食源性蛋白酪氨酸磷酸酶1B抑制劑的功能意義和結構-活性關系

包美麗，王振宇*

（哈爾濱工業大學化工與化學學院，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，糖尿病發病率大幅上升，迄今為止，全球成人患病率已達到8.5%，到2040年將達到世界人口的10.4%[1-2]。糖尿病的主要發病機制是胰島β細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]，在分子水平上表現為胰島素與胰島素受體（insulin receptor，IR）結合后信號轉導缺陷[4]。酪氨酸磷酸化（phosphotyrosine，pTyr）是開啟和傳導胰島素信號的關鍵反應[5]。胰島素結合IR誘導胰島素受體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有關的銜接蛋白（Gab1和Shc）[6]，從而傳導胰島素信號。

細胞信號通路的精準和快速傳播需要嚴格的調節機制以及靈活的調節方式。蛋白質磷酸化在細胞周期、生長、凋亡和信號傳導等過程中起著重要調控作用。真核細胞中的大部分蛋白質磷酸化發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]。盡管細胞pTyr的發生概率要小得多，但pTyr在控制細胞正常代謝活動中至關重要[8]。在體內，pTyr是動態可逆過程，是由特異性蛋白質酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTKs）和蛋白質酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatases，PTPs）平衡調控的。PTPs的異常表達與人類許多疾病相關，如癌癥、糖尿病、類風濕性關節炎和高血壓[9]。PTPs是催化蛋白質酪氨酸去磷酸化的酶。人體中存在100 多種PTPs，它們在各種信號轉導途徑中充當著正或負調節劑[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的細胞內非受體型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通過催化活化的IR的去磷酸化，在胰島素信號傳導中起到負調節作用[13-15]。PTP1B缺陷小鼠表現出胰島素敏感性增強和對飲食誘導肥胖的抵抗，肝臟和骨骼肌中的IR和IRS的pTyr增加[16-17]。自PTP1B被發現以來，它已成為治療2型糖尿病的潛在靶點[18]。因此，PTP1B抑制劑已被認為是治療2型糖尿病的備選藥物。

食源性天然產物為開發和治療2型糖尿病的藥物提供了寶貴的資源[19-20]。由于結構的多樣性，它們能夠針對不同的靶點和途徑對糖尿病或其并發癥起到獨特的預防和治療作用[21]。近些年來，隨著研究人員對天然產物的廣泛關注，具有PTP1B抑制活性的食源性天然產物被發現并深入研究[22]。這其中以酚類、萜類、皂苷和生物堿等食源性天然產物為主，作用機制涉及多種抑制類型。本文就PTP1B的結構、作用機制和食源性天然PTP1B抑制劑的相關研究進展進行了綜述，以期為進一步開展PTP1B抑制劑的研究工作，開發新型PTP1B抑制劑和降糖功能食品提供參考。

1 PTP1B的結構生物學與作用機制

PTP1B是第一個從人胎盤中分離、純化并鑒定的細胞內PTP，位于內質網（endoplasmic reticulum，ER）的細胞質面，在人體組織中廣泛表達。1994年，Barford等[23]利用X射線晶體學闡明了PTP1B的晶體結構，它主要由435 個氨基酸組成，其抑制劑的作用位點主要有3 個（圖1）。其中，N端結構域包含兩個芳基磷酸酯結合位點，即高親和力催化位點（A位點）和低親和力非催化位點（B位點）。此外，第三個作用位點是距催化活性區域約20 ?處的C端變構位點。PTP1B的A位點是由8 個氨基酸殘基（His214、Cys215、Ser216、Ala217、Gly218、Ile219、Gly220、Arg221）形成的剛性環狀結構，被稱為磷酸結合環——P環（phosphate binding loop，P-loop），該位點中的親核半胱氨酸殘基Cys215在PTP1B催化過程中至關重要，是高度保守催化中心。通過化學修飾活性位點Cys215，PTP1B活性經歷氧化或S-亞硝基化而失活。PTP1B的B位點是由Arg24、Arg254、Met258和Gln262等組成的非保守結合位點，對底物特異性識別具有重要作用，其中Arg24和Arg254與磷酸化底物間的相互作用至關重要。變構位點由一些獨特的α-螺旋（α3、α6和α7等）組成，當PTP1B分子的C端結構域影響N端結構域時，PTP1B分子的整體構象發生變化，進一步使催化結構域與磷酸化底物之間直接接觸，相互作用[24]，PTP1B變構抑制劑通過切斷他們之間的相互作用，使其不能呈現活性構象，從而使PTP1B失活[25]。此外，WDP環的封閉構象對PTP1B的催化過程也具有重要影響[26-27]。當底物與P環結合時，WDP環上的Asp181使P環上的Cys215攻擊磷原子，導致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晶體結構圖（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系

糖尿病是一種復雜的慢性全身性疾病，是十大導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]。人體長期保持高血糖狀態會導致多器官損傷，并引起多種并發癥。患者若沒有得到及時有效的治療，則會大大增加其患糖尿病腎病、神經性病變、視網膜病變和心腦血管疾病的風險[30]。PTP1B作為2型糖尿病的潛在治療靶點，不僅是胰島素和瘦素信號通路的負調節因子，而且與ER應激和胰島素分泌密切相關。

2.1 PTP1B對胰島素和瘦素信號通路的負調節作用

2型糖尿病的關鍵誘因是胰島素抵抗和β細胞功能障礙所導致的胰島素絕對缺乏。IR與胰島素結合后使IR催化結構域發生自磷酸化，引起IRS1和IRS2的多個酪氨酸殘基磷酸化，進而激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）/Akt通路，隨后葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）轉移至細胞表面，促進細胞的葡萄糖攝取[31]。被激活的Akt還通過抑制糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK3）的活性來刺激糖原合成[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（圖2），抑制細胞對葡萄糖的攝取和糖原合成，導致胰島素抵抗[33]。PTP1B缺陷（PTP1B-/-）小鼠對胰島素敏感性增強，肌肉和肝臟中IR的pTyr水平增加，這表明PTP1B是影響胰島素信號通路非常重要的酶[34-35]。

圖2 PTP1B對胰島素與瘦素信號通路影響的作用機制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，主要由脂肪組織產生和分泌，以單體形式存在于血漿中[36]。瘦素與瘦素受體結合后使Janus激酶2（Janus kinase 2，JAK2）磷酸化，從而將信號傳導至下游信號分子——信號傳導與轉錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）來調節機體的物質和能量代謝。瘦素還能夠刺激脂肪酸的氧化和胰島素的釋放[37]。PTP1B使經瘦素活化的JAK2去磷酸化而失活，進而抑制瘦素信號轉導。研究發現，對嚙齒類動物施用瘦素后，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肥胖患者對胰島素和瘦素抵抗的有效策略。

2.2 PTP1B與ER應激的關系

ER是負責將分泌蛋白和膜蛋白折疊、修飾和運輸的細胞器。慢性高血糖和高脂血癥則會破壞ER穩態，導致錯誤折疊或未折疊的蛋白堆積，進而產生ER應激。PTP1B位于ER膜上，與ER應激密切相關。用衣霉素或棕櫚酸處理體外培養的成肌細胞C2C12，誘導使其產生ER應激，結果發現ER應激上調PTP1B的表達，使細胞對葡萄糖攝取減少。另一方面，PTP1B基因缺失可抑制ER應激，逆轉衣霉素處理的小鼠肌細胞C2C12中葡萄糖攝取的下調[40]；提高肝特異性PTP1B缺失（L-PTP1B-/-）小鼠胰島素敏感性，降低其脂質積累[41]。因此，PTP1B有望成為由ER應激引起的胰島素抵抗的有效治療靶點。

2.3 PTP1B在胰島β細胞中的作用

2型糖尿病的重要特征是胰島素抵抗，即細胞對胰島素的反應能力下降，外周組織對葡萄糖攝取和利用減少[42]。PTP1B基因敲除小鼠的胰島β細胞數量增多，凋亡率下降，葡萄糖刺激的胰島素分泌增強，同時由鏈脲佐菌素誘導的β細胞缺失被部分逆轉[13]。此外，一項來自哈佛醫學院Joslin糖尿病中心的報道顯示，胰腺PTP1B缺陷的正常小鼠葡萄糖耐量無異常，而胰腺PTP1B缺陷的肥胖小鼠則表現出葡萄糖耐量受損，同時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是胰腺中一個潛在的PTP1B底物[43]。這些結論為胰腺PTP1B在調節葡萄糖穩態方面提供了新的見解。綜上，PTP1B的表達水平可能是影響胰腺β細胞功能的潛在因素。

3 食源性天然PTP1B抑制劑

食源性天然產物與人類生活息息相關，它們不僅為人類提供生命所需的能量和營養物質，同時還為人類提供了許多具有特殊生理活性的次生代謝物。食源性天然產物因其結構多樣、種類繁多，對疾病靶點的作用機制也不盡相同。目前，通過分離純化技術和活性跟蹤法分離出的具有生物活性的天然產物已有幾萬種，主要包括酚類、萜類、皂苷和生物堿類化合物等。本節就食源性天然PTP1B抑制劑的化學結構與活性關系進行綜述。

3.1 酚類化合物

酚類化合物的特征是至少具有1 個芳香環，并有1 個或多個羥基與之相連，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、抗炎和調節代謝等功能，對許多疾病具有預防和治療作用[44]。類黃酮是由15 個碳組成的酚類化合物，2 個芳香環由三碳鏈相連。類黃酮是自然界中數量最多的天然產物，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。在一項對糖尿病大鼠進行連續8 周灌胃秋葵提取物和槲皮素的研究中發現[45]，秋葵提取物和槲皮素（酚類化合物1）可以通過抑制PTP1B和過氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferatoractivated receptor-α，PPAR-α）來調節糖尿病大鼠體內葡萄糖穩態和脂質穩態。甘草（Glycyrrhiza uralensisFisch.）作為世界上最古老和最常見的草藥之一，也是食品中的天然甜味劑和調味劑。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PTP1B的抑制活性較強，這可能與其結構中羥基或戊烯基的數目和位置有關，特別是環B上的戊烯基或異戊烯基可能會增強其抑制活性[46]。另一項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 個異戊烯基結構，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，表明異戊烯基結構在抑制PTP1B活性中發揮著重要作用[47]。黃牛木（Cratoxylum cochinchinense(Lour.) Blume）是一種富含多酚的植物，在我國被用作食物香料，其茶產品也廣泛流傳。研究發現從黃牛木中分離出的山酮類化合物——Cratoxanthone A（酚類化合物6）對PTP1B具有較強的競爭性抑制作用和時間依賴性抑制作用，其抑制機制是通過異構化酶復合物實現的[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PTP1B具有非競爭性抑制作用，是其變構抑制劑。通過分子對接模擬發現，綠原酸與PTP1B的關鍵殘基Lys 197、Glu 200和Gln 288之間形成氫鍵相互作用，與其變構位點α7螺旋有效結合。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PTP1B進行變構抑制[49]。青錢柳（Cyclocarya paliurus(Batal.) Ijinskaja）在我國一直被用作傳統滋補品，其葉被加工成茶產品。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PTP1B有更強的抑制作用，這可能是因為槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸比后者在結構環B中的C-5’上少了一個羥基。此外，從青錢柳中分離出的槲皮素-3-O-α-D-葡萄糖醛酸是沒有活性的，其結構與槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸具有不同構型的葡萄糖醛酸部分，這意味著葡萄糖醛酸構型在體外抑制活性中起著關鍵作用[50]。漿果類水果因富含酚酸、類黃酮和花青素等活性物質而一直備受研究人員關注，美國農業部數據庫還將漿果類食品確定為類黃酮的主要來源[51]。在一項對漿果（綠醋栗、黑醋栗、野生越橘和越橘提取物商品Mirtoselect?）體外消化提取物進行PTP1B抑制活性的研究中發現，這些提取物富含花青素和其他酚類物質，且在一定濃度下均顯示出PTP1B抑制活性。繼續對其提取物中單體進行PTP1B抑制活性研究，發現錦葵色素-3-葡萄糖苷（酚類化合物11）對PTP1B的抑制作用最強，而花色苷和飛燕草苷對PTP1B沒有抑制作用，這表明錦葵色素上葡萄糖基團的存在是導致PTP1B受到抑制的原因，類似于環B中甲氧基的影響，而羥基的存在可能不會促進花色苷對PTP1B的抑制活性；分子對接模擬結果顯示，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]。藍莓作為一種美味的漿果類食品備受大眾喜愛。有學者以PTP1B抑制活性為指標，通過活性跟蹤法共分離出6 種花青素，發現其中花青素-3-阿拉伯糖苷（酚類化合物12）對PTP1B的抑制活性最強，構效關系分析結果表明，花青素環B中的羥基數量在對PTP1B活性抑制中起著重要作用[53]。酚類化合物1～12的結構如圖4所示。

圖3 預測錦葵色素-3-葡萄糖苷與PTP1B（PDB ID: 1AAX）的結合模式[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的結構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）為基本結構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.）是我國著名的草藥，同時也廣泛用作食品補充劑，由于其重要的營養和醫學作用，近年來越來越受到研究人員的關注。研究人員通過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，并且發現其對PTP1B具有顯著的抑制作用。基于構效關系的研究，推斷該化合物的抑制活性可能與其結構上C-3中的—OH和—COOH以及C-17在苷元中的構型有關[54]。在我國，花楸是一種漿果類食品，同時也是治療慢性氣管炎、肺結核和水腫的中藥。研究顯示，花楸乙醇提取物（體積分數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-羥基結構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PTP1B的抑制活性最強，接近于陽性對照熊果酸（天然五環三萜類化合物）的抑制效果，它們僅在E環上具有不同的結構，正是這種結構差異導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，其中以熊果酸含量最為豐富，是山茱萸重要的質控指標[56]。有學者基于糖尿病臨床使用的中藥提取物庫，采用高通量篩選法確定了山茱萸果實中的熊果酸是PTP1B抑制劑，且是一種競爭性抑制劑[57]。考慮到熊果酸的可用性和生物學特性，研究人員將熊果酸進行化學改性，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肌細胞中葡萄糖攝取，并通過增強IR磷酸化來促進CHO/hIR細胞中GLUT4的轉運[57]。萜類化合物1～5的結構如圖5所示。

圖5 萜類化合物1～5 的結構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。三七是一種中藥，同時也是功能性食品[58]。《美國膳食補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充劑[59]。從三七中分離的新達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PTP1B具有顯著抑制活性，根據它們對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 種以上糖基的達瑪烷三萜更有效，糖基部分的存在可能降低了化合物對PTP1B的抑制活性；而具有R構型的20(R)-人參皂苷-Rh2對PTP1B的抑制活性更強[60]。皂苷類化合物1～4的結構如圖6所示。

圖6 皂苷類化合物1～4的結構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]。調料九里香（Murraya koenigii(L.)Spreng）還稱為咖喱葉，廣泛分布于東南亞地區，在印度作為調味食品。在民間，其綠葉可用于治療炎癥、痢疾、水腫等疾病[62]。研究人員通過活性跟蹤法從調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PTP1B具有顯著的抑制作用[63]。魚腥草是《中華人民共和國藥典》（2015版）中記載的一種重要的中藥，其地上部分在東南亞國家也是很受歡迎的野菜[64]。有學者通過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）。通過研究這些生物堿與PTP1B的構效關系發現，這些化合物含有3 個六原子環，其中1 個含氮五環或六環，這種結構可能在對PTP1B抑制活性中發揮了積極作用[65]。生物堿類化合物1～7的結構如圖7所示。

圖7 生物堿類化合物1～7的結構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成分，其結構苯環中溴原子和溴酚衍生物的烷基鏈長度對PTP1B抑制起關鍵作用[66]。

4 開發PTP1B抑制劑的挑戰

盡管大量的研究表明，一些天然產物對PTP1B具有顯著的抑制效果，其結構中的特定基團是抑制PTP1B的關鍵所在，但是這些PTP1B抑制劑作為臨床藥物制劑的開發仍然存在一些問題。一方面，PTP1B與其他PTPs的催化活性位點具有高度的同源性；另一方面，PTP1B中的催化結構域具有高極性特征，這導致大部分抑制劑對PTP1B的選擇性不佳，且對細胞的通透性和生物利用度較低[67]。因此，開發出精準抑制PTP1B的藥物制劑是一項極具挑戰性的任務。

4.1 PTP1B抑制劑的選擇性

選擇性是PTP1B抑制劑作為藥物開發的主要問題之一。由于所有的PTPs的活性位點（即pTyr結合位點）都具有高度的結構保守性，阻礙了開發高親和力和選擇性PTP1B抑制劑的進程。然而，通過對PTPs底物特異性的研究發現，單獨的pTyr部分不足以進行高親和力結合，而pTyr兩側的殘基對PTP1B底物識別具有重要作用，且其他的PTPs不具有與之相同的活性中心外圍的作用位點[9,68]。因此，PTP1B活性位點附近的子口袋也可以作為其抑制劑開發的目標，即開發出針對活性位點和獨特的相鄰外圍位點的雙配基抑制劑。例如，研究人員根據PTP1B活性位點的結構特征，合成出化合物Compound 2（圖8），并分析其與PTP1B之間的相互作用機制。結果表明，不可水解的pTyr模擬物——膦(二氟甲基)-苯丙氨酸占據了活性位點，且遠端4-膦二氟甲基苯基乙酰基與近端非催化位點Lys41、Arg47和Asp48殘基形成了范德華力和離子間作用力。該研究結果顯示，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抑制劑在生物學和藥理學研究中所需的效力和特異性提供了分子基礎，也為進一步設計出有效的、具有特異性的PTP1B抑制劑提供了新思路。

圖8 Compound 2的化學結構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抑制劑作為藥物開發的另一重要問題。由于PTPs的活性位點在生理pH值下帶有2 個負電荷，而目前報道的以活性跟蹤法獲得的PTP1B抑制劑大多數都具有高帶電性[68]，這使得其在細胞中的滲透性降低，因此，研究人員針對這一問題提出了幾種策略：其一，最直接有效的方法就是減少化合物的負電荷數量。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 個負電荷而限制了其對細胞的滲透性，當該化合物中的一個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定性，還增加了其對細胞的滲透性和對細胞的功能活性[70]。其二，因細胞膜的磷脂雙分子層具有疏水性，藥物通過細胞膜的過程可視為是在親水和疏水介質之間的再分配，因此，可以通過增加化合物的疏水性，引入更多的疏水基團，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的變構位點與pTry結合位點不同，其保守性較差、極性較弱，因此，開發靶向變構位點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節中提到的咖啡酰衍生物綠原酸和菊苣酸是通過與PTP1B變構位點的有效結合從而對其發揮變構抑制作用的。

圖9 二羧酸類似物（A）和鄰四唑類似物（B）的化學結構Fig.9 Structures of dicarboxylic acid analogue (A) and ortho tetrazole analogue (B)

5 結 語

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，患者會出現各種并發癥。大量研究已經證明PTP1B抑制劑有望成為治療2型糖尿病和肥胖癥的候選藥物，但目前還沒有被美國食品藥品管理局批準的臨床使用的PTP1B抑制劑，究其原因可能是這些抑制劑對細胞膜滲透性低或選擇性不佳，因此，設計PTP1B抑制劑藥物成為了一項困難重重又極富挑戰的任務。天然產物因具有結構多樣、種類繁多、多靶點以及、多途徑等優點，一直都是作為藥物開發的主要原料，現階段使用的藥物約有一半是從天然產物中衍生而來，在生物化學研究以及藥物創新領域發揮著重要作用。本文對食源性PTP1B抑制劑的構效關系以及作用機制進行了綜述，發現多種食源性天然產物如酚類、萜類、皂苷類化合物和生物堿等對PTP1B具有顯著的抑制活性，且大多數已發表的研究都集中于酚類和萜類抑制劑，其結構中獨特的化學基團在抑制P T P 1 B 中起著關鍵作用。

雖然這些食源性天然產物在抑制PTP1B的研究中取得了一定進展，但尚有些問題需要思考和解決：1）由于PTP1B催化結構域的高帶電性質，以及PTPs中活性位點和第二結合位點結構具有同質性，導致靶標選擇性不佳。但PTP1B中的pTyr兩側殘基對其底物識別具有重要作用，是其他PTPs所不具有的活性中心外圍作用位點，因此，建議將此獨特的相鄰外圍位點作為PTP1B抑制劑開發的下一個研究目標；2）大多數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，建議針對此化學特性對其進行化學修飾或改性，如減少化合物的負電荷數量、增加化合物的疏水性或開發靶向變構位點抑制劑等；3）盡管天然PTP1B抑制劑表現出顯著的抑制效果，但是目前大部分研究都停留在天然產物與PTP1B的體外分子對接模擬階段，缺乏體內PTP1B抑制活性的驗證以及相關調控信號通路的研究，特別是關于體內用藥劑量、給藥途徑、副作用以及不良反應等生物安全性相關的研究甚少。因此，建議研究中可以補充相關代謝組學、轉錄組學、基因組學和蛋白組學等組學技術，深入探究天然PTP1B抑制劑的生物安全性和分子調控機制；4）隨著天然產物活性物質的分離純化和結構鑒定技術的發展日益成熟，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物對PTP1B的抑制作用，對于復配天然產物的PTP1B的抑制研究鮮有報道，缺乏對PTP1B的3 個活性位點和活性中心外圍的作用位點的協同抑制的研究，因此，根據天然PTP1B抑制劑的抑制機理，復配出具有協同抑制作用的PTP1B抑制劑有待進一步研究。

總之，食源性天然產物因其結構的多樣性和新穎性在疾病的預防和治療方面發揮著獨特的生理活性和作用，為開發和設計新型抗糖尿病藥物提供了化學分子模板，本文可為進一步開展食源性天然產物抗糖尿病研究提供理論基礎和新思路。