長(zhǎng)壽，對(duì)人類來說是一個(gè)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(jìn)一步延長(zhǎng)壽命。在小鼠、酵母、線蟲和靈長(zhǎng)類動(dòng)物的研究中，人們都觀察到卡路里限制對(duì)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(shí)際生活中，人們很難堅(jiān)持卡路里限制。而且，攝入較少的能量會(huì)增加營養(yǎng)不良的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)影響肌肉和骨骼組織，特別是對(duì)老年人而言。因此，科學(xué)家們一直在探索卡路里限制延長(zhǎng)壽命的分子機(jī)制，試圖通過科學(xué)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(huì)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(chǎn)物的變化帶來了生理益處。
 
近日，廈門大學(xué)林圣彩院士團(tuán)隊(duì)利用代謝組學(xué)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(yàn)證。通過對(duì)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(zhǎng)壽命的作用。這項(xiàng)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(xiàng)研究中，研究人員利用高效液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS）、氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）以及毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（CE-MS）等技術(shù)來分析卡路里限制后代謝產(chǎn)物的變化。他們?cè)谛∈髮?shí)驗(yàn)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(cè)定肌肉相關(guān)標(biāo)志物的水平來評(píng)估小鼠的肌肉功能，并測(cè)定小鼠的運(yùn)動(dòng)能力和抓握力。他們還測(cè)定了線蟲和果蠅的自然壽命和健康壽命。
 
技術(shù)路線
   
研究結(jié)果
1. 血清中的代謝物可激活A(yù)MPK
 
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(dǎo)有益作用。在接受卡路里限制4個(gè)月后，小鼠血清（CR血清）足以激活小鼠胚胎成纖維細(xì)胞、HKE293T細(xì)胞及原代肝細(xì)胞和肌細(xì)胞中的AMP活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK被認(rèn)為是關(guān)鍵分子，介導(dǎo)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(dǎo)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(xì)胞中的AMPK，但透析后無法激活。這些結(jié)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A(yù)MPK。
 
2. 石膽酸可激活小鼠體內(nèi)的AMPK
 
接下來，研究人員對(duì)CR處理小鼠和非CR處理小鼠的血清樣本進(jìn)行了一系列代謝組學(xué)分析。他們采用多種質(zhì)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(duì)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(diǎn)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(jīng)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A(yù)MPK，而水平降低的代謝物均未顯示出對(duì)AMPK的抑制作用。利用MEF、HEK293T等細(xì)胞測(cè)試時(shí)，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(cè)得的濃度相似）時(shí)能激活A(yù)MPK的化合物（圖1）。在卡路里限制4個(gè)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(cè)定了石膽酸是否可以激活小鼠體內(nèi)的AMPK。他們發(fā)現(xiàn)，在飲用水中添加1 g/L的石膽酸會(huì)導(dǎo)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(cè)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(huì)導(dǎo)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A(yù)MPK。這些結(jié)果表明石膽酸足以介導(dǎo)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(duì)衰老相關(guān)表型的影響。喂食石膽酸一個(gè)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(shí)，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(yùn)動(dòng)能力（跑步距離和時(shí)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(zhǎng)線蟲和果蠅的壽命
 
最后，他們測(cè)試了石膽酸是否能延長(zhǎng)壽命。他們選擇線蟲和果蠅作為模型，因?yàn)榭�路里限制可以誘導(dǎo)其壽命延長(zhǎng)，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(zhǎng)到27天。雄性果蠅的壽命從47天延長(zhǎng)到52天，雌性果蠅的壽命從52天延長(zhǎng)到56天（圖3）。石膽酸還能提高線蟲和果蠅的抗氧化應(yīng)激能力，并改善果蠅對(duì)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(jié)果表明，石膽酸處理足以模擬卡路里限制對(duì)線蟲、果蠅和小鼠的抗衰老作用。
   
結(jié)論
這項(xiàng)研究提供了多項(xiàng)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(nèi)激活A(yù)MPK，并在線蟲和果蠅中產(chǎn)生了延長(zhǎng)壽命和增進(jìn)健康的作用。在這三種動(dòng)物模型中，AMPK的敲除都能消除石膽酸誘導(dǎo)的表型�？傊�，這些結(jié)果表明單獨(dú)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