Cell子刊 | 多组学揭示甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴抵抗小鼠衰老机制

Cell子刊 | 多组学揭示甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴抵抗小鼠衰老机制    

慢性热量限制(CR)对健康和生存的影响是复杂的，人们对其潜在的分子机制知之甚少。最近在老鼠身上进行的一项关于非人类灵长类CR研究中使用的饮食的研究发现，虽然饮食结构不会影响寿命，但禁食时间和总卡路里摄入量是提高存活率的决定性因素。本研究通过转录+蛋白+代谢多组学联合分析和综合途径富集，探讨两种饮食和不同喂养策略的小鼠寿命和健康相关的代谢枢纽，发现甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴可能参与长寿及其相关的分子机制。不同喂养策略的直接比较揭示了一种共同的改善健康、增加寿命的代谢模式，包括短链脂肪酸和必需的多不饱和脂肪酸新陈代谢。

 ● 期刊：Cell Metab. 

 ● IF=22.415

 ● 发表时间：2020-05

 研究路线 

 研究结果 

>> 1. NIA或WIS饮食喂养方式对雄性小鼠健康的影响

针对饮食组成和喂养方式对小鼠生理的影响，作者进行了一系列纵向研究（图1A）。将292只4个月大的雄性C57BL / 6J小鼠随机分为AL（自由进食），CR（热量限制）或MF（一日一餐）方案下的NIA和WIS饮食组。CR和MF小鼠每天下午3:00接受单餐。NMR结果显示，与AL组相比，CR和MF小鼠的肥胖率显著降低（图1B，上图）；MF和AL小鼠的瘦脂比相似，并且与CR小鼠相比明显更低（图1B，下图）。空腹血糖检测发现，两种饮食下所有小鼠的空腹血糖（FBG）水平相对稳定，在WIS饮食下，FBG水平略高（图1C）。对10和14个月大的小鼠进行口服葡萄糖耐量测试（OGTT），CR小鼠的葡萄糖清除率均高于AL（图1D）。全面的实验室动物监测系统（CLAMS），通过呼吸测定法对10个月大的小鼠进行三个明/暗周期体内代谢节律监测。AL小鼠昼夜呼吸交换率（RER）节律较弱，MF和CR小鼠的昼夜节律性均明显，表明对脂肪酸（FA）的氧化具有更高的代谢依赖性。

图2 肝提取物的多组学分析：寿命的特定途径

>> 3.甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢的单碳、蛋氨酸和硫途径是生命的主要途径

为了深入了解可能有助于延长寿命的作用途径，分析发现CR和MF之间共有21个基因（表S1）和10种代谢物（图3A），其中最富集的途径是氨酰基t-RNA生物合成。甘氨酸（Gly），丝氨酸（Ser）和苏氨酸（Thr），谷胱甘肽，牛磺酸-小牛磺酸和半胱氨酸-蛋氨酸的代谢途径是根据富集分数排名最高的分解代谢和氧化还原相关的途径（图3B）。拓扑分析显示， Gly-Ser-Thr之间的相互作用与几种高度重要的生物学途径相关联（图3C和3D）。Gly-Ser-Thr可通过两种酶（丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）和苏氨酸醛缩酶）的作用可逆地相互转化（图3C）。Ser是与甲硫氨酸循环直接相关的核苷酸合成的一个碳库的来源（图3D）。

>> 4.涉及MF和CR反应的肝途径

针对不同饮食策略小鼠分别进行了JPA分析，并根据富集和拓扑结构对前20条途径进行排名（图4B）。通过丙酰辅酶A羧化酶（PCC）催化，丙酰辅酶A被羧化以产生甲基丙二酰辅酶A，其经由琥珀酰辅酶A进入TCA循环（图4C）。丙酸代谢与线粒体代谢（BCAA，FA和酮体降解）之间的联系是由胆固醇，缬氨酸，奇链FA，蛋氨酸，异亮氨酸和苏氨酸的分解代谢产生的（图4C）。维恩图表征三种喂养方案中常见的基因和代谢产物（图4D）。根据综合的富集和网络拓扑指标（图4E），六个共享途径中的四个（细胞色素P450的异物和药物，谷胱甘肽，omega-6亚油酸代谢）位于“核心途径”的顶部。除上述途径外，牛磺酸-小牛磺酸和半胱氨酸蛋氨酸的代谢（通过谷胱甘肽；见图3D）和脂质代谢（通过α-亚麻酸）密切相关，如花生四烯酸，甘油磷脂（图4F）。

NIA饮食与各种途径相关，例如“异种生物和药物通过细胞色素P450的代谢”，“u6 PUFA亚油酸”和“NAD拯救”，而WIS饮食主要是促进中枢分解代谢的途径，即碳水化合物，氨基酸和TCA循环（图5，将图5E与5B进行比较）。三种饮食方案表明与排毒、抗氧化剂、能量和信号传导途径（包括途径和途径）相关的过程之间具有高度的拓扑连通性和功能互补性，从而会进一步影响机体免疫力和炎症代谢产物。

>> 5.与寿命调节相关的肝因子对饮食和喂养方式有响应

AL-MF-CR导致禁食期逐渐延长，显示SIRT1和NAMPT蛋白水平降低，但NIA饮食中AMPK升高（图6A和6B）。重要的是，AMPKa表达与SIRT1具体相关而不是SIRT6（图6C）。NAMPT的丰度也与SIRT1相关，但与SIRT6或AMPK不相关（图6A-6C）。两种饮食类型，CR中的AMP含量均显著升高（图6D）。

>> 6.验证试验

禁食时间引起小鼠和NHP在肝脏中发生类似的代谢重塑。代谢组学显示，在血清中鉴定出173种代谢物，其中PLS-DA显示AL和CR组之间分离趋势明显，尤其是在NIA队列中（图7A）。采用相似的方法来分析当前小鼠的血清，发现155种代谢物， AL，MF和CR之间的PLS-DA分析表现出良好的分离性（图7B）。与WIS相比，NIA中尿素循环的总体血清代谢产物，例如富马酸盐，瓜氨酸和N-乙酰谷氨酸（一种氨基甲酰磷酸合酶的变构效应物），含量较低。其中氨基酸成分（绿色箭头）被确定为肝脏和血清饮食中与寿命相关的因素。肝Gly-Ser-Thr代谢均与寿命呈正相关（图7D，上图），而大多数循环氨基酸与寿命呈负相关（图7D，下图）。在34种血清代谢产物中，有7种是对CR的应答，并且属于与禁食相关的代谢途径，包括氨基酸和脂质代谢，氨循环，尿素循环，FA氧化和PUFA（图7E和7F）。因此，CR引起的代谢重塑在小鼠和猴子之间是相似的，表明在这些相当遥远的物种之间对CR的潜在代谢反应是保守的。

 研究结论 

本实验基于转录+蛋白+代谢组学联合分析，研究了NIA和WIS饮食喂养下的三种不同进食方式的雄性C57BL/6J小鼠，多组学共同揭示了甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴可能参与长寿及其相关的分子机制。最终还在猴子物种上得到验证，在猴子肝脏中发现了类似的代谢重塑。