衰老不仅是一个不可避免的生理过程,更与多种年龄相关疾病如心血管疾病、神经退行性疾病和代谢紊乱密切相关。如何延缓衰老、提升健康寿命(healthspan)一直是科学界的核心议题。近年来的研究表明,热量限制(Caloric Restriction, CR)作为一种非药物干预手段,不仅能有效延缓衰老,还能够改善多种物种的健康状况。然而,CR的分子机制却一直未被完全揭示,尤其是在细胞代谢和能量调控的层面,其核心调控因子如何响应这一干预仍存在许多未解之谜。AMPK(AMP-活化蛋白激酶)作为能量代谢的关键调控者,一直被认为是CR带来抗衰老效益的重要介质。在热量限制条件下,AMPK的激活能够调节细胞能量平衡,提升线粒体功能并抑制炎症反应。然而,令人好奇的是,一种称为石胆酸(Lithocholic Acid, LCA)的胆汁酸代谢产物被发现能够模拟CR的抗衰老效应。这一发现不仅为代谢调控与衰老的研究打开了新的视野,更让研究者们开始探究LCA与AMPK之间的分子联系。12月18日Nature的研究报道“Lithocholic acid binds TULP3 to activate sirtuins and AMPK to slow down ageing”,聚焦于LCA通过溶酶体信号通路(lysosomal signaling pathway)激活AMPK的机制。通过一系列生化、分子和动物实验,研究人员发现,LCA能够增强去乙酰化酶Sirtuins的活性,从而去乙酰化并抑制溶酶体质子泵v-ATPase的关键亚基V1E1。这一过程通过调控溶酶体葡萄糖感应通路,最终实现AMPK的激活,并带来与CR相似的抗衰老效益。这项研究不仅揭示了LCA在代谢和衰老调控中的重要作用,还为开发靶向AMPK的抗衰老策略提供了全新的分子靶点和理论依据。衰老是生命进程中的自然现象,但却伴随着多种代谢性疾病和生理功能的衰退。如何延缓这一过程并提升生命质量,成为科学界的重要研究方向。在众多抗衰老策略中,热量限制(Caloric Restriction, CR)因其广泛的跨物种适用性和显著的抗衰老效应,备受瞩目。从线虫到果蝇,再到哺乳动物的研究表明,长期减少热量摄入能够有效延缓衰老,并改善机体的健康状况。CR的奥秘究竟何在?答案的核心,指向了细胞代谢的“能量调控器”——AMPK(AMP-活化蛋白激酶)。AMPK是细胞内的“能量卫士”,在能量不足(如低葡萄糖水平)时被激活,帮助细胞恢复能量平衡。它通过抑制能量消耗途径(如脂肪生成)并增强能量生成途径(如脂肪酸氧化和线粒体功能),在细胞代谢调控中扮演关键角色。在衰老过程中,AMPK的活性逐渐下降,导致细胞代谢紊乱、氧化应激和炎症的增加,而CR通过增强AMPK的活性,能够逆转这些衰老相关的变化。研究发现,CR通过多种机制激活AMPK。其中,溶酶体这一细胞器在这一过程中发挥了独特作用。溶酶体作为能量传感的“中枢站”,在葡萄糖水平下降时启动AMPK信号通路,从而调控细胞的代谢状态。AMPK的激活不仅促进线粒体数量和质量的提升,还能够减少炎症和氧化损伤,这是CR抗衰老效益的核心。此外,AMPK的作用不仅局限于代谢调控,它还通过与下游因子的协同作用参与调节细胞自噬、基因表达和蛋白质稳态,这些机制共同为延缓衰老提供支持。可以说,AMPK如同为细胞装上了一套智能“刹车系统”,在热量减少的情况下精准调控细胞代谢,帮助机体延缓衰老。当我们谈论胆汁酸时,许多人会将其与脂肪代谢联系在一起。然而,研究人员最近发现,一种名为石胆酸(Lithocholic Acid, LCA)的胆汁酸代谢产物,不仅仅是消化系统的副产品,它还是一种“分子钥匙”,能够解锁抗衰老的新机制。LCA作为一种热量限制(CR)的模拟因子,可以在不改变饮食摄入的情况下诱导类似CR的抗衰老效应,这一发现为衰老和长寿研究带来了新的曙光。研究显示,LCA在热量限制的条件下会在哺乳动物体内积累,其水平的升高与CR的抗衰老效应密切相关。那么,LCA是如何发挥作用的呢?研究人员发现,LCA可以通过溶酶体信号通路(lysosomal signaling pathway)直接激活AMPK(AMP-活化蛋白激酶),从而模拟CR带来的代谢和抗衰老效益。这种机制的独特之处在于,LCA并非通过改变细胞内AMP/ATP或ADP/ATP的比值,而是通过溶酶体的葡萄糖感应系统来触发AMPK的活化。更令人惊叹的是,LCA的这种效应已经在多种模式生物中得到验证。在线虫、果蝇和老鼠的实验中,LCA能够延长它们的寿命,同时改善健康寿命(healthspan)。比如,在肌肉特异性表达LCA效应通路的老鼠中,其肌肉功能得到了显著改善,线粒体质量提高,能量代谢得到优化。此外,研究还发现,LCA不仅仅是CR效应的简单模拟,其抗衰老益处甚至能在某些情况下超越CR。通过这些发现,LCA被认为是一种强大的抗衰老分子,可以直接作用于细胞的代谢调控网络。石胆酸(LCA)通过v-ATPase的去乙酰化激活AMPK(Credit: Nature)
研究通过使用表达HA标记的V1E1野生型或突变型(如3KR突变,模拟去乙酰化状态)的MEF细胞,评估了AMPK的激活水平。免疫印迹实验表明,去乙酰化状态的V1E1(3KR突变)显著增强了AMPK的激活,而其他突变体(如乙酰化状态的突变)无法产生类似效果。这表明V1E1去乙酰化是LCA诱导AMPK激活的关键。通过Lysosensor荧光染料检测溶酶体酸化水平,研究发现,与野生型V1E1相比,3KR突变体显著抑制了v-ATPase的活性。这表明去乙酰化的V1E1可以抑制v-ATPase功能,从而触发下游信号。免疫荧光实验显示,V1E1去乙酰化能够促进AXIN蛋白在溶酶体的共定位。这种定位变化是溶酶体信号通路激活的重要步骤,与AMPK的激活直接相关。比较了模拟恒定乙酰化状态的V1E1突变体(3KQ)和去乙酰化状态突变体(3KR)在LCA处理下对AMPK激活的影响。结果显示,3KR突变显著激活AMPK,而3KQ突变几乎完全阻断了AMPK的激活,这进一步证实了V1E1去乙酰化在LCA信号中的核心作用。热量限制和LCA对V1E1去乙酰化的影响(e–g, i-k)在LCA处理(1 μM)和热量限制(CR)条件下,V1E1亚基(尤其是K99位点)的去乙酰化水平在MEF细胞、肌肉和肝脏中显著增加。特别是,用CR处理4个月或用LCA处理1个月的小鼠,其肌肉和肝脏中V1E1(K99)ac水平显著降低,与AMPK的激活呈负相关。在LCA处理的时间曲线实验中,V1E1(K99)的去乙酰化水平随着处理时间的延长逐渐增加,而AMPK的激活水平与之呈反向关系,AMPK在处理4小时后达到激活峰值。这表明V1E1去乙酰化与AMPK激活之间存在直接的动态关联。在细胞的代谢调控网络中,溶酶体不仅仅是“废物处理站”,它还是能量代谢的关键传感器。近年来的研究揭示,溶酶体作为感知细胞内能量状态的核心调控器,能够通过一系列复杂的信号传导路径调控能量平衡。在抗衰老的研究中,溶酶体因其独特的功能而备受关注,尤其是在石胆酸(LCA)介导的抗衰老效应中。溶酶体的关键功能之一是通过其质子泵复合物v-ATPase监测细胞内葡萄糖水平。当葡萄糖供应不足时,溶酶体通过一条特定的信号通路激活AMPK(AMP-活化蛋白激酶),从而触发细胞对能量不足的应激反应。而LCA则以一种独特的方式直接作用于这一信号通路。研究显示,LCA能够通过去乙酰化溶酶体质子泵的关键亚基V1E1,抑制v-ATPase的活性,从而激活AMPK。这一过程与热量限制(CR)带来的AMPK活化机制非常相似,但LCA无需通过减少能量摄入即可实现这种效应。实验数据表明,当LCA作用于溶酶体后,质子泵的活性显著降低,溶酶体内的酸性环境被打破。这一变化直接触发了AXIN与溶酶体标志蛋白LAMP2的共定位,并通过LKB1(一种AMPK上游激酶)实现AMPK的快速活化。通过突变体实验,研究者进一步确认了V1E1的去乙酰化对于这一过程至关重要。值得注意的是,LCA对AMPK的激活不依赖传统的AMP/ATP比值的变化,而是通过溶酶体的葡萄糖感应途径这一新颖机制实现。这些发现为溶酶体的功能提供了新的视角,不仅揭示了其作为能量感应器的重要性,还将LCA推向了抗衰老研究的前沿。在细胞的能量调控中,去乙酰化修饰就像一个“分子开关”,精准地控制着信号通路的开关与闭合。而在石胆酸(LCA)诱导的AMPK活化过程中,这一“开关”发挥了关键作用。研究发现,LCA通过促进溶酶体质子泵v-ATPase的关键亚基V1E1的去乙酰化,实现了AMPK的高效激活。这一过程的核心,正是去乙酰化修饰如何精准调控溶酶体信号通路。v-ATPase是一种位于溶酶体膜上的质子泵,其功能依赖于亚基的乙酰化状态。在未受LCA作用时,V1E1亚基的K52、K99和K191这三个关键赖氨酸位点处于乙酰化状态,这使得v-ATPase保持正常的质子运输功能。然而,LCA通过激活去乙酰化酶Sirtuins家族(尤其是SIRT1),去除了V1E1亚基上的乙酰化修饰。突变体实验进一步证明,这种去乙酰化状态(通过突变模拟为去乙酰化的3KR)会显著抑制v-ATPase的活性,导致溶酶体内的pH上升,触发下游信号通路。V1E1的去乙酰化不仅抑制了v-ATPase的质子泵功能,还直接影响了溶酶体对能量状态的感知。这种状态变化引发了AXIN与溶酶体标志物LAMP2的共定位,同时通过LKB1激酶将信号传递至AMPK,从而实现AMPK的快速活化。时间曲线实验表明,LCA处理仅1小时后,V1E1的K99去乙酰化开始显现,而AMPK的激活水平也随之上升,最终在4小时左右达到峰值。这种精准的分子调控,揭示了LCA通过V1E1去乙酰化触发溶酶体反应的核心机制。这些发现将去乙酰化修饰的作用推向了前所未有的高度。V1E1的乙酰化状态不只是结构上的“装饰”,更是调控溶酶体功能和AMPK信号通路的“开关按钮”。在细胞代谢的复杂调控网络中,Sirtuins(沉默信息调节因子)家族以其独特的去乙酰化功能,被誉为“代谢调控的指挥官”。这些去乙酰化酶能够感知细胞能量状态,通过去除蛋白质上的乙酰化修饰来调节代谢、基因表达和细胞功能。而石胆酸(LCA)正是激活这些酶的“催化剂”,通过“双剑合璧”,共同推动抗衰老的分子进程。研究发现,LCA通过结合TULP3蛋白,能够全osterically激活Sirtuins家族的酶活性。LCA处理后,Sirtuins不仅介导溶酶体质子泵v-ATPase关键亚基V1E1的去乙酰化,还对其他细胞器和代谢通路的关键蛋白产生去乙酰化效应。例如,SIRT1在细胞核外的去乙酰化活动显著增强,直接促进了AMPK信号通路的激活。这种分子级别的调控机制,不仅提升了线粒体的质量和功能,还抑制了炎症反应和氧化应激,为抗衰老效益奠定了基础。更重要的是,去乙酰化这一过程在抗衰老中的作用已经通过实验得到验证。在小鼠模型中,缺乏Sirtuins的细胞完全无法响应LCA的刺激,表现为AMPK无法激活以及抗衰老效应的缺失。而重建含有特定Sirtuins的细胞则可以部分恢复LCA的效应,尤其是SIRT1和SIRT3在这一过程中展现了最显著的功能。此外,实验显示,LCA增强了Sirtuins对多种底物(如组蛋白H3)的去乙酰化能力,这种广泛的效应进一步扩大了其对代谢调控的影响。去乙酰化的分子事件是LCA模拟热量限制效应的核心桥梁。通过抑制v-ATPase、激活AMPK和重塑细胞代谢,LCA与Sirtuins共同协同,实现了代谢通路的精确调控。这种“双剑合璧”不仅帮助机体维持能量平衡,还显著改善了健康寿命。真正的突破需要在实验室的培养皿之外验证。在石胆酸(LCA)的研究中,这一分子惊人的抗衰老潜力已在多种动物模型中得到了验证。无论是微小的线虫、翩翩起舞的果蝇,还是更复杂的哺乳动物,LCA都展现出了其延长寿命和改善健康状况的强大能力。在线虫实验中,研究人员发现,LCA处理能够显著延长其寿命,同时增强其抗氧化和抗应激能力。例如,与对照组相比,LCA处理后的线虫在面对氧化应激和饥饿时表现出更高的生存率。通过基因敲除实验进一步表明,这种抗衰老效应依赖于线虫中TULP3同源物(如tub-1)的存在,表明LCA通过类似哺乳动物的分子机制发挥作用。果蝇实验也同样令人振奋。在LCA处理的果蝇中,其寿命显著延长,同时健康寿命(healthspan)也得到了提升,包括更强的飞行能力和更长的运动时间。进一步的分子分析显示,LCA通过激活果蝇中TULP3的同源物ktub,成功触发了AMPK信号通路,并改善了线粒体功能和能量代谢。最重要的是,小鼠模型中的研究直接验证了LCA在哺乳动物中的抗衰老效益。实验显示,LCA处理能够显著改善老年小鼠的肌肉功能,包括提高肌肉力量和运动耐力。同时,这些小鼠的线粒体数量和功能得到了显著提升,肌肉内NAD+水平也显著升高。肌肉特异性敲除TULP3或AMPK的小鼠则完全丧失了这种益处,进一步确认了LCA通过TULP3-AMPK通路发挥作用。此外,V1E1亚基的去乙酰化突变体(3KR)小鼠显示出与LCA处理相似的抗衰老效应,表明LCA的分子作用靶点得到了精确验证。在人类追求延长健康寿命的旅程中,热量限制(Caloric Restriction, CR)一直被视为抗衰老的“金标准”。CR通过激活AMPK信号通路、提升线粒体功能和减少氧化应激,显著延缓衰老并改善健康。然而,其实际应用却存在挑战,例如长期热量限制对大多数人难以坚持,同时可能导致营养不足等副作用。石胆酸(LCA)的发现为这一难题提供了全新的解决方案。LCA作为一种CR的分子模拟物,能够在不改变饮食摄入的情况下激活AMPK,并产生类似CR的抗衰老效应。与CR相比,LCA的优势在于其作用更加精确,能够靶向溶酶体信号通路,同时避免CR带来的副作用。此外,LCA的机制更加清晰:通过去乙酰化溶酶体质子泵亚基V1E1,抑制v-ATPase的活性,从而触发AMPK的激活,最终改善细胞代谢功能。这种靶点明确的分子机制,为开发抗衰老药物提供了坚实基础。基于LCA的研究,未来抗衰老药物开发可以围绕AMPK与溶酶体的双靶点策略展开。一方面,AMPK作为代谢调控的核心因子,其激活能够系统性改善机体健康;另一方面,溶酶体作为细胞内的能量传感器,通过精确调控其功能,可以实现对细胞代谢的深度干预。这种“双剑合璧”的策略,将抗衰老效益推向更高水平。LCA的发现还为未来研究开启了新的方向。是否可以设计合成类似LCA的化合物,实现更强效、更特异的AMPK激活?或者通过基因和代谢调控技术,进一步放大LCA的效应?这些问题的解答,可能将推动抗衰老领域进入精准医学时代。LCA的启示在于,它让我们看到了一种通过分子干预实现健康衰老的可能性。尽管石胆酸(LCA)的研究为抗衰老领域带来了令人振奋的突破,但科学总是在解答一个问题的同时引出更多未解之谜。LCA的发现揭示了溶酶体信号通路与AMPK在抗衰老中的关键作用,但当前研究依然存在一些局限性,亟待进一步探索。首先,LCA在不同物种中的效应是否具有完全一致的分子机制?在线虫、果蝇和哺乳动物中,LCA均能延长寿命,但这些模型的生理和代谢差异可能影响其具体的作用路径。例如,LCA在哺乳动物中主要通过TULP3蛋白发挥作用,而在低等生物中这一机制的保守性尚未完全明确。进一步的研究需要深入解析LCA在跨物种间的通用性和差异性,以完善其分子网络的全貌。其次,LCA的抗衰老作用是否存在潜在副作用?尽管LCA能够精准激活AMPK并改善代谢功能,但其长期使用可能对胆汁酸代谢或其他相关通路产生影响。此外,当前研究主要集中在动物模型中,尚未在人体内验证其安全性和有效性。因此,如何将LCA从实验室推广到临床应用,需要更多的研究来评估其药理学特性和潜在风险。最后,LCA的分子机制虽然清晰,但是否还有其他未知的靶点?研究表明,LCA不仅作用于AMPK,还可能通过Sirtuins、NAD+和线粒体功能等多条途径协同作用。这提示我们,LCA的作用可能远不止目前发现的这些分子层面。未来的研究可以利用多组学技术(如蛋白质组学、代谢组学),进一步挖掘LCA潜在的分子靶点与网络。未来,抗衰老研究需要更广泛的协作和创新。研究人员可以探索LCA的化学修饰或结构优化,以开发更高效、更安全的抗衰老分子。同时,通过将LCA与其他抗衰老策略(如基因编辑、细胞治疗)相结合,有可能开创更加精准和个性化的健康干预手段。破解衰老的谜题虽困难重重,但每一个突破都会让我们离实现健康老龄化的目标更近一步。LCA的研究让我们看到了未来的希望,而这仅仅是一个起点。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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