Phytomedicine I GDD作为首个APPL1激活剂重塑线粒体稳态并改善胰岛素敏感性的分子机制研究！

2026年8月11日，浙江中医药大学等研究团队在国际学术期刊 《Phytomedicine》（JCR Q1，IF=11.3）发表题为 “GDD, a first-in-class APPL1 activator, restores mitochondrial homeostasis and insulin sensitivity with regulation of LKB1-AMPK axis”（GDD作为首个APPL1激活剂，通过调控LKB1-AMPK轴恢复线粒体稳态并改善胰岛素敏感性）的研究论文。该研究围绕传统药用植物活性成分调控代谢疾病的现代机制，系统揭示了来源于中药植物款冬花（Tussilago farfara L.）的倍半萜类化合物GDD改善胰岛素抵抗的新机制。研究发现，GDD能够直接结合并稳定适配蛋白APPL1（adaptor protein containing PH, PTB and leucine zipper domains 1），促进APPL1与LKB1相互作用，进一步激活LKB1-AMPK信号通路，恢复线粒体功能和能量代谢稳态，从而改善高脂饮食诱导的胰岛素抵抗及代谢异常。本研究首次证明APPL1可以作为天然产物直接调控的代谢治疗靶点，为2型糖尿病的药物开发提供了新的理论依据。

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一种以胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍为主要特征的慢性代谢疾病，近年来发病率持续升高，已经成为全球重要公共卫生问题。目前临床常用治疗药物包括二甲双胍、GLP-1受体激动剂以及SGLT2抑制剂等，但这些药物仍存在胃肠道不良反应、低血糖风险以及难以逆转代谢功能衰退等局限。因此，寻找能够恢复机体代谢能力、针对疾病根本机制的新型治疗策略具有重要意义。

近年来，越来越多研究发现，骨骼肌线粒体功能障碍是胰岛素抵抗发生发展的重要病理基础。骨骼肌作为机体主要葡萄糖摄取组织，承担约80%的餐后葡萄糖清除过程。在肥胖和T2DM状态下，长期游离脂肪酸（free fatty acids，FFAs）升高可导致线粒体数量减少、氧化磷酸化能力下降以及线粒体ROS增加，进一步促进脂毒性代谢物二酰基甘油（DAG）和神经酰胺积累，干扰胰岛素信号传递，最终形成恶性循环。因此，通过恢复线粒体稳态改善胰岛素敏感性，成为代谢疾病治疗的重要研究方向。

脂联素（adiponectin）信号通路被认为是调节能量代谢和改善胰岛素敏感性的重要途径。其中，适配蛋白APPL1作为脂联素受体下游关键调控因子，能够促进胰岛素信号转导，并参与LKB1-AMPK通路调控，在维持线粒体功能、促进葡萄糖利用以及改善代谢稳态过程中发挥重要作用。然而，由于天然脂联素难以药物化，目前尚缺乏能够直接靶向脂联素信号通路的药物。因此，APPL1是否能够作为一种可药物化的新型代谢靶点仍有待进一步研究。

本研究首先建立脂毒性诱导的骨骼肌胰岛素抵抗模型，在棕榈酸（palmitic acid，PA）处理的C2C12肌管细胞中评价GDD的代谢保护作用。研究发现，GDD能够显著增强胰岛素刺激后的葡萄糖摄取能力，并促进IRS-1、AKT以及GSK3β等胰岛素信号分子的活化。同时，GDD能够减少细胞内脂质积累，降低DAG和神经酰胺水平，提示其能够缓解脂毒性导致的胰岛素信号障碍。

进一步研究发现，GDD能够显著改善PA诱导的线粒体损伤。在线粒体水平，GDD处理能够增加线粒体数量，提高ATP生成能力，恢复线粒体膜电位，并降低线粒体ROS水平。同时，GDD促进PGC-1α、UCP3、Tom20以及COX2等线粒体生成和功能相关蛋白表达，提示GDD能够通过恢复线粒体稳态改善骨骼肌代谢功能。

机制研究进一步揭示，LKB1-AMPK信号轴参与GDD发挥代谢保护作用。研究发现，GDD能够促进AMPK及其下游靶蛋白ACC的磷酸化，并增强线粒体代谢相关通路激活。在AMPKα1敲低细胞中，GDD促进葡萄糖摄取、减少脂质积累以及改善线粒体功能的作用明显减弱，说明AMPK是GDD调控代谢稳态的重要下游分子。

随后，研究团队进一步利用蛋白组学和多种靶点验证技术寻找GDD直接作用蛋白。通过Lip-MS筛选、CETSA、DARTS以及SPR实验，研究发现APPL1是GDD发挥作用的直接靶点。实验结果显示，GDD能够直接结合APPL1蛋白，提高其稳定性，减少APPL1泛素化降解，并促进APPL1与LKB1结合，从而增强LKB1介导的AMPK激活。进一步研究发现，在APPL1敲低细胞中，GDD促进葡萄糖摄取、改善脂质积累以及恢复线粒体功能的作用均明显减弱，证明APPL1是GDD发挥代谢调节作用的关键分子。

研究进一步通过高脂饮食诱导的小鼠胰岛素抵抗模型验证GDD的体内作用。结果显示，连续给予GDD能够明显改善高脂饮食导致的代谢异常，包括降低体重增加、改善空腹血糖水平、降低糖化血红蛋白（HbA1c）、改善葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。同时，GDD能够减少脂肪组织积累，缓解肝脏脂肪变性，并恢复骨骼肌线粒体功能，表现出较好的整体代谢保护作用。

本研究首次发现天然产物GDD能够作为APPL1的小分子激活剂，通过“GDD–APPL1–LKB1–AMPK”信号轴调控线粒体稳态和胰岛素敏感性。该研究突破了传统天然产物通过抗氧化、抗炎等非特异机制发挥作用的认识，提出了直接靶向关键代谢调控蛋白的新模式。同时，该研究为中药活性成分治疗T2DM及相关代谢疾病提供了新的分子依据，也为开发APPL1靶向药物提供了新的研究方向。

不过，目前研究仍存在一定局限。首先，虽然研究证明GDD能够结合APPL1并增强其功能，但GDD诱导APPL1结构变化以及激活状态形成的精确分子机制仍需进一步解析；其次，GDD的药代动力学特征、生物利用度以及长期安全性仍需要系统评价；此外，APPL1激活策略是否适用于其他代谢疾病，如代谢相关脂肪性肝病（MASLD/MASH）、肥胖相关代谢综合征以及胰岛β细胞功能障碍等，仍需要进一步研究验证。

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【摘 要】

背景（Background）

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一种患病率和死亡率不断升高的常见代谢性疾病。目前已有治疗药物仍受到多种因素限制，包括不良反应以及无法逆转潜在代谢功能衰退等问题。款冬花（Tussilago farfara L.）作为一种传统用于糖尿病治疗的中药，含有丰富的倍半萜类化合物GDD，其具有潜在的抗糖尿病活性。

方法（Methods）

本研究通过在C2C12肌管细胞以及高脂饮食（high-fat diet，HFD）诱导的小鼠模型中检测2-NBDG葡萄糖摄取能力，评价GDD对胰岛素敏感性的影响。

同时，通过：

• Mito-Tracker染色；

• ATP含量检测；

• 线粒体膜电位分析；

• 线粒体ROS检测；

评价GDD对线粒体含量和功能的调控作用。

此外，研究采用：

• 脂质质谱分析（Lip-MS）；

• 细胞热稳定性分析（CETSA）；

• 药物亲和反应靶标稳定性分析（DARTS）；

• 表面等离子共振技术（SPR）；

• 分子对接；

• 分子动力学模拟；

用于鉴定并验证GDD的直接作用靶点。

结果（Results）

研究发现，GDD能够剂量依赖性增强C2C12肌管细胞中胰岛素刺激诱导的葡萄糖摄取能力。

该作用主要通过促进线粒体生成和改善线粒体功能实现，包括促进脂毒性中间产物清除以及恢复线粒体稳态。

研究进一步发现，LKB1-AMPK信号通路参与GDD发挥胰岛素增敏作用。在AMPKα1基因沉默实验中，GDD改善胰岛素敏感性和线粒体功能的作用明显减弱。

更重要的是，本研究发现GDD能够直接结合APPL1蛋白的PTB结构域，抑制APPL1泛素化降解，并稳定促进APPL1与LKB1之间的相互作用，从而激活AMPK相关以及非AMPK相关的胰岛素信号通路。

在APPL1敲低细胞中，GDD促进葡萄糖摄取的作用完全消失，进一步证明APPL1是GDD发挥作用所必需的关键靶点。

在高脂饮食诱导的小鼠模型中，GDD能够改善胰岛素抵抗，减少脂肪增加，缓解高脂血症和肝脏脂肪变性，并恢复骨骼肌线粒体功能，同时对肝脏、脂肪组织、胰腺以及肾脏具有保护作用。

结论（Conclusion）

本研究首次发现GDD是一种能够直接激活APPL1的小分子化合物。

GDD通过调控APPL1-LKB1-AMPK信号轴，重新建立线粒体稳态并恢复胰岛素信号传导，为靶向APPL1治疗代谢疾病提供了概念验证。

该研究提示，药理性激活APPL1可能成为一种新的抗糖尿病治疗策略，同时GDD也具有进一步开发为治疗胰岛素抵抗相关疾病候选药物的潜力。

01

研究背景及科学问题

（一）研究背景

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一种以胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）和胰岛β细胞功能障碍为主要特征的慢性代谢性疾病，近年来患病人数持续增加，已成为全球重要的公共卫生问题。目前，临床常用降糖药物（如二甲双胍、GLP-1受体激动剂以及SGLT2抑制剂等）能够有效控制血糖水平，但仍存在胃肠道不良反应、低血糖风险以及难以逆转机体代谢功能下降等问题。因此，开发能够从根本上改善代谢稳态、恢复胰岛素敏感性的新型治疗策略具有重要意义。

近年来研究发现，线粒体功能障碍是胰岛素抵抗发生发展的重要机制之一。骨骼肌是机体最大的葡萄糖利用组织，承担大部分胰岛素刺激后的葡萄糖摄取过程。在肥胖和T2DM状态下，长期游离脂肪酸（free fatty acids，FFAs）过量暴露会导致骨骼肌线粒体损伤，包括线粒体数量减少、氧化磷酸化能力下降以及线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species，mtROS）增加。进一步产生的脂毒性代谢产物，如二酰基甘油（DAG）和神经酰胺，会抑制胰岛素信号传导，形成“脂毒性积累—线粒体损伤—胰岛素抵抗”的恶性循环。

因此，恢复线粒体稳态、改善能量代谢功能成为治疗胰岛素抵抗的重要方向。

脂联素（adiponectin）信号通路是调节葡萄糖和脂质代谢的重要保护性通路。其中，适配蛋白APPL1（adaptor protein containing PH, PTB and leucine zipper domains 1）是脂联素受体下游的重要信号调控因子，能够促进胰岛素信号转导，并参与LKB1-AMPK通路激活，在维持线粒体功能、促进脂肪酸氧化以及改善胰岛素敏感性过程中发挥关键作用。

然而，目前针对脂联素/APPL1信号通路的药物开发仍存在明显不足。天然脂联素本身难以直接作为药物应用，而APPL1虽然被认为是连接脂联素信号与代谢调控的重要节点，但是否能够被小分子化合物直接调控，以及靶向APPL1是否能够改善代谢疾病，尚未得到充分研究。

传统中药来源天然产物具有结构多样性和多靶点调控特点，是发现新型代谢调节分子的潜在资源。款冬花（Tussilago farfara L.）作为传统药用植物，其中含有倍半萜类活性成分GDD。已有研究提示GDD具有潜在抗糖尿病活性，但其具体作用靶点和分子机制尚不明确。

（二）科学问题

基于上述研究背景，本研究主要围绕以下科学问题展开：

科学问题1：GDD是否能够改善胰岛素抵抗及代谢异常？

传统天然产物改善糖尿病的作用机制多集中于抗氧化、抗炎等非特异性效应，而GDD是否能够直接调节胰岛素信号、改善葡萄糖利用以及恢复线粒体功能，仍需系统验证。

科学问题2：GDD发挥代谢保护作用的直接分子靶点是什么？

目前尚不清楚：

• GDD是否存在明确的蛋白结合靶点；

• 哪些关键代谢调控蛋白参与其药理作用；

• GDD如何从分子层面影响胰岛素信号网络。

因此，需要寻找并验证GDD的直接作用靶点。

科学问题3：APPL1是否可以作为治疗胰岛素抵抗的新型药物靶点？

APPL1作为脂联素和胰岛素信号的重要连接节点，其功能异常与代谢疾病密切相关。但目前尚未明确：

• APPL1是否能够被小分子直接激活；

• 激活APPL1是否能够恢复LKB1-AMPK信号；

• APPL1激活是否足以改善线粒体功能和胰岛素敏感性。

本研究进一步关注GDD调控代谢的分子链条：

GDD是否通过结合APPL1 → 调节APPL1稳定性 → 增强APPL1-LKB1相互作用 → 激活AMPK → 恢复线粒体稳态 → 改善胰岛素抵抗？

（三）研究假设

基于以上科学问题，研究提出如下假设：

天然产物GDD能够作为一种APPL1小分子激活剂，通过稳定APPL1并增强APPL1-LKB1相互作用，激活LKB1-AMPK信号轴，促进线粒体功能恢复，从而改善胰岛素抵抗和T2DM相关代谢异常。

（四）核心研究思路

本研究围绕：

天然产物筛选 → 作用表型验证 → 靶点鉴定 → 分子机制解析 → 动物模型验证展开。

02

重要发现及亮点

1. GDD能够显著改善脂毒性诱导的胰岛素抵抗，是恢复代谢功能的关键活性成分

研究首先针对传统药用植物款冬花（Tussilago farfara L.）来源活性成分GDD的代谢调节作用进行研究。研究者采用棕榈酸（palmitic acid，PA）诱导的C2C12骨骼肌细胞胰岛素抵抗模型，评价GDD对葡萄糖代谢和脂质积累的影响。

实验结果显示，在不影响细胞活力的浓度范围内，GDD能够显著增强胰岛素刺激后的葡萄糖摄取能力。进一步检测胰岛素信号通路发现，GDD能够促进IRS-1、AKT以及GSK3β等关键蛋白的磷酸化水平，增强胰岛素信号传递效率。同时，GDD能够促进糖原合成，并显著降低PA诱导的细胞内脂质积累，包括总脂质、二酰基甘油（diacylglycerol，DAG）以及神经酰胺（ceramide）水平。

此外，通过油红O染色和脂质荧光检测进一步证实，GDD能够明显减少脂毒性条件下骨骼肌细胞脂滴形成，提示其能够有效缓解脂质异常积累导致的胰岛素信号损伤。

上述结果表明，GDD能够改善脂毒性诱导的胰岛素抵抗，通过增强胰岛素信号传导并降低脂毒性代谢物积累发挥代谢保护作用，为其进一步机制研究提供了基础。

图1：GDD改善PA诱导的骨骼肌细胞胰岛素抵抗并减少脂质积累。
（A）GDD化学结构及实验设计；（B）2-NBDG实验检测GDD对胰岛素刺激葡萄糖摄取能力的影响；（C）Western blot检测IRS-1、AKT、GSK3β等胰岛素信号相关蛋白变化；（D）PAS染色检测糖原合成水平；（E-H）Nile red染色、DAG和ceramide检测以及Oil Red O染色评价细胞脂质积累情况。

2. GDD通过恢复线粒体稳态改善骨骼肌能量代谢功能

由于线粒体功能障碍是胰岛素抵抗发生发展的重要机制，研究进一步探讨GDD是否能够调节线粒体功能。

研究发现，PA处理导致C2C12肌管细胞出现明显线粒体损伤，包括线粒体数量减少、线粒体膜电位下降、ATP生成减少以及线粒体ROS（mtROS）水平升高。而GDD干预能够显著逆转上述异常变化。

具体而言，GDD能够增加线粒体含量，改善PA诱导的线粒体结构损伤；同时提高细胞ATP水平和柠檬酸合酶（citrate synthase，CS）活性，恢复线粒体氧化代谢能力。此外，GDD能够改善线粒体膜电位（MMP），降低mtROS产生。

进一步机制分析发现，GDD能够促进线粒体生成和功能相关蛋白表达，包括PGC-1α、UCP3、Tom20以及COX2，提示GDD能够促进线粒体生物发生并维持线粒体功能稳态。

上述结果表明，GDD不仅能够改善胰岛素信号异常，还能够通过恢复线粒体质量和功能，重新建立骨骼肌细胞能量代谢平衡。

图2：GDD恢复PA诱导的线粒体功能障碍。
（A-B）Mito-Tracker染色检测线粒体含量变化；（C）透射电子显微镜观察线粒体结构；（D）ATP水平检测；（E）柠檬酸合酶活性分析；（F-G）JC-1检测线粒体膜电位；（H）MitoSOX检测mtROS水平；（I）Western blot检测PGC-1α、UCP3、Tom20和COX2等线粒体功能相关蛋白表达。

3. GDD通过激活LKB1-AMPK信号轴发挥胰岛素增敏和线粒体保护作用

AMPK作为细胞能量代谢的重要调控因子，在促进葡萄糖利用、脂肪酸氧化以及维持线粒体稳态过程中发挥核心作用。

研究发现，GDD处理能够显著增强AMPK及其下游底物ACC的磷酸化水平，提示GDD能够激活AMPK信号通路。

为了进一步验证AMPK在GDD作用中的必要性，研究者构建AMPKα1敲低细胞模型。结果显示，在AMPKα1表达降低后，GDD促进葡萄糖摄取、减少脂质积累以及改善线粒体功能的作用均明显减弱，包括ATP生成增加、膜电位恢复以及mtROS降低等效应均受到抑制。

上述结果证明，AMPK是GDD发挥代谢保护作用的重要下游分子，GDD通过激活LKB1-AMPK信号轴促进能量代谢重编程，从而改善胰岛素抵抗。

图3：GDD通过AMPK信号通路改善胰岛素抵抗。
（A）Western blot检测AMPK和ACC磷酸化水平；（B）AMPKα1敲低效率验证；（C-H）检测AMPKα1缺失后GDD对葡萄糖摄取、脂质积累、线粒体含量、ATP、膜电位及mtROS水平的影响；（I）检测AMPK缺失对线粒体相关蛋白表达的影响。

4. APPL1是GDD发挥代谢保护作用的直接靶点，GDD通过稳定APPL1激活LKB1-AMPK通路

为了明确GDD发挥作用的直接分子机制，研究团队进一步利用蛋白组学和靶点验证技术筛选GDD结合蛋白。

通过Lip-MS分析，研究者获得GDD处理后差异表达蛋白，并结合T2DM相关蛋白数据库进行筛选，最终确定APPL1作为候选关键靶点。

随后，通过CETSA、DARTS以及SPR实验进一步验证发现：

• GDD能够提高APPL1蛋白热稳定性；

• GDD能够减少APPL1蛋白酶降解；

• GDD与APPL1存在直接结合关系。

进一步研究发现，GDD能够抑制PA诱导的APPL1泛素化降解，提高APPL1蛋白稳定性，并促进APPL1与LKB1结合，从而增强LKB1-AMPK信号激活。

此外，在APPL1敲低细胞中，GDD促进葡萄糖摄取、减少脂质积累以及改善线粒体功能的作用明显消失，证明APPL1是GDD发挥作用不可缺少的关键靶点。

上述结果表明，GDD并非通过非特异性代谢调节发挥作用，而是通过直接靶向APPL1，调控LKB1-AMPK信号轴，实现精准代谢调控。

图4：APPL1作为GDD直接作用靶点调控代谢功能。
（A）Lip-MS筛选GDD潜在作用蛋白；（B-C）候选靶点筛选分析；（D）APPL1敲低验证GDD作用依赖性；（E-F）CETSA和DARTS验证GDD与APPL1结合；（G-H）SPR检测GDD与APPL1直接结合；（I-K）检测GDD对APPL1表达、APPL1-LKB1结合及泛素化水平的影响。

5. GDD改善高脂饮食诱导的小鼠胰岛素抵抗和代谢异常

为了进一步验证GDD的体内作用，研究建立高脂饮食（high-fat diet，HFD）诱导的小鼠胰岛素抵抗模型，并进行长期GDD干预。

结果显示，与HFD模型组相比，GDD处理能够：

• 降低高脂饮食导致的体重增加；

• 降低空腹血糖水平；

• 改善糖耐量（GTT）和胰岛素耐量（ITT）；

• 降低HOMA-IR指数；

• 改善血脂异常；

• 减轻肝脏脂肪变性。

同时，GDD能够恢复骨骼肌线粒体功能，表现出组织保护作用。

上述结果表明，GDD能够在整体水平改善胰岛素抵抗及相关代谢紊乱，验证了APPL1靶向激活策略在治疗代谢疾病中的潜在应用价值。

图5：GDD改善HFD诱导的胰岛素抵抗和代谢异常。
（A）动物实验设计；（B）体重变化；（C）血糖水平；（D-E）GTT和ITT实验；（F-G）HOMA-IR分析；（H）血脂指标检测；（I）组织学分析评价GDD对代谢组织的保护作用。

✍研究亮点总结

本研究具有以下几个主要创新：

（1）发现首个APPL1小分子激活剂GDD。
首次证明APPL1可以作为天然产物直接调控的代谢治疗靶点。

（2）揭示“GDD-APPL1-LKB1-AMPK”全新代谢调控轴。
建立了天然产物精准调控胰岛素敏感性的分子机制。

（3）提出恢复线粒体稳态治疗胰岛素抵抗的新策略。
证明通过靶向线粒体功能重塑，可以改善T2DM核心病理过程。

（4）为中药活性成分现代化研究提供新模式。
从传统药用植物中发现可直接作用于关键蛋白靶点的小分子，为代谢疾病药物开发提供新的研究方向。

【贡献】★★★★★

本研究首次揭示了PANoptosis在吡咯里西啶生物碱诱导肝毒性中的重要作用，为阐明药物性肝损伤的病理机制提供了新的研究视角。 研究通过体内外实验发现，千里光碱（SEN）诱导的肝损伤伴随ZBP1相关PANoptosome复合物形成及焦亡、凋亡和程序性坏死相关信号的协同激活。值得注意的是，SEN单独刺激无法在离体原代肝细胞中诱导完整的PANoptosis，而TNF-α与IFN-γ联合刺激能够有效激活这一过程，提示肝脏炎症微环境是促进PANoptosis发生的重要因素。这一发现进一步深化了对毒物直接损伤与炎症介导的继发性细胞死亡之间关系的认识。

本研究从现代分子生物学角度为传统中药“配伍减毒”理论提供了新的实验依据。 研究通过系统筛选66种候选天然化合物，发现连翘苷A（Forsythiaside A，FTA）具有显著的肝保护活性，并进一步证明其能够减轻SEN诱导的氧化应激和炎症反应，抑制ZBP1–RIPK3–Caspase-8相关复合物形成及PANoptosis信号激活，从而缓解肝细胞损伤。这一发现不仅拓展了FTA的药理作用机制，也为理解千里光与连翘配伍使用的潜在减毒机制提供了科学依据。

此外，本研究提出了通过调控“炎症微环境–PANoptosome–PANoptosis”信号轴干预PA相关肝损伤的新思路。 研究表明，抑制炎症反应及其介导的程序性细胞死亡可能成为缓解PA诱导肝毒性的潜在策略，为天然活性成分的肝保护作用研究及药物性肝损伤干预提供了新的方向。不过，FTA的直接分子靶点、PANoptosome激活的上游调控机制及其临床应用潜力仍需进一步研究。

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