对角萜类似物4,4′-二植酮（4,4′-diapophytofluene）作为潜在抗衰老植物疗法物质的计算探索

《Computational Biology and Chemistry》：Computational exploration of squalene analog 4,4′diapophytofluene as a potential anti-aging phytotherapeutic

细胞衰老相关蛋白（SIRT-1、Bcl-xL等）的分子对接与动力学模拟显示，椰子叶提取物中的4,4'-二去氧阿朴菲洛烯（DPE）具有更强的结合亲和力与稳定相互作用，ADMET分析证实其临床安全性，为新型抗衰老剂开发提供理论依据。

　　

Madhurima Dutta | Anjan Hazra | Suparna Mandal Biswas

印度统计研究所农业与生态研究部门，B.T.路203号，加尔各答700108，印度

摘要

细胞衰老是一个复杂的生物过程，其特征包括细胞周期停滞、大分子损伤、分泌表型（SASPs）和代谢失调。了解这些因素对衰老和疾病的影响至关重要。针对哺乳动物衰老相关各种生化途径的广泛研究已经确定SIRT-1、Bcl-xL、Hsp-90、MDM-2、AMPK和mTOR是一些关键的调控蛋白。因此，保持这些蛋白的功能有可能减缓衰老过程。先前的研究表明，从椰子（Cocos nucifera）叶子中提取的4,4'-二植酚（4,4'-diapophytofluene）在抑制WI38和HaCaT细胞衰老方面比角鲨烯更有效。在本研究中，通过高通量虚拟筛选评估了4,4'-DPE与上述六种衰老调控蛋白之间的相互作用，进一步验证了其作为天然抗衰老物质的作用，同时比较了角鲨烯以及其他几种已知的抗衰老植物提取物（槲皮素、姜黄素、白藜芦醇、二甲双胍和非瑟汀）。分子对接研究表明，与槲皮素、姜黄素、白藜芦醇和非瑟汀相比，4,4'-DPE与SIRT-1、Bcl-xL、Hsp-90、MDM-2和mTOR的结合亲和力更强（ΔG值更高）。分子动力学模拟（100纳秒）的MM/PBSA和FEL图也显示，4,4'-DPE与这五种蛋白的结合口袋保持热力学稳定且相互作用良好，这种稳定性得益于持续的范德华力和疏水作用，同时结构偏差最小。此外，ADMET研究证实4,4'-DPE是一种临床安全的生物活性化合物，使其有潜力成为新型抗衰老药物或皮肤产品的成分。

引言

普遍而言，生理完整性的逐渐丧失导致功能下降和死亡风险增加，这是衰老的标志（López-Otín等人，2013年）。衰老的几个独特特征，如细胞衰老、基因组不稳定、端粒缩短、表观遗传变化、蛋白质稳态丧失、营养感知失调、线粒体功能障碍、干细胞耗竭以及细胞间通信改变，使得衰老成为一个复杂的生物过程。其中，细胞衰老是理解衰老过程及其相关疾病的关键因素（Gorgoulis等人，2019年）。细胞衰老的概念最初由Hayflick和Moorhead（1961年）提出，他们发现人类成纤维细胞在第四十到第六十一次分裂之间会进入持续的增殖停滞状态，从而导致复制性衰老。这一发现扩展了组织衰老的理论，即细胞系统逐渐失去增殖能力。然而，这些不再增殖的受损细胞需要不断被替换以维持系统的功能。

衰老细胞（SCs）的主要特征是不可逆的生长停滞和由多种损伤刺激（如DNA损伤、端粒缩短、线粒体功能障碍或致癌压力等）引发的功能障碍（Kuilman等人，2010年；de Magalhaes和Passos，2018年）。除了这些特征外，衰老细胞还表现出多种表型，包括与衰老相关的分泌表型（SASPs）、与衰老相关的β-半乳糖苷酶活性（SA-β-G）、对抗凋亡细胞死亡的生存能力、核结构改变或衰老相关异染色质焦点的存在（SAHF），以及其他信号事件，例如细胞周期抑制因子和促生存因子的上调（Campisi，2013年）。这些功能衰退导致了多种衰老特征和相关病理现象，通常被称为与年龄相关的疾病（ARDs）。Wang等人（2009年）的报告指出，在衰老小鼠的不同组织中，衰老细胞占细胞总数的约5-40%，具体比例取决于组织类型。

由于衰老是人类疾病发展的主要威胁之一，因此目前大多数研究都集中在针对常见致病因素（如高血压、高血糖、高胆固醇和高甘油三酯）的干预措施上。与其试图阻止特定疾病的出现，越来越多的证据表明，最有效的方法是针对所有ARDs共有的分子途径。这要求研究人员弄清楚促进生物体衰老的化学过程（Seals和Melov，2014年）。

利用患有慢性疾病和早衰症的小鼠模型进行的研究证明了抗衰老物质在预防与年龄相关疾病方面的有效性（Zhu等人，2017年）。已经提出了多种化学途径来解释天然物质的抗衰老作用，这些物质可以通过（i）调节多种信号通路（如SIRT（sirtuins）和腺苷5'-单磷酸（AMP）激活的蛋白激酶（AMPK）的激活；（ii）抑制核因子-κB（NF-κB）和哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）（Muzammil等人，2021年）；（iii）减少氧化应激（Sharma等人，2021年）；（iv）改善细胞代谢（Gimeno-Mallench等人，2019年）；（v）减缓端粒缩短的速度（Tao等人，2021年）；（vi）增强线粒体的数量和功能（Gherardi等人，2022年）；（vii）促进DNA修复（Polj?ak和Milisav，2024年）；（viii）促进干细胞激活和再生（Lv等人，2018年）；以及（ix）改变表观遗传修饰（Izquierdo等人，2019年）来减轻衰老的负面影响。然而，虽然这些防御机制的异常可能导致衰老或与年龄相关的疾病，但维持这些相关途径的功能可能有助于减缓衰老过程。

在这些潜在的蛋白质靶点中，mTOR作为一种重要的免疫调节因子，受到了最广泛的研究。过表达的mTOR复合物会破坏细胞稳态并损害细胞维持能力，从而加速衰老过程。通过阻断mTOR，雷帕霉素及其类似物（“rapalogues”）可以改善与衰老相关的状况（Abdel-Magid，2019年；Kim和Guan，2019年）。另一种与衰老和能量平衡相关的著名细胞能量检测蛋白是AMPK。AMPK的激活是基于禁食的抗衰老疗法和自噬的关键部分。通过禁食或热量限制系统性地激活AMPK具有复杂的抗衰老效果。这促使人们努力寻找能够激活AMPK的化合物以用于抗衰老治疗，通过模拟热量限制的效果（Langendorf等人，2016年）。总体而言，建议使用延缓衰老和延长寿命的化合物——即geroprotectors。最早报道具有抗衰老活性的化合物是槲皮素（一种植物黄酮）和达沙替尼（一种蛋白酪氨酸激酶抑制剂，均由Zhu等人于2015年描述）。随后，还有两种基于植物的生物活性物质——胡椒龙脑碱（piperlongumine）和非瑟汀（fisetin）也被发现具有体外抗衰老效果（Wang等人，2016年；Zhu等人，2017年）。迄今为止，已经探索了七种类型的抗衰老化合物，包括激酶抑制剂、Bcl-2家族蛋白抑制剂、p53结合剂、热休克蛋白90（Hsp-90）、组蛋白去乙酰化酶（HDAC）和UBX0101（Niedernhofer和Robbins，2018年）。其他一些植物提取物，如槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖醛酸酯、juglanin、（?）-loliolide、quercetagetin 3,4′-二甲醚，以及最近发现的4,4'-二植酚（存在于椰子叶子中），也被证明可以降低衰老人类细胞系中的p53水平、SA-β-G和氧化应激（Yang等人，2014a；Yang等人，2014b；Yang等人，2015a；Dutta等人，2024a）。基于这些发现，本研究的主要目的是通过计算机模拟（in silico）评估4,4'-二植酚和一些先前报道的植物提取物对参与哺乳动物细胞衰老途径的蛋白质的作用，以验证其作为天然抗衰老物质的作用。如今，计算建模等方法被用于加速新药物的开发。抗衰老验证的最新进展突显了先进药物开发技术的重要性，如氟化和DFT分子建模，这些技术能够精确靶向线粒体复合物（Mou等人，2024年；Zhang等人，2024年）。计算机辅助分析在生物学研究中的日益广泛应用，加上可用数据的增加和计算方法的进步，使得药物开发更加高效、快速和成本效益更高，包括高通量虚拟筛选、分子动力学（MD）模拟和自由能计算（Muegge等人，2024年）。此外，这些计算方法提供了关于候选药物与靶蛋白之间原子级相互作用的深入见解，有助于优化结合亲和力、选择性和药代动力学特性。因此，这些工具使得能够合理修改或设计新的药物，这些药物对参与衰老过程的蛋白质具有强烈的结合亲和力，从而降低毒性并提高临床疗效和安全性，支持药物发现和应用（Muhammed和Aki-Yalcin，2024年）。

尽管先前的研究仅限于in vitro条件下4,4'-二植酚（4,4'-DPE）和角鲨烯（SQ）对衰老诱导的成纤维细胞（WI38）和角质形成细胞（HaCaT）的功能影响，证明了它们能够提高细胞活力并降低细胞内ROS水平。然而，其具体的分子靶点和调控途径仍不清楚。本研究旨在通过使用高通量计算框架来识别哺乳动物细胞衰老网络中的关键蛋白质靶点，从而填补这一空白。这项高通量虚拟研究探讨了4,4'-DPE与一些已知抗衰老植物提取物相比在生物衰老关键调控蛋白上的作用。这项开创性研究探讨了这种从椰子叶子中提取的化合物作为安全、可生物利用且有效的抗衰老生物制剂的潜力。因此，制定了一种全面的筛选策略，包括in silico对接以评估结合亲和力，并通过分子动力学（MD）模拟分析蛋白质-配体复合物的稳定性和相互作用动态。

部分摘录

通过数据挖掘选择哺乳动物细胞衰老网络的关键调控蛋白和潜在的植物化学化合物

通过与衰老特征相关的文献搜索，选择了与衰老和/或哺乳动物细胞衰老网络相关的关键调控蛋白：SIRT-1、Bcl-xL、Hsp-90、MDM-2、AMPK和mTOR（补充表1）。先前的科学研究表明，在椰子（Cocos nucifera）叶子的非极性组分中存在一种角鲨烯的类似物，名为4,4'-二植酚（4,4'-DPE）（Dutta等人，2024a）。在本研究中，选择了4,4'-DPE和SQ作为实验对象

药理学预测

通过SwissADME、Protox和Stoptox工具进行的药理学分析结果分别列于表1、表2和表3中。如果药物候选物满足Lipinski规则标准，则认为其适合口服给药。在所选化合物中，角鲨烯和4,4'-二植酚（4,4'-DPE）的溶解度较差（TPSA = 0），仅违反了一条Lipinski规则（MLOGP > 4.15），这是由于它们的高非极性性质。然而，角鲨烯

讨论

生物老年学领域的最新进展加剧了对更全面的研究和创新治疗方法的迫切需求，以解决衰老作为疾病的核心生物学机制（Neumann等人，2019年；St Sauver等人，2015年）。大量研究表明：衰老的特征是保守和可靶向的分子途径之间相互作用的结果。因此，开发各种抗衰老技术可以

结论

这些高通量in silico研究表明，4,4'-二植酚与五种关键蛋白质（SIRT-1、Bcl-xL、Hsp-90、MDM-2和mTOR）之间存在强烈且稳定的相互作用，表明其在调节DNA修复和凋亡途径方面的潜在作用。此外，这种化合物作为一种有前景的天然药物候选物，可与现有的治疗手段（如槲皮素、姜黄素、白藜芦醇、二甲双胍和非瑟汀）相媲美。此外，考虑到药物相似性、药代动力学和毒理学结果

未引用的参考文献

(Zhu等人，2017年；Zhu等人，2015年；Schr?dinger，2021年；Thorpe等人，2001年)

CRediT作者贡献声明

Suparna Mandal Biswas：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、研究、资金获取、概念构思。Madhurima Dutta：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法学、研究、数据分析、概念构思。Anjan Hazra：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件使用、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们非常感谢印度统计研究所的所长、负责人和AERU主任提供的财务支持和实验室设施。

利益冲突声明

参与本研究的作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

数据和材料可应要求提供给相应作者。

作者贡献声明

Madhurima Dutta：概念构思