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先讲一个冷笑话,研究“长寿”的科学,本身也挺“长寿”了。
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从1935年McCay等人首次发现限制饮食可延长大鼠寿命算起[1],已经超过90年。迄今为止,至少有5种单基因突变、2种饮食干预、8种药物,被证明能延长小鼠寿命。
找出它们的共同点,就能找到延寿机制的关键线索。问题是找不到啊……
不过,随着研究不断推进,一些共同的代谢特征开始慢慢浮现。近期,来自ITP核心科学家Richard Miller团队的最新研究发现[2],多种延寿干预虽然路径不同,肝脏却都呈现出一种相似的代谢转向,从“烧糖”转向多“烧”氨基酸。而“操盘手”,很可能就是胰高血糖素。
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别管,衰老界也有自己的“曲线救国”
其实在一开始,科学家们就走了一条“捷径”:看看有没有哪种蛋白质,会被不同延寿干预共同改变,结果就是,他们并没有找到这种“掌握衰老命脉”的蛋白[3]。
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不过也并非一无所获。虽然没有一个蛋白能通吃所有延寿干预,但他们发现了一群被多种干预共同调控的蛋白,而这些蛋白的功能高度集中,指向了一个明确的代谢方向:脂肪酸氧化。沿着这条线索,他们还发现,在多种慢衰老小鼠模型中,脂肪从头合成(DNL)相关酶普遍下降[4]。
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图注:代表性图,每个红点代表一种脂肪从头合成(DNL)相关酶。横轴左侧(Log2FC < 0)代表蛋白质水平下降,且红点普遍落在左侧。
但脂肪从头合成下降,只解释了代谢变化的一部分。此前的研究还观察到,葡萄糖利用也可能发生了改变,于是,Miller团队进一步分析了这五种慢衰老小鼠的肝脏蛋白组数据:阿卡波糖、卡格列净、热量限制、Snell与GHRKO小鼠(两者都表现为生长激素/IGF-1信号下降,寿命长于正常小鼠)。
结果发现,在4293种蛋白质中,糖酵解的四个关键酶,在五种小鼠模型中全部下调;而糖异生的关键酶Pck1则一致上调,奇怪的是,负责把糖输出到血液的G6p酶,却没有展现出一致变化。
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图注:绿点代表糖酵解酶(Pk、Gck、Gckr、Pfkfb1),红点代表糖异生酶(Pck1、G6p、Fbp1)。横轴左侧代表下降,右侧代表上升。在五种慢衰老小鼠模型中,绿点普遍落在左侧,说明糖酵解关键酶被共同下调;红点中只有Pck1一致落在右侧,G6p没有一致变化
这就有意思了,不消耗糖,消耗的又是谁呢?
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氨基酸:“我不入地狱谁入地狱”?
现在糖酵解被抑制了,但是细胞又必须找到别的原料来维持下游的三羧酸循环,保证线粒体的呼吸,那么谁最适合来表演一下三羧酸循环版的“菀菀类卿”?
答案就是——氨基酸(是的又是它,还是它,怎么哪儿哪儿都是它)。
虽然但是,别小瞧了它!除了参与蛋白质合成,一些氨基酸还可以通过分解,为三羧酸循环补充中间产物。说的就是,丙氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺啦。它们会通过一个叫AGA的通路“燃烧”,为三羧酸循环补充碳源,保证线粒体正常呼吸。
于是乎“一顿操作猛如虎”,其实就是在“故技重施”后,他们发现,AGA通路中的几个关键酶,在五种慢衰老小鼠模型中都呈现上调趋势,其中Oat蛋白更是明显上调!
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图注:红点代表AGA通路关键酶。横轴左侧为下降,右侧为上升;纵轴越高代表统计学显著性越强。在五种慢衰老小鼠模型中,多数红点落在右侧呈上调趋势。其中Oat蛋白在五种模型中全部显著上调(红色边框)
看来,这几种延寿方式虽然各有各的路子,但在肝脏代谢上,还真有些相似之处。而且,这种共同变化并没有止步于前面五种模型。研究人员又测试了另一种能延长小鼠寿命的药物:曲美替尼,一种能抑制MEK/ERK细胞生长信号通路的药物。
结果发现,曲美替尼处理后的小鼠,其肝脏同样复刻了这套变化:糖酵解酶下降,AGA通路氨基酸分解上升。
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图注:TRAM =曲美替尼;曲美替尼处理小鼠肝脏中糖酵解酶Gckr下降,糖异生酶Pck1上升,AGA氨基酸分解的Gpt1和Oat酶上升
但研究人员在体外用曲美替尼处理肝细胞后,却没有看到同样的变化。不仅糖酵解酶和AGA酶的蛋白水平都没有显著改变,多数mRNA甚至下调……
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图注: 体外曲美替尼处理肝细胞后,糖酵解酶和AGA酶的表达变化。A蛋白水平检测Pck1、Gckr、Gpt1;mRNA水平检测Pck1、Gckr、Gck、Pfkfb1。B mRNA水平检测Gpt1、Oat、Gls2、Glud1、Ass1、Adss1、Aldh5a1、Abat。与对照组相比,曲美替尼处理组(Tram)的蛋白水平均无显著改变,mRNA水平多数下调或无显著变化。
这说明,药物在体内引起的这套代谢变化,可能并不只是直接作用于肝细胞的结果,还需要某种来自全身的信号参与。这里有个值得怀疑的对象:胰高血糖素。
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胰高血糖素:“嘿嘿没想到吧,我也没想到。”
胰高血糖素是一种由胰腺分泌的激素,与大家熟悉的胰岛素共同参与血糖调节,在血糖下降时,胰高血糖素的分泌通常会增加,促进肝脏生成、释放葡萄糖。除此之外,它还参与调控肝脏的氨基酸分解,结合前面看到的代谢变化,它自然成了一个值得验证的候选信号。
于是,他们就用胰高血糖素类似物NNC分别进行了体内外实验,体外结果发现,NNC上调了Pck1和AGA酶;而连续30天给小鼠注射NNC后,肝脏中也出现了同样的变化:糖酵解酶下调,AGA酶上调。
这说明,单独增强胰高血糖素信号,就能够重现慢衰老小鼠肝脏中的部分关键代谢特征。
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图注:NNC处理的体内代表性实验结果图,糖异生酶Pck1;AGA酶Gpt1、Oat、Gls2上调,糖酵解酶Gckr下调
在NNC实验之后,研究人员进一步检测了慢衰老小鼠自身的胰高血糖素水平,发现胰高血糖素蛋白、胰高血糖素原mRNA和胰高血糖素加工酶mRNA均显著升高。卡格列净处理的小鼠也一样,而且雄性比雌性更明显。
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图注:代表性图,胰高血糖素Gcg蛋白水平,Snell和GHRKO小鼠胰腺中Gcg蛋白显著高于对照;Cana处理小鼠胰腺中Gcg蛋白也升高,且雄性更明显
此外,过往研究发现,多种长寿小鼠都有胰岛素/IGF-1信号下降、胰岛素敏感性增加的特点。而胰岛素低时,胰腺会分泌更多胰高血糖素。基于这些证据,研究人员提出了一个假说:胰岛素-胰高血糖素轴的组成部分,可能是多种延寿干预中代谢转变的基本调节因子。
不过,在这次研究涉及的三种氨基酸中,谷氨酰胺还有一个值得关注的地方。
此前,派派曾分享过一篇内容:在衰老细胞以及老年动物的部分组织中,谷氨酰胺分解异常增强,抑制这条路径反而能缓解部分衰老表型。
但Miller团队这次却发现,多种长寿小鼠的肝脏中,谷氨酰胺等氨基酸分解相关酶的蛋白水平普遍升高。乍一看,两项研究似乎得出了相反的结果。
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不过,两项研究观察的情况并不完全相同。衰老状态下,谷氨酰胺分解过度失控,通过精氨酸-mTORC1轴,持续激活促衰通路;而长寿干预下,谷氨酰胺分解适度上调,作为糖酵解被抑制后的代偿性能源,此时mTOR信号反而是下降的。一个是过度,一个是适度,看似相近,走向却天差地别。
结语
今年9月,一项发表于《Nature》的研究发现,GLP-1受体激动剂司美格鲁肽能够延长老年雌鼠寿命,并改善多项衰老相关指标。而本次内容,则为理解这类药物的机制提供了一条新线索。
两者都来自同一个前体——胰高血糖素原,经过不同组织的加工,形成具有不同生理功能的激素。综合来看,未来值得更进一步探索胰高血糖素/GLP-1双激动剂(如Mazdutide)、口服胰高血糖素受体激动剂以及GLP-1受体类似物等药物的抗衰潜力和机制。
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