Cell Metabolism | 代谢顶刊揭示轻断食促进长寿机制

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Cell Metabolism | 代谢顶刊揭示轻断食促进长寿机制

麦特绘谱

2020.8.17

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热量限制（CR）对生命健康和长寿的影响是复杂的，但其分子机制却不清楚。最近一项非人类灵长类动物CR研究发现饮食成分对寿命没有影响，但禁食时间和卡路里限制是提高生存率的关键。来自美国国立卫生研究院的Rafael de Cabo团队通过不同进食模式和不同饮食组成小鼠的生理和肝脏代谢组学、转录组学等方法探究改善健康和寿命的相关通路，相关成果发表于《Cell Metabolism》。

不同饮食组成和进食方案对小鼠健康的影响

之前研究发现，与随意进食组（AL）相比，每日一餐组（MF，禁食12h）和CR组（禁食20h)寿命有显著且逐级延长，同时对健康指标产生了显著的积极影响。为了更好地阐述饮食组成和进食策略对健康的影响，292只4个月龄雄性B6小鼠随机分为NIA（低脂）和WIS（高脂）饮食组，两种饮食分组下再分别以AL、CR或MF方案进行喂养。结果显示，两种饮食组成的CR小鼠脂肪含量均显著低于AL组，而MF组与AL组无显著差异。MF和AL小鼠瘦肥比率均显著低于CR小鼠。口服葡萄糖耐量测试（OGTT）中，两种饮食组成的CR小鼠葡萄糖清除率均高于AL。此外，与AL组相比，两种饮食组成的MF和CR小鼠昼夜节律性均显著增强。由此可以明确，与AL组相比，MF组和CR组小鼠的代谢状况均发生了显著改变，且与饮食组成（NIA和WIS）无关。

不同饮食组成和进食方案对肝脏转录组和代谢组的影响

已有研究报道MF和CR均对健康和寿命产生有益影响，包括延迟脂肪肝和肝癌发展。为了探究其机制，对小鼠的肝脏组织进行转录组和非靶向代谢组学分析，结果表明，两种饮食下CR和AL在转录水平和代谢水平均分离显著，而且在代谢水平上MF组与AL存在部分重叠，尤其在WIS饮食中。在 CR-AL 和 MF-AL 两两对比中，相对于AL组，CR组中700个基因、19个代谢物以及MF组中69个基因、17个代谢物呈现显著差异，且与饮食组成（NIA或WIS）无关。通路富集结果表明，每种进食方案下，排名靠前的20个通路，60％为MF或CR有显著差异的“特有”通路。CR特有通路涉及解毒作用、维持分子更新和能量补充等，包含细胞色素P450代谢途径、氧化还原和氧化应激相关通路、叶酸循环、糖鞘脂、脂肪酸和碳水化合物的合成代谢通路。MF特有通路涉及氨基酸、脂肪酸和核酸前体（嘌呤和嘧啶）的中心分解代谢和合成代谢通路。这表明，相对于AL组，CR促进长寿机制主要涉及适应、参与解毒的肝保护机制并维持氧化还原平衡。

甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸轴是促进长寿的主要通路

为了探究促进长寿的共有机制通路，在 CR-AL 和 MF-AL 对比组中有21个基因和10种代谢物是CR组和MF组共有的差异。这一共有差异的通路拓扑结果表明，Gly-Ser-Thr代谢相关的通路显示了其在“核心”网络中的重要性。Gly-Ser-Thr之间的相互作用就像一个代谢十字路口，它们与几种重要的生物学途径紧密连接。Gly-Ser-Thr通过两种酶，丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）和苏氨酸醛缩酶，从而进行可逆相互转化。通过实时定量PCR和Western blot对Gly-Ser-Thr代谢轴中关键基因和酶的表达水平进行验证。最终明确了以Gly-Ser-Thr代谢为中心的长寿相关通路，这些通路主要涉及解毒作用和维持生命的分子循环、修复和合成机制，这些机制对保护肝功能方面至关重要。

MF和CR影响肝脏相关通路

构建WIS-NIA 对比组以寻找不同饮食组成下相关通路变化情况，通路富集分析发现，6个通路是不同喂养方案中共有（品红色箭头代表共有通路），包括细胞色素P450介导的异源生物和药物代谢，谷胱甘肽代谢，亚油酸代谢，TCA循环和脂肪酸延长等。这些通路与其在肝功能中的关键作用一致。但是，不同进食方案下这6个共有通路的排名和富集程度不同，表明这些通路的参与方式不同。黑色箭头表示特有通路，其中MF组特有通路包括脂质（脂肪酸合成）、核酸（嘧啶）和碳水化合物代谢等。MF和CR均检测到叶酸代谢，但在CR中更显著。与CR紧密相关的通路包含支链氨基酸（BCAA）降解，短链脂肪酸（SCFA）中丙酸和丁酸代谢，FA代谢，酮体合成和降解以及碳水化合物转换。丙酸和丁酸主要来源是膳食纤维经结肠微生物群生成，因此它们的存在表明肠道细菌也参与其中。通过维恩分析，获得不同进食方案下基因和代谢物差异变化情况并进行通路富集，其中4个通路（细胞色素P450介导的异源生物和药物代谢、谷胱甘肽代谢，亚油酸代谢）同样被富集到。为了探究不同饮食组成的影响，将WIS-NIA 对比组中获得的差异基因和代谢物进行通路分析，在MF组中，NIA饮食与细胞色素P450介导的异源生物和药物代谢、PUFA代谢和NAD再利用等相关，而WIS饮食主要促进碳水化合物、氨基酸和TCA循环等代谢通路。CR组中，NIA和WIS涉及的通路也不同。这表明，NIA和WIS在促进长寿的实现方式上存在微小差异。由这些数据可以发现不管哪种饮食组成，三种饮食方案在解毒、抗氧化、能量和信号传导（如炎症、免疫相关通路和代谢物）相关的关键过程之间具有高度拓扑连接和功能互补。

不同饮食组成和进食方案影响长寿相关的肝脏因子

不同饮食组成和进食方式引起的代谢重编程也提示该过程与能量存储利用相关的营养敏感因子有关。免疫印迹检测AMPK、SIRT1和NAMPT，结果表明，NIA和WIS组这些指标水平存在不同。对于NIA饮食，SIRT1和NAMPT蛋白水平在AL、MF、CR 3组中依次降低，AMPK依次升高；对于WIS饮食，SIRT1和NAMPT无显著差异，而AMPK依次降低。同时，发现AMPKa与SIRT1显著负相关，表明AMPK蛋白水平的增加可以弥补SIRT1积累的减少，反之亦然。但AMPKa与SIRT6不相关。此外，NAMPT与SIRT1具有相关性，但与SIRT6和AMPK不相关。无论饮食组成如何，CR中的AMP含量均显著升高。总之，AMPK，SIRT1和NAMPT是相互作用的，并通过Gly-Ser-Thr代谢调节枢纽而处于营养感知与肝脏代谢昼夜调节的交汇处。

禁食引起小鼠和猴子相同的肝脏代谢重塑

对猴子进行同样处理并进行血清非靶向代谢组学，PLS-DA显示AL和CR组之间可以良好分离，尤其是在NIA队列中。同样方法分析小鼠血清，PLS-DA显示AL，MF和CR之间可以良好分离。对筛选出的差异代谢物分析，发现脂质和酮体（紫色箭头），氨基酸（绿色箭头）和尿素循环中间体作为潜在生物标志物出现富集，证实了禁食期间肝脏将脂质和氨基酸作为底物进行代谢。同样，小鼠样本分析结果显示，饮食组成对血清中戊糖磷酸途径中核糖和糖原降解途径中麦芽糖/麦芽糖三糖具有一定影响。其中与WIS相比，NIA饮食中MF和CR中脂质和酮体（3-羟基丁酸酯）水平增加，尿素循环中间体如富马酸盐，瓜氨酸和N-乙酰谷氨酸降低。与AL相比，CR和MF组氧化应激标志物蛋氨酸亚砜在两种饮食中均降低。而且结果发现，氨基酸（绿色箭头）与寿命存在相关性，其中肝脏Gly-Ser-Thr代谢与寿命呈正相关。这些数据表明，CR引发了以氨基酸和脂质利用为中心的代谢重塑，且在猴子中获得验证。

小结

本研究通过小鼠肝脏和血清转录组和代谢组学分析2种饮食组成（NIA和WIS）和3种进食方案（AL，MF，CR）中与小鼠寿命和健康相关的代谢变化。确定了甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴参与长寿相关分子机制。不同喂养方式对比分析揭示了改善健康的共有通路模式。同时，在非人灵长类动物血清代谢组中证实了这些发现。本研究阐述了营养和禁食引起的通路变化对健康和长寿的潜在作用，为临床干预提供新的见解。

参考文献

Untangling Determinants of Enhanced Health and Lifespan through a Multi-omics Approach in Mice. Cell Metab. 2020

https://doi.org/ 10.1016/j.cmet.2020.04.018.

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