[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2015, 99(16): 6775-6789. DOI：10.1007/s00253-015-6728-5
