長壽新秘訣——拜譜多胺代謝是間歇性禁食抗衰老的關(guān)鍵因子

熱量限制（caloric restriction, CR）和間歇性禁食（intermittent fasting, IF）在模式動物中被證實(shí)具有抗衰老和促進(jìn)機(jī)體健康的作用。人體臨床實(shí)驗(yàn)也表明間歇性或長期的禁食以及持續(xù)的熱量限制干預(yù)對多個健康相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生有利影響。自噬作為細(xì)胞應(yīng)對壓力時的自我清理機(jī)制，能夠降解并回收受損的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)，并與營養(yǎng)感知通路關(guān)系密切，可能是CR和IF抗衰老的共同機(jī)制基礎(chǔ)。

另外，在酵母菌、線蟲、果蠅、小鼠中的研究發(fā)現(xiàn)，利用亞精胺（SPD）進(jìn)行營養(yǎng)干預(yù)也能通過調(diào)節(jié)自噬抗衰老。臨床證據(jù)也顯示飲食中增加SPD的攝入能恢復(fù)衰老人群的自噬流，且能降低死亡率。禁食、CR和SPD干預(yù)具有相似的自噬依賴的抗衰老機(jī)制，然而禁食干預(yù)與SPD代謝的關(guān)系，以及禁食是否通過SPD調(diào)節(jié)抗衰老仍不清楚。

近日，奧地利格拉茨大學(xué)Frank Madeo團(tuán)隊(duì)等等在Nature cell biology期刊發(fā)表題為Spermidine is essential for fasting-mediated autophagy and longevity的研究性論文，揭示了SPD可以通過誘導(dǎo)自噬和激活翻譯調(diào)節(jié)因子eIF5A的翻譯后羥腐胺化修飾，進(jìn)而影響禁食干預(yù)引發(fā)的抗衰老效應(yīng)。文章利用多胺靶向代謝組檢測了SPD代謝途徑中關(guān)鍵代謝物，闡述了禁食干預(yù)與SPD代謝的關(guān)系；利用定量蛋白質(zhì)組和非靶代謝組探究了禁食干預(yù)引起細(xì)胞生理反應(yīng)，定位到了自噬通路，為后續(xù)機(jī)制的挖掘提供了關(guān)鍵性引導(dǎo)。

樣本類型：酵母菌、果蠅、小鼠、人源細(xì)胞等

組學(xué)技術(shù)：多胺靶向代謝組、非靶代謝組、定量蛋白質(zhì)組

01研究思路

02、研究結(jié)果

1.禁食干預(yù)提高體內(nèi)亞精胺含量

為了探究禁食干預(yù)與SPD代謝的關(guān)系，作者首先利用多胺靶向代謝組檢測了氮饑餓條件下（模擬禁食干預(yù)）酵母菌體內(nèi)SPD及其前體鳥氨酸（ORN）、腐胺（PUT）、衍生物精胺（SPM）等多胺代謝物含量變化。結(jié)果表明氮饑餓能提高SPD等多胺的含量。代謝流分析顯示氮饑餓能誘導(dǎo)多胺代謝途徑。作者同時測試果蠅、小鼠血清和人血清的多胺代謝物，結(jié)果顯示SPD含量在所有測試樣本中均升高。

2.禁食依賴體內(nèi)精氨酸合成介導(dǎo)代謝重塑和TORC1抑制

接著，作者以酵母菌為對象探究了體內(nèi)亞精胺代謝途徑對禁食介導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)的影響。首先在酵母菌中構(gòu)建了SPD缺陷突變株（敲除鳥氨酸脫羧酶ODC1，Δspe1）。作者設(shè)置了氮饑餓（禁食干預(yù)）下野生型、突變株、外源補(bǔ)充SPD的野生型、外源補(bǔ)充SPD的突變株，對照組為正常營養(yǎng)狀態(tài)，分別進(jìn)行了定量蛋白質(zhì)組學(xué)和非靶代謝組學(xué)分析。蛋白質(zhì)組學(xué)PCA聚類分析顯示敲除spe1形成了差異的全局性蛋白組，外源補(bǔ)充SPD能回補(bǔ)Δspe1引起的差異，但對野生型影響不大，這表明外源補(bǔ)充SPD不影響酵母菌的蛋白表達(dá)。TOR信號通路與自噬和抗衰老相關(guān)，因此作者分析了不同條件下TOR信號通路蛋白表達(dá)情況，結(jié)果顯示氮饑餓引起的TOR通路差異表達(dá)是spe1依賴性的，外源補(bǔ)充SPD能一定程度恢復(fù)差異表達(dá)。

差異代謝物分析顯示在氮饑餓條件下，敲除spe1導(dǎo)致能量代謝紊亂以及包內(nèi)多胺合成的缺陷。PCA聚類分析顯示外源補(bǔ)充SPD能回補(bǔ)Δspe1中的代謝紊亂，但幾乎不影響野生型代謝組。氨基酸代謝與TOR和自噬調(diào)節(jié)相關(guān)，因此作者以氨基酸為例展示了不同處理組中氨基酸的含量變化，結(jié)果顯示氮饑餓介導(dǎo)的氨基酸代謝紊亂依賴于spe1。作者選取自噬相關(guān)TOR信號通路復(fù)合物TORC1進(jìn)一步驗(yàn)證亞精胺的作用機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮饑餓能抑制TORC1活性，敲除spe1能延遲TORC1的抑制效果，外源補(bǔ)充SPD能回補(bǔ)氮饑餓對TORC1的抑制作用。綜上，蛋白質(zhì)組學(xué)和非靶代謝組學(xué)分析揭示多胺合成是禁食干預(yù)引起的代謝重塑和TOR通路抑制的關(guān)鍵因子。

3.亞精胺對禁食介導(dǎo)的自噬和抗衰老至關(guān)重要

作者通過檢測酵母菌自噬相關(guān)蛋白Atg-8的表達(dá)與分布、Pho8?N60檢測，表明了Δspe1減弱了禁食誘導(dǎo)的自噬活性。在人源細(xì)胞中添加鳥氨酸脫羧酶抑制劑能降低饑餓誘導(dǎo)的自噬體和自噬溶酶體間LC3蛋白的遷移，這進(jìn)一步表明SPD的合成是自噬通路必需的。為了探究亞精胺在禁食介導(dǎo)的抗衰老過程中的作用，作者測試了亞精胺合成突變株或添加抑制劑等方式對禁食介導(dǎo)的抗衰老表型的影響。結(jié)果表明內(nèi)源性多胺的合成對于禁食介導(dǎo)的酵母、果蠅以及線蟲的壽命延長、小鼠的心血管保護(hù)和抗關(guān)節(jié)炎等抗衰老活性都是必需的。

4.翻譯調(diào)節(jié)因子eIF5A的羥腐胺化修飾是禁食介導(dǎo)的抗衰老所必需的

前期研究發(fā)現(xiàn)SPD能通過激活eIF5A的羥腐胺化翻譯后修飾調(diào)節(jié)促自噬和抗衰老作用，因此作者進(jìn)一步探究了SPD-eIF5A翻譯后修飾調(diào)控軸是否參與了禁食抗衰老過程。在酵母菌、果蠅、線蟲、人源細(xì)胞以及臨床PBMC樣本中均發(fā)現(xiàn)禁食干預(yù)能提高eIF5A的羥腐胺化修飾水平，突變或抑制SPD的合成則消除了禁食干預(yù)的作用。接著，作者通過靶向抑制eIF5A的羥腐胺化修飾關(guān)鍵酶或點(diǎn)突變關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)等方式驗(yàn)證了eIF5A的腐胺化修飾在禁食介導(dǎo)的抗衰老中的關(guān)鍵作用

03拜譜小結(jié)

多胺類代謝物作為明星分子，參與腫瘤、衰老、免疫穩(wěn)態(tài)等多種生物學(xué)過程，在生理病理中發(fā)揮重要作用。本文聚焦間歇性禁食和亞精胺代謝在抗衰老作用中的關(guān)系，深入探究了亞精胺代謝參與間歇性禁食抗衰老的分子機(jī)制，揭示了亞精胺-蛋白翻譯后修飾調(diào)控軸是機(jī)體抗衰老的關(guān)鍵樞紐。多胺類靶向代謝組、非靶向代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)方法在本研究的發(fā)現(xiàn)和機(jī)制探究過程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

拜譜生物多胺靶向代謝組學(xué)產(chǎn)品，可一針檢測17種多胺及其衍生物，包括腐胺、亞精胺、精胺、鳥氨酸、精氨酸、S-腺苷甲硫氨酸等，能提供定量數(shù)據(jù)和豐富的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容。拜譜生物已建立了完善成熟的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)以及多組學(xué)聯(lián)合產(chǎn)品技術(shù)服務(wù)體系。