IF=50.5丨Nature+1,厦门大学林圣彩院士团队深入剖析石胆酸模拟卡路里限制的分子机制

文摘   2025-01-07 17:02   广东  

卡路里限制(CR),也就是俗话说的少吃点,可延长线虫、果蝇和灵长类动物的寿命。这一饮食干预措施可诱导一系列分子、细胞和生理变化,以维持线粒体的质量和数量,减少氧化损伤并抑制炎症,而这些都是衰老动物体内常见的失调现象。因此,卡路里限制有助于减缓与年龄相关的代谢紊乱和疾病,包括中心性肥胖、胰岛素抵抗和肌肉退化等。


厦门大学林圣彩院士领导的团队近日发现,哺乳动物在卡路里限制的过程中会积累石胆酸(LCA),这种代谢物可激活小鼠、线虫和果蝇体内的AMPK,让老龄小鼠的肌肉恢复活力,并延长这些动物的寿命。然而,石胆酸如何激活AMPK并诱导这些生物作用,具体分子机制仍不清楚。


林圣彩院士团队在进一步探索后找到了石胆酸的分子靶点——TULP3。他们发现石胆酸能够通过TULP3激活sirtuin-v-ATPase信号轴,激活关键蛋白AMPK,进而延缓衰老并延长寿命。这项研究成果作为前一项成果的延伸,发表在同期《Nature》杂志上。


图片来源:Nature

(https://doi.org/10.1038/s41586-024-08348-2


研究材料与方法

在这项研究中,研究人员构建了多种条件性基因敲除小鼠,包括肌肉和肝脏特异性的LAMTOR1基因敲除小鼠和AXIN基因敲除小鼠。在构建肌肉特异性的Tulp3基因敲除小鼠时,TULP3F/F小鼠由赛业生物提供。在分析石胆酸的结合蛋白时,他们对pull down的蛋白质开展了质谱分析,并在后续进行了分子对接模拟实验。他们利用基于HPLC–MS的方法测定了sirtuin的去乙酰化酶活性,并利用FITC–dextran的荧光淬灭来测定v-ATPase的活性。


技术路线

01

在排除传统的激活途径后,确定石胆酸通过溶酶体途径激活AMPK

02

通过乙酰化修饰位点的突变分析,确定石胆酸通过去乙酰化作用抑制v-ATPase

03

进一步分析显示石胆酸与TULP3结合,后者激活sirtuin去乙酰化酶

04

在小鼠、线虫和果蝇模型中,TULP3–sirtuin–v-ATPase通路的激活再现了卡路里限制的益处


研究结果

1

石胆酸通过溶酶体途径激活AMPK

研究人员探索了石胆酸通过何种通路激活AMPK。他们观察到,石胆酸激活AMPK不会引起AMP、ADP或钙离子水平的增加,因此排除了传统的激活途径。接着他们测试了石胆酸是否可通过溶酶体途径激活AMPK。他们发现,石胆酸可诱导小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)中的AXIN-LKB1转位至溶酶体,并促进AXIN-LKB1与v-ATPase–Ragulator之间复合物的形成。石胆酸还抑制了MEF中的v-ATPase。敲除Axin1或Lamtor1(编码Ragulator的一个亚基)会阻断石胆酸诱导的AMPK激活。这些结果表明,石胆酸通过溶酶体途径抑制v-ATPase以激活AMPK。


2

石胆酸通过去乙酰化作用抑制v-ATPase

接下来,他们探讨了石胆酸如何抑制v-ATPase。他们发现,在卡路里限制小鼠中,葡萄糖和果糖-1,6-二磷酸(FBP)的降幅有限,并不是触发AMPK激活的主要因素。此外,在表达醛缩酶A突变体的MEF中,石胆酸仍能激活AMPK,表明石胆酸是通过溶酶体AMPK激活途径中醛缩酶下游的另一个入口激活AMPK的。


于是,研究人员想了解v-ATPase的翻译后修饰是否可作为石胆酸介导AMPK激活的起始点。去乙酰化酶抑制剂的加入阻止了石胆酸介导的AMPK激活,表明去乙酰化可能是石胆酸的作用机制之一。他们使用蛋白质修饰质谱分析了v-ATPase 21个亚基中所有乙酰化修饰位点,并分别将这些位点突变为精氨酸进行筛选,发现V1E1亚基上K52、K99和K191的三重突变(V1E1(3KR))会导致AMPK激活增加,与石胆酸处理所诱导的程度相当(图1)。他们还发现,在喂食石胆酸后,MEF、小鼠肌肉和肝脏中的K99被去乙酰化。这些数据显示,石胆酸对V1E1的去乙酰化作用激活了AMPK。


图1 石胆酸通过v-ATPase的去乙酰化激活AMPK[1]


3

TULP3与石胆酸结合并激活sirtuin

在后续分析中,他们探讨了石胆酸如何导致V1E1去乙酰化。在HEK293T细胞中表达SIRT(sirtuin)去乙酰化酶家族中的任何成员都能导致V1E1的去乙酰化,但组蛋白去乙酰化酶家族(HDAC)却不能,表明参与V1E1去乙酰化的是sirtuin而不是HDAC。然而,敲除sirtuin单个成员并不能阻断V1E1去乙酰化,表明sirtuin对AMPK的调控是冗余的。于是,他们将MEF中编码SIRT1–SIRT7的基因全部敲除,发现石胆酸诱导的V1E1去乙酰化、v-ATPase抑制和AMPK激活被阻断(图2)。在Sirt1–7-/- MEF中重新引入单个sirtuin可部分恢复石胆酸对AMPK的激活,其中SIRT1作用最强。


图2 Sirtuin是v-ATPase去乙酰化所必需的[1]


那么,石胆酸如何激活sirtuin呢?研究人员首先利用无细胞系统测试了石胆酸是否能直接激活sirtuin,答案是不行。不过,在SIRT1与MEF细胞裂解液预先孵育后,石胆酸增强了SIRT1的活性。于是,他们推测石胆酸通过细胞裂解液中的未知伙伴激活sirtuin。


为了找到这个未知伙伴,研究人员对与细胞裂解液孵育后的SIRT1进行pull down,并开展质谱分析,鉴定出1655个潜在的SIRT1结合蛋白。他们在单独设计表达质粒后发现157个蛋白能够与SIRT1免疫共沉淀。利用shRNA敲降这些蛋白后,他们发现Tulp3的敲降使得细胞对石胆酸处理不敏感。


敲除Tulp3的MEF证实,石胆酸诱导的AMPK和sirtuin激活需要TULP3(图3)。分子对接模拟实验表明,TULP3的四个残基(Y193、P195、K333和P336)构成了石胆酸的潜在结合口袋。将这些残基突变为甘氨酸(TULP3(4G))会阻断石胆酸介导的sirtuin和AMPK激活。后续的结构域映射分析表明,含有1-60个氨基酸的TULP3(1–60)区域足以与SIRT1结合。这些结果共同表明,石胆酸可与TULP3结合并激活SIRT1。


图3 TULP3是石胆酸的结合蛋白[1]


4

TULP3–sirtuin–v-ATPase通路的激活再现了卡路里限制的益处

最后,研究人员利用动物模型探究了TULP3–sirtuin–v-ATPase轴是否介导了石胆酸的抗衰老作用。他们发现,V1E1(3KR)(V1E1亚基的去乙酰化版本)在肌肉中的特异性表达可导致AMPK激活,并改善老龄小鼠的肌肉功能。V1E1(3KR)还提高了小鼠肌肉的NAD+水平,并改善了小鼠的运动能力和抓握力。肌肉特异性的Ampk敲除削弱了V1E1(3KR)表达带来的所有益处。相比之下,在肌肉特异性敲除Tulp3的小鼠(其中TULP3F/F小鼠由赛业生物提供)体内重新引入TULP3(4G),则会阻断卡路里限制介导的肌肉活力恢复。


以线虫和果蝇作为模型,研究人员还测试了石胆酸对寿命的调节是否依赖TULP3和sirtuin。他们发现,在野生型线虫中敲除tub-1(TULP3同源物)会影响石胆酸对AMPK的激活,并减弱石胆酸对寿命延长的效果。在果蝇中敲除ktub(TULP3同源物)也产生了类似的表型。同时,敲除线虫和果蝇中的sirtuin也会影响石胆酸诱导的AMP激活和寿命延长。表达哺乳动物V1E1(3KR)的线虫和果蝇表现出AMPK激活和寿命延长。这些结果表明,TULP3-sirtuin-v-ATPase轴将石胆酸的信号传递给AMPK激活,最终在小鼠、线虫和果蝇中再现了卡路里限制的益处。


研究结论

这项研究通过一系列实验表明,TULP3是石胆酸的受体。与石胆酸结合后,TULP3激活sirtuin,后者通过去乙酰化抑制v-ATPase,进而传递石胆酸信号,激活溶酶体AMPK途径,进一步提高NAD+水平。这一级联反应在多种动物身上产生了抗衰老作用。


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参考文献:

[1]Qu, Q., Chen, Y., Wang, Y. et al. Lithocholic acid binds TULP3 to activate sirtuins and AMPK to slow down ageing. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08348-2



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