熱量限制（Caloric restriction，CR）被公認(rèn)為是能改善健康、抗衰老的非藥物飲食干預(yù)方式。大量的研究證明CR能帶來全身健康益處，包括改善老年人體質(zhì)，緩解肥胖、胰島素抵抗、肌肉退化、血脂異常、癌癥等疾病。CR會引起生物體一系列的代謝變化，包括游離脂肪酸、膽固醇、維生素、膽汁酸等代謝物的變化，從而介導(dǎo)CR的生物學(xué)效應(yīng)。其中，AMPK信號通路是CR發(fā)揮抗衰老作用的重要介質(zhì)。AMPK調(diào)節(jié)與衰老相關(guān)的信號通路和細(xì)胞過程，包括自噬、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、線粒體生成、有絲分裂、炎癥、神經(jīng)退化等。然而，當(dāng)前對于CR介導(dǎo)代謝信號，哪一種代謝小分子，以及如何激活A(yù)MPK通路還不清楚。

2024年12月18日，廈門大學(xué)張宸崧和林圣彩院士團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上背靠背發(fā)表了兩篇文章。研究揭示了是石膽酸可模擬熱量限制（CR）延緩衰老；熱量限制模擬物石膽酸（LCA）激活A(yù)MPK的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)TUB樣蛋白3（TULP3）是LCA的直接受體，并鑒定出LCA通過激活TULP3–sirtuin–v-ATPase–AMPK通路，發(fā)揮延緩衰老的作用。

“Lithocholic acid phenocopies anti-ageing effects of calorie restriction”文章，利用代謝組學(xué)方法和功能驗(yàn)證在小鼠血清中發(fā)現(xiàn)了CR介導(dǎo)的關(guān)鍵代謝信號石膽酸（LCA），并在不同的模型動物中驗(yàn)證LCA能通過AMPK依賴的方式延緩機(jī)體衰老、延長壽命。

01· 研究結(jié)果 ·

為了篩選CR介導(dǎo)的代謝物信號，作者收集了CR處理4個(gè)月的小鼠血清，細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)表明該血清中含有激活A(yù)MPK的分子。作者通過熱處理和透析處理表明血清發(fā)揮AMPK激活作用的分子不是蛋白，而是一種熱穩(wěn)定的小分子代謝物。接著，作者對CR處理血清樣本和非CR處理血清樣本進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析。為了更全面的檢測血清中的代謝物，作者同時(shí)采用了LC-MS、GC-MS和毛細(xì)胞電泳質(zhì)譜（CE-MS）進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)檢測。 （ 小編注： GC-MS更適用于檢測揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性物質(zhì)，如精油、脂肪酸等； LC-MS是生物樣本最常用的檢測方法，檢測范圍更廣，可通過反向色譜柱或親水極性柱檢測大部分代謝物； 而CE-MS更適合檢測生物樣品中的離子型代謝物。 多種檢測方法結(jié)合使用也是代謝組學(xué)中擴(kuò)大代謝物檢出數(shù)量的常用策略。 ）

通過此方法，作者篩選到了695個(gè)差異代謝物。為了進(jìn)一步縮小差異代謝物范圍，作者通過親脂性結(jié)合柱去除血清中脂類物質(zhì)和非極性物質(zhì)后仍能發(fā)揮AMPK激活作用，于是作者對剩余341個(gè)極性代謝物逐一進(jìn)行功能性驗(yàn)證。最后作者篩選到6個(gè)代謝物能激活A(yù)MPK通路，其中LCA是唯一在CR處理后的生理濃度下發(fā)揮作用的分子。

圖1 CR處理的小鼠血清能激活細(xì)胞和組織中AMPK通路。a-d：不同細(xì)胞類型；e：肝臟；f：肌肉；h：熱處理和透析后血清代謝物的作用；i：親脂性結(jié)合柱純化后血清代謝物的作用。

（圖源：Qu, Q., et al., Nature, 2024）

隨后作者利用靶向代謝組檢測方法驗(yàn)證了LCA在CR處理的小鼠血清和組織中均呈現(xiàn)增高。且作者在細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)喂食LCA均證實(shí)LCA能激活A(yù)MPK通路及其下游調(diào)控的信號通路，比如對mTORC1的抑制。通過添加MEK抑制劑發(fā)現(xiàn)LCA不是通過Camp-Epac-MEK通路激活A(yù)MPK；通過敲除TGR5發(fā)現(xiàn)LCA也不依賴TGR5激活A(yù)MPK；LCA也沒有造成Ca2+的增加，說明LCA也不是通過CaMKK2介導(dǎo)的AMPK激活方式。以上結(jié)果表明LCA 是 CR 血清中的一種特異性代謝物，可在生理濃度下激活A(yù)MPK。

圖2 LCA在CR處理后顯著升高并能激活A(yù)MPK通路。a：添加LCA能激活A(yù)MPK通路；b-d：靶向代謝組分析CR處理后血清及組織中LCA的含量變化；e：LCA的衍生物不能激活A(yù)MPK通路；f-g：喂食 LCA導(dǎo)致血清和組織中LCA含量的增加，類似于CR處理；h：LCA處理能激活小鼠中AMPK通路。

（圖源：Qu, Q., et al., Nature, 2024）

接著，作者在小鼠模型中研究了LCA對衰老表型的作用。飼喂小鼠1個(gè)月的LCA，其對小鼠肌肉功能的影響類似于CR處理。具體表現(xiàn)為LCA增加了氧化型肌肉纖維，降低了糖酵解纖維，增加了NAD+水平和線粒體數(shù)量，增強(qiáng)了線粒體呼吸功能。另外，在 LCA 處理的老年小鼠中，跑步距離、持續(xù)時(shí)間和握力也顯著增加。敲除AMPKα能抑制了LCA的功效。這些結(jié)果表明LCA對小鼠煥發(fā)活性的功效依賴AMPK。

作者研究了LCA是否能延長壽命。在線蟲和果蠅模型中，LCA也可以激活A(yù)MPK，并能延長其壽命。另外，LCA還能改善線蟲和果蠅的健康水平，具體表現(xiàn)為以下指標(biāo)的提高：線蟲的咽泵率；線蟲和果蠅的抗氧化應(yīng)激性；果蠅對寒冷、高溫和饑餓的耐受性；NAD+水平；mtDNA /nDNA 的比率；線蟲和果蠅中的線粒體基因表達(dá)；線蟲中氧化消耗速率等。敲除AMPKα則消除了LCA的抗衰老作用。以上結(jié)果表明，LCA可以模擬CR的抗衰老功效。

02· 小結(jié) ·

綜上所述，該研究通過代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，石膽酸（LCA）是在CR期間豐度發(fā)生變化的代謝物之一，其單獨(dú)作用能在小鼠中重現(xiàn)CR的效果，包括激活A(yù)MPK蛋白激酶、增強(qiáng)肌肉再生、恢復(fù)握力和運(yùn)動能力，在線蟲和果蠅中也能激活A(yù)MPK并誘導(dǎo)延長壽命和促進(jìn)健康的效果。在所有三種動物模型中，AMPK的敲除會消除LCA誘導(dǎo)的表型?？傊瑔为?dú)給予CR介導(dǎo)的上調(diào)代謝物 LCA 可以通過 AMPK 依賴的方式為后生動物帶來抗衰老益處。

03· 拜譜小結(jié) ·

代謝物是環(huán)境因素與生物體互作后基因表達(dá)和蛋白功能的最終產(chǎn)物，更接近機(jī)體生理病理表型。代謝組學(xué)能全面的表征生物體中小分子代謝物，提供與生理和病理過程相關(guān)的代謝狀態(tài)，為闡述病理機(jī)制和藥物靶點(diǎn)提供依據(jù)。非靶向代謝組學(xué)通常在前期階段輔助篩選與表型相關(guān)的代謝物，靶向代謝組學(xué)則是對我們感興趣的代謝物進(jìn)行靶向定量驗(yàn)證的方法。二者相互結(jié)合是代謝物小分子研究的常見思路。

拜譜生物作為國內(nèi)領(lǐng)先的多組學(xué)公司，可提供完善成熟的代謝組學(xué)檢測服務(wù)，包括基于LC-MS和GC-MS的非靶向代謝組學(xué)、醫(yī)學(xué)高通量靶向代謝組學(xué)（可定量檢測1000余種醫(yī)學(xué)常見代謝物）、醫(yī)學(xué)高通量靶向脂質(zhì)組學(xué)（可定量檢測4000余種脂質(zhì)分子）；以及針對醫(yī)學(xué)研究常涉及的代謝物panel所開發(fā)的靶向代謝組檢測包，比如本研究中的膽汁酸kit，其它包括短鏈/中長鏈脂肪酸kit、氨基酸kit、多胺類kit、色氨酸kit、神經(jīng)遞質(zhì)kti、能量代謝kit等。

拜譜生物靶向代謝組檢測包

參考文獻(xiàn)：

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