Nature：廈門大學林圣彩院士團隊發(fā)現(xiàn)石膽酸可模擬卡路里限制的效果
長壽，對人類來說是一個永恒的話題。之前的研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)限制能量攝入，使其低于維持體重所需的能量，也就是卡路里限制（CR），可以進一步延長壽命。在小鼠、酵母、線蟲和靈長類動物的研究中，人們都觀察到卡路里限制對壽命和健康的益處。為此，許多“抗衰老飲食”模式被開發(fā)出來，比如間歇性禁食和模擬禁食等。
然而，在實際生活中，人們很難堅持卡路里限制。而且，攝入較少的能量會增加營養(yǎng)不良的風險，也會影響肌肉和骨骼組織，特別是對老年人而言。因此，科學家們一直在探索卡路里限制延長壽命的分子機制，試圖通過科學手段模擬卡路里限制，無需饑餓便能有提高健康水平的效果。在限制期間，生物體會發(fā)生一系列代謝變化，包括游離脂肪酸、膽固醇、維生素和膽汁酸等的改變，但目前仍不清楚哪些代謝產物的變化帶來了生理益處。
近日，廈門大學林圣彩院士團隊利用代謝組學分析了卡路里限制期間豐度發(fā)生變化的代謝物，并開展了后續(xù)的功能驗證。通過對小鼠、線蟲和果蠅的分析，他們發(fā)現(xiàn)石膽酸能夠模擬卡路里限制的影響，具有延緩衰老和延長壽命的作用。這項研究成果于12月18日發(fā)表在《Nature》雜志上。
研究材料與方法
在這項研究中，研究人員利用高效液相色譜-質譜（HPLC-MS）、氣相色譜-質譜（GC-MS）以及毛細管電泳-質譜（CE-MS）等技術來分析卡路里限制后代謝產物的變化。他們在小鼠實驗中使用了肌肉特異性的AMPK基因敲除小鼠（AMPKα-MKO）以及Tgr5基因敲除小鼠（由賽業(yè)生物提供），并分別敲除和敲降了線蟲和果蠅中的AMPK。他們通過測定肌肉相關標志物的水平來評估小鼠的肌肉功能，并測定小鼠的運動能力和抓握力。他們還測定了線蟲和果蠅的自然壽命和健康壽命。
技術路線
研究結果
1. 血清中的代謝物可激活AMPK
研究人員推斷，卡路里限制后發(fā)生變化的血清代謝物也許能夠誘導有益作用。在接受卡路里限制4個月后，小鼠血清（CR血清）足以激活小鼠胚胎成纖維細胞、HKE293T細胞及原代肝細胞和肌細胞中的AMP活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK被認為是關鍵分子，介導卡路里限制的有益作用。給自由飲食的小鼠灌注CR血清后，可導致肝臟和肌肉中的AMPK激活，而且CR血清在56 °C加熱后仍能激活培養(yǎng)細胞中的AMPK，但透析后無法激活。這些結果表明，CR血清中存在熱穩(wěn)定的低分子量代謝物，可以激活AMPK。
2. 石膽酸可激活小鼠體內的AMPK
接下來，研究人員對CR處理小鼠和非CR處理小鼠的血清樣本進行了一系列代謝組學分析。他們采用多種質譜分析方法（包括HPLC-MS、GC-MS和CE-MS）來解析小的極性代謝物和非極性脂類。他們發(fā)現(xiàn)，與對照血清相比，CR血清中超過一半的代謝物（695種，包括341種極性代謝物和354種脂類）發(fā)生了變化。利用親脂性Lipidex柱吸收CR血清中的非極性化合物和脂類后，洗脫出的餾分仍然能夠激活MEF中的AMPK，表明非極性化合物和脂類可能沒有參與AMPK的激活。
于是，他們重點研究了卡路里限制后發(fā)生變化的341種極性代謝物，其中有212種代謝物水平升高，129種水平降低。經過初步篩選，他們發(fā)現(xiàn)有6種水平升高的代謝物能夠激活AMPK，而水平降低的代謝物均未顯示出對AMPK的抑制作用。利用MEF、HEK293T等細胞測試時，石膽酸（LCA）是唯一一種在濃度為1 μM（與卡路里限制后血清中測得的濃度相似）時能激活AMPK的化合物（圖1）。在卡路里限制4個月后，小鼠血清中的石膽酸濃度均為1.1 μM，并且在喂食前后保持不變。
之后，研究人員測定了石膽酸是否可以激活小鼠體內的AMPK。他們發(fā)現(xiàn)，在飲用水中添加1 g/L的石膽酸會導致老齡小鼠（1.5歲）血清中積累1.1 μM的石膽酸，與卡路里限制小鼠血清中測得的濃度相似（圖1）。利用溶解在飲用水中的石膽酸處理小鼠后，其骨骼肌中的AMPK激活水平與卡路里限制期間的水平相似。此外，石膽酸處理也會導致Tgr5基因敲除小鼠（由賽業(yè)生物提供）中的AMPK激活，表明它并非通過TGR5來激活AMPK。這些結果表明石膽酸足以介導AMPK激活，與CR血清類似。
3. 石膽酸可改善老齡小鼠的肌肉功能
在后續(xù)分析中，研究人員確定了石膽酸對衰老相關表型的影響。喂食石膽酸一個月后，老齡雌性和雄性小鼠肌肉各方面的功能都得到了改善，其程度與卡路里限制期間觀察到的相似。具體來說，小鼠的氧化肌纖維數(shù)量增加，糖酵解纖維數(shù)量減少，肌肉萎縮減少。同時，石膽酸處理還提高了老齡小鼠肌肉組織中的NAD+水平和線粒體含量，而且老齡小鼠的運動能力（跑步距離和時間）和抓握力也明顯增加（圖2）。將小鼠肌肉中的AMPKα敲除后，石膽酸改善肌肉功能的效果被抑制。
4. 石膽酸可延長線蟲和果蠅的壽命
最后，他們測試了石膽酸是否能延長壽命。他們選擇線蟲和果蠅作為模型，因為卡路里限制可以誘導其壽命延長，并且需要AMPK。利用石膽酸處理后，線蟲（雌雄同體）的平均壽命從22天延長到27天。雄性果蠅的壽命從47天延長到52天，雌性果蠅的壽命從52天延長到56天（圖3）。石膽酸還能提高線蟲和果蠅的抗氧化應激能力，并改善果蠅對極端條件的耐受能力。敲除或敲降線蟲和果蠅中的AMPK可減弱石膽酸的抗衰老作用，這表明AMPK是石膽酸發(fā)揮作用所必需的。這些結果表明，石膽酸處理足以模擬卡路里限制對線蟲、果蠅和小鼠的抗衰老作用。
結論
這項研究提供了多項證據(jù)來證明石膽酸可作為卡路里限制的模擬物。它再現(xiàn)了卡路里限制的效果，包括在小鼠體內激活AMPK，并在線蟲和果蠅中產生了延長壽命和增進健康的作用。在這三種動物模型中，AMPK的敲除都能消除石膽酸誘導的表型。總之，這些結果表明單獨使用石膽酸能夠以AMPK依賴性方式帶來抗衰老的益處。
原文檢索
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
然而，在實際生活中，人們很難堅持卡路里限制。而且，攝入較少的能量會增加營養(yǎng)不良的風險，也會影響肌肉和骨骼組織，特別是對老年人而言。因此，科學家們一直在探索卡路里限制延長壽命的分子機制，試圖通過科學手段模擬卡路里限制，無需饑餓便能有提高健康水平的效果。在限制期間，生物體會發(fā)生一系列代謝變化，包括游離脂肪酸、膽固醇、維生素和膽汁酸等的改變，但目前仍不清楚哪些代謝產物的變化帶來了生理益處。
近日，廈門大學林圣彩院士團隊利用代謝組學分析了卡路里限制期間豐度發(fā)生變化的代謝物，并開展了后續(xù)的功能驗證。通過對小鼠、線蟲和果蠅的分析，他們發(fā)現(xiàn)石膽酸能夠模擬卡路里限制的影響，具有延緩衰老和延長壽命的作用。這項研究成果于12月18日發(fā)表在《Nature》雜志上。
研究材料與方法
在這項研究中，研究人員利用高效液相色譜-質譜（HPLC-MS）、氣相色譜-質譜（GC-MS）以及毛細管電泳-質譜（CE-MS）等技術來分析卡路里限制后代謝產物的變化。他們在小鼠實驗中使用了肌肉特異性的AMPK基因敲除小鼠（AMPKα-MKO）以及Tgr5基因敲除小鼠（由賽業(yè)生物提供），并分別敲除和敲降了線蟲和果蠅中的AMPK。他們通過測定肌肉相關標志物的水平來評估小鼠的肌肉功能，并測定小鼠的運動能力和抓握力。他們還測定了線蟲和果蠅的自然壽命和健康壽命。
技術路線
利用代謝組學分析卡路里限制小鼠的血清樣本，篩選可激活AMPK的化合物
↓
在篩選出石膽酸后，測定石膽酸是否可激活小鼠體內的AMPK
↓
通過對小鼠肌肉、運動能力和抓握力的分析，評估石膽酸對衰老表型的影響
↓
在線蟲和果蠅模型上開展分析，評估石膽酸是否能延長壽命
↓
在篩選出石膽酸后，測定石膽酸是否可激活小鼠體內的AMPK
↓
通過對小鼠肌肉、運動能力和抓握力的分析，評估石膽酸對衰老表型的影響
↓
在線蟲和果蠅模型上開展分析，評估石膽酸是否能延長壽命
研究結果
1. 血清中的代謝物可激活AMPK
研究人員推斷，卡路里限制后發(fā)生變化的血清代謝物也許能夠誘導有益作用。在接受卡路里限制4個月后，小鼠血清（CR血清）足以激活小鼠胚胎成纖維細胞、HKE293T細胞及原代肝細胞和肌細胞中的AMP活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK被認為是關鍵分子，介導卡路里限制的有益作用。給自由飲食的小鼠灌注CR血清后，可導致肝臟和肌肉中的AMPK激活，而且CR血清在56 °C加熱后仍能激活培養(yǎng)細胞中的AMPK，但透析后無法激活。這些結果表明，CR血清中存在熱穩(wěn)定的低分子量代謝物，可以激活AMPK。
2. 石膽酸可激活小鼠體內的AMPK
接下來，研究人員對CR處理小鼠和非CR處理小鼠的血清樣本進行了一系列代謝組學分析。他們采用多種質譜分析方法（包括HPLC-MS、GC-MS和CE-MS）來解析小的極性代謝物和非極性脂類。他們發(fā)現(xiàn)，與對照血清相比，CR血清中超過一半的代謝物（695種，包括341種極性代謝物和354種脂類）發(fā)生了變化。利用親脂性Lipidex柱吸收CR血清中的非極性化合物和脂類后，洗脫出的餾分仍然能夠激活MEF中的AMPK，表明非極性化合物和脂類可能沒有參與AMPK的激活。
于是，他們重點研究了卡路里限制后發(fā)生變化的341種極性代謝物，其中有212種代謝物水平升高，129種水平降低。經過初步篩選，他們發(fā)現(xiàn)有6種水平升高的代謝物能夠激活AMPK，而水平降低的代謝物均未顯示出對AMPK的抑制作用。利用MEF、HEK293T等細胞測試時，石膽酸（LCA）是唯一一種在濃度為1 μM（與卡路里限制后血清中測得的濃度相似）時能激活AMPK的化合物（圖1）。在卡路里限制4個月后，小鼠血清中的石膽酸濃度均為1.1 μM，并且在喂食前后保持不變。
之后，研究人員測定了石膽酸是否可以激活小鼠體內的AMPK。他們發(fā)現(xiàn)，在飲用水中添加1 g/L的石膽酸會導致老齡小鼠（1.5歲）血清中積累1.1 μM的石膽酸，與卡路里限制小鼠血清中測得的濃度相似（圖1）。利用溶解在飲用水中的石膽酸處理小鼠后，其骨骼肌中的AMPK激活水平與卡路里限制期間的水平相似。此外，石膽酸處理也會導致Tgr5基因敲除小鼠（由賽業(yè)生物提供）中的AMPK激活，表明它并非通過TGR5來激活AMPK。這些結果表明石膽酸足以介導AMPK激活，與CR血清類似。
圖1. 石膽酸在卡路里限制后增加，并負責AMPK的激活
3. 石膽酸可改善老齡小鼠的肌肉功能
在后續(xù)分析中，研究人員確定了石膽酸對衰老相關表型的影響。喂食石膽酸一個月后，老齡雌性和雄性小鼠肌肉各方面的功能都得到了改善，其程度與卡路里限制期間觀察到的相似。具體來說，小鼠的氧化肌纖維數(shù)量增加，糖酵解纖維數(shù)量減少，肌肉萎縮減少。同時，石膽酸處理還提高了老齡小鼠肌肉組織中的NAD+水平和線粒體含量，而且老齡小鼠的運動能力（跑步距離和時間）和抓握力也明顯增加（圖2）。將小鼠肌肉中的AMPKα敲除后，石膽酸改善肌肉功能的效果被抑制。
圖2. 石膽酸可恢復小鼠的肌肉功能
4. 石膽酸可延長線蟲和果蠅的壽命
最后，他們測試了石膽酸是否能延長壽命。他們選擇線蟲和果蠅作為模型，因為卡路里限制可以誘導其壽命延長，并且需要AMPK。利用石膽酸處理后，線蟲（雌雄同體）的平均壽命從22天延長到27天。雄性果蠅的壽命從47天延長到52天，雌性果蠅的壽命從52天延長到56天（圖3）。石膽酸還能提高線蟲和果蠅的抗氧化應激能力，并改善果蠅對極端條件的耐受能力。敲除或敲降線蟲和果蠅中的AMPK可減弱石膽酸的抗衰老作用，這表明AMPK是石膽酸發(fā)揮作用所必需的。這些結果表明，石膽酸處理足以模擬卡路里限制對線蟲、果蠅和小鼠的抗衰老作用。
圖3. 石膽酸可延長線蟲和果蠅的壽命
結論
這項研究提供了多項證據(jù)來證明石膽酸可作為卡路里限制的模擬物。它再現(xiàn)了卡路里限制的效果，包括在小鼠體內激活AMPK，并在線蟲和果蠅中產生了延長壽命和增進健康的作用。在這三種動物模型中，AMPK的敲除都能消除石膽酸誘導的表型。總之，這些結果表明單獨使用石膽酸能夠以AMPK依賴性方式帶來抗衰老的益處。
原文檢索
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
