持续性地限制机体所摄入总热量的饮食方式，即卡路里限制，已经被证明可以有效提高生物体的健康、延年益寿，然而，这其中的分子机制却并未完全弄清。近日，林圣彩院士团队发现，生物体在卡路里限制的过程中，会通过改变机体的碳源利用的方式，达到延年益寿的效果，该文章于2024年9月20日发表在Cell Research期刊：AMPK-PDZD8-GLS1 axis mediates calorie restriction-induced lifespan extension。
该文章是在作者们先前发现的在饥饿条件下，碳源利用转换的机制的基础上进行的进一步拓展。在先前的工作中，他们发现饥饿时，葡萄糖水平的下降导致机体内维持代谢稳态的关键蛋白AMPK被激活，后者能够引起机体对碳源利用的选择性的改变。特别地，AMPK的激活促进了机体由代谢葡萄糖应激性地转变为代谢谷氨酰胺作为替代碳源，且这一过程是通过AMPK的新底物PDZD8来进行的：AMPK通过磷酸化PDZD8的T527位点，促进了后者与谷氨酰胺氧化的限速酶谷氨酰胺酶（GLS1）的相互作用，进一步激活了谷氨酰胺酶（GLS1）（图1），该成果已于2024年6月19日发表于Cell Research期刊（https://doi.org/10.1038/s41422-024-00985-6）。有意思的是，和我们一般认知中的“碳源”不同，AMPK-PDZD8-GLS1轴所动员的谷氨酰胺并不是用来维持缺糖状态下的机体能量水平的——缺失了PDZD8的细胞和小鼠肌肉中，并未观察到能量水平的下降，这说明了上述谷氨酰胺的这种应激性的利用另有其生理意义。
图1 葡萄糖水平下降通过AMPK-PDZD8-GLS1通路促进谷氨酰胺代谢
在本研究中，作者们正式揭示了AMPK-PDZD8-GLS1轴的生理功能。他们以卡路里限制为条件——它被发现能够激活AMPK，并通过AMPK行使延缓衰老的功能，又以秀丽隐杆线虫和小鼠为模式动物，观察到了卡路里限制所引起的延缓衰老以及寿命增长也依赖于AMPK-PDZD8-GLS1通路：在线虫中阻断AMPK-PDZD8-GLS1轴，包括敲除PDZD8（pdzd-8）、引入了不能被AMPK磷酸化的PDZD8的突变体（PDZD8-T527A）、敲除GLS1（glna）以及引入不能和PDZD8相互作用的GLS1突变体（KGA-33A），都不再能观察到卡路里限制延长线虫寿命的现象（图2）。类似地，在PDZD8肌肉特异性敲除的老年小鼠中回补突变型的PDZD8-T527A，也不能观察到卡路里限制引起的小鼠肌肉年轻化表型（即提升氧化型肌纤维的比例，从而提升肌肉耐力；图3）。
图2 卡路里限制延长线虫寿命依赖于AMPK-PDZD8-GLS1轴
图3 卡路里限制提升老年小鼠的氧化型肌纤维（MHCI和MHCIIa）的比例依赖于AMPK和PDZD8
作者们还初步探究了其中的机制。他们发现，卡路里限制所引起的谷氨酰胺代谢增强引起了线粒体ROS的短暂升高（图4），该ROS升高的程度较低——只有1-2倍，远低于能引起细胞毒性的ROS水平，因此并未造成细胞和线虫的死亡。然而，由于ROS的上升，引发了机体内的抗氧化基因的表达（图5），从而使得机体对老年时所遇到的氧化应激压力的加强有了更好的抵抗性。该作用先前已被Michael Ristow等人发现，被定义为“mitohormesis”，并发现AMPK具有介导mitohormesis的功能，本研究于是进一步地给线粒体应激反而能延长寿命的这种低毒且有益的现象提供了很有说服力的例子。
图4 卡路里限制通过AMPK-PDZD8引起线粒体ROS的短暂上升
图5 卡路里限制通过AMPK-PDZD8提升抗氧化基因的表达水平
综上，该研究揭示了由AMPK-PDZD8-GLS1轴促进的应激性的谷氨酰胺利用的生物学功能，为卡路里限制延长生物体寿命的机制提供了新的信号通路以及分子靶点。
图文/林圣彩院士课题组
编辑/林妍
校对/何燕青
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