Nature(IF=50.5)丨厦门大学林圣彩院士团队发现石胆酸可模拟卡路里限制的效果

文摘   2025-01-05 08:01   广东  

长寿,对人类来说是一个永恒的话题。之前的研究发现,持续限制能量摄入,使其低于维持体重所需的能量,也就是卡路里限制(CR),可以进一步延长寿命。在小鼠、酵母、线虫和灵长类动物的研究中,人们都观察到卡路里限制对寿命和健康的益处。为此,许多“抗衰老饮食”模式被开发出来,比如间歇性禁食和模拟禁食等。


然而,在实际生活中,人们很难坚持卡路里限制。而且,摄入较少的能量会增加营养不良的风险,也会影响肌肉和骨骼组织,特别是对老年人而言。因此,科学家们一直在探索卡路里限制延长寿命的分子机制,试图通过科学手段模拟卡路里限制,无需饥饿便能有提高健康水平的效果。在限制期间,生物体会发生一系列代谢变化,包括游离脂肪酸、胆固醇、维生素和胆汁酸等的改变,但目前仍不清楚哪些代谢产物的变化带来了生理益处。


近日,厦门大学林圣彩院士团队利用代谢组学分析了卡路里限制期间丰度发生变化的代谢物,并开展了后续的功能验证。通过对小鼠、线虫和果蝇的分析,他们发现石胆酸能够模拟卡路里限制的影响,具有延缓衰老和延长寿命的作用。这项研究成果于12月18日发表在《Nature》杂志上。


图片来源:Nature

(https://doi.org/10.1038/s41586-024-08329-5


研究材料与方法

在这项研究中,研究人员利用高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)、气相色谱-质谱(GC-MS)以及毛细管电泳-质谱(CE-MS)等技术来分析卡路里限制后代谢产物的变化。他们在小鼠实验中使用了肌肉特异性的AMPK基因敲除(AMPKα-MKO)小鼠以及Tgr5基因敲除小鼠(由赛业生物提供),并分别敲除和敲降了线虫和果蝇中的AMPK。他们通过测定肌肉相关标志物的水平来评估小鼠的肌肉功能,并测定小鼠的运动能力和抓握力。他们还测定了线虫和果蝇的自然寿命和健康寿命。


技术路线

01

利用代谢组学分析卡路里限制小鼠的血清样本,筛选可激活AMPK的化合物

02

在筛选出石胆酸后,测定石胆酸是否可激活小鼠体内的AMPK

03

通过对小鼠肌肉、运动能力和抓握力的分析,评估石胆酸对衰老表型的影响

04

在线虫和果蝇模型上开展分析,评估石胆酸是否能延长寿命


研究结果

1

血清中的代谢物可激活AMPK

研究人员推断,卡路里限制后发生变化的血清代谢物也许能够诱导有益作用。在接受卡路里限制4个月后,小鼠血清(CR血清)足以激活小鼠胚胎成纤维细胞、HKE293T细胞及原代肝细胞和肌细胞中的AMP活化蛋白激酶(AMPK)。AMPK被认为是关键分子,介导卡路里限制的有益作用。给自由饮食的小鼠灌注CR血清后,可导致肝脏和肌肉中的AMPK激活,而且CR血清在56 °C加热后仍能激活培养细胞中的AMPK,但透析后无法激活。这些结果表明,CR血清中存在热稳定的低分子量代谢物,可以激活AMPK。


2

石胆酸可激活小鼠体内的AMPK

接下来,研究人员对CR处理小鼠和非CR处理小鼠的血清样本进行了一系列代谢组学分析。他们采用多种质谱分析方法(包括HPLC-MS、GC-MS和CE-MS)来解析小的极性代谢物和非极性脂类。他们发现,与对照血清相比,CR血清中超过一半的代谢物(695种,包括341种极性代谢物和354种脂类)发生了变化。利用亲脂性Lipidex柱吸收CR血清中的非极性化合物和脂类后,洗脱出的馏分仍然能够激活MEF中的AMPK,表明非极性化合物和脂类可能没有参与AMPK的激活。


于是,他们重点研究了卡路里限制后发生变化的341种极性代谢物,其中有212种代谢物水平升高,129种水平降低。经过初步筛选,他们发现有6种水平升高的代谢物能够激活AMPK,而水平降低的代谢物均未显示出对AMPK的抑制作用。利用MEF、HEK293T等细胞测试时,石胆酸(LCA)是唯一一种在浓度为1 μM(与卡路里限制后血清中测得的浓度相似)时能激活AMPK的化合物(图1)。在卡路里限制4个月后,小鼠血清中的石胆酸浓度均为1.1 μM,并且在喂食前后保持不变。


之后,研究人员测定了石胆酸是否可以激活小鼠体内的AMPK。他们发现,在饮用水中添加1 g/L的石胆酸会导致老龄小鼠(1.5岁)血清中积累1.1 μM的石胆酸,与卡路里限制小鼠血清中测得的浓度相似(图1)。利用溶解在饮用水中的石胆酸处理小鼠后,其骨骼肌中的AMPK激活水平与卡路里限制期间的水平相似。此外,石胆酸处理也会导致Tgr5基因敲除小鼠(由赛业生物提供)中的AMPK激活,表明它并非通过TGR5来激活AMPK。这些结果表明石胆酸足以介导AMPK激活,与CR血清类似。


图1 石胆酸在卡路里限制后增加,并负责AMPK的激活[1]


3

石胆酸可改善老龄小鼠的肌肉功能

在后续分析中,研究人员确定了石胆酸对衰老相关表型的影响。喂食石胆酸一个月后,老龄雌性和雄性小鼠肌肉各方面的功能都得到了改善,其程度与卡路里限制期间观察到的相似。具体来说,小鼠的氧化肌纤维数量增加,糖酵解纤维数量减少,肌肉萎缩减少。同时,石胆酸处理还提高了老龄小鼠肌肉组织中的NAD+水平和线粒体含量,而且老龄小鼠的运动能力(跑步距离和时间)和抓握力也明显增加(图2)。将小鼠肌肉中的AMPKα敲除后,石胆酸改善肌肉功能的效果被抑制。


图2 石胆酸可恢复小鼠的肌肉功能[1]


4

石胆酸可延长线虫和果蝇的寿命

最后,他们测试了石胆酸是否能延长寿命。他们选择线虫和果蝇作为模型,因为卡路里限制可以诱导其寿命延长,并且需要AMPK。利用石胆酸处理后,线虫(雌雄同体)的平均寿命从22天延长到27天。雄性果蝇的寿命从47天延长到52天,雌性果蝇的寿命从52天延长到56天(图3)。石胆酸还能提高线虫和果蝇的抗氧化应激能力,并改善果蝇对极端条件的耐受能力。敲除或敲降线虫和果蝇中的AMPK可减弱石胆酸的抗衰老作用,这表明AMPK是石胆酸发挥作用所必需的。这些结果表明,石胆酸处理足以模拟卡路里限制对线虫、果蝇和小鼠的抗衰老作用。


图3 石胆酸可延长线虫和果蝇的寿命[1]


研究结论

这项研究提供了多项证据来证明石胆酸可作为卡路里限制的模拟物。它再现了卡路里限制的效果,包括在小鼠体内激活AMPK,并在线虫和果蝇中产生了延长寿命和增进健康的作用。在这三种动物模型中,AMPK的敲除都能消除石胆酸诱导的表型。总之,这些结果表明单独使用石胆酸能够以AMPK依赖性方式带来抗衰老的益处。


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参考文献:

[1]Qu, Q., Chen, Y., Wang, Y. et al. Lithocholic acid phenocopies anti-ageing effects of calorie restriction. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08329-5



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