cell子刊 | 多組學揭示甘氨酸-絲氨酸-蘇氨酸代謝軸抵抗小鼠衰老機制
慢性熱量限制(cr)對健康和生存的影響是複雜的，人們對其潛在的分子機制知之甚少。最近在老鼠身上進行的一項關于非人類靈長類cr研究中使用的飲食的研究發現，雖然飲食結構不會影響壽命，但禁食時間和總卡路裡攝入量是提高存活率的決定性因素。本研究通過轉錄+蛋白+代謝多組學聯合分析和綜合途徑富集，探讨兩種飲食和不同喂養政策的小鼠壽命和健康相關的代謝樞紐，發現甘氨酸-絲氨酸-蘇氨酸代謝軸可能參與長壽及其相關的分子機制。不同喂養政策的直接比較揭示了一種共同的改善健康、增加壽命的代謝模式，包括短鍊脂肪酸和必需的多不飽和脂肪酸新陳代謝。
● 期刊：cell metab.
● if=22.415
● 發表時間：2020-05
研究路線
研究結果
>> 1. nia或wis飲食喂養方式對雄性小鼠健康的影響
針對飲食組成和喂養方式對小鼠生理的影響，作者進行了一系列縱向研究（圖1a）。将292隻4個月大的雄性c57bl / 6j小鼠随機分為al（自由進食），cr（熱量限制）或mf（一日一餐）方案下的nia和wis飲食組。cr和mf小鼠每天下午3:00接受單餐。nmr結果顯示，與al組相比，cr和mf小鼠的肥胖率顯著降低（圖1b，上圖）；mf和al小鼠的瘦脂比相似，并且與cr小鼠相比明顯更低（圖1b，下圖）。空腹血糖檢測發現，兩種飲食下所有小鼠的空腹血糖（fbg）水準相對穩定，在wis飲食下，fbg水準略高（圖1c）。對10和14個月大的小鼠進行口服葡萄糖耐量測試（ogtt），cr小鼠的葡萄糖清除率均高于al（圖1d）。全面的實驗室動物監測系統（clams），通過呼吸測定法對10個月大的小鼠進行三個明/暗周期體内代謝節律監測。al小鼠晝夜呼吸交換率（rer）節律較弱，mf和cr小鼠的晝夜節律性均明顯，表明對脂肪酸（fa）的氧化具有更高的代謝依賴性。
>> 2. 肝轉錄組和代謝組學對飲食組成和喂養範例的反應
對al、mf或cr喂養nia或wis飲食的小鼠肝髒進行了cdna微陣列分析，确定轉錄反應。同時，對小鼠的肝髒進行了非靶向質譜代謝組學。主成分分析（pca）（圖2a）和偏最小二乘判别分析（plsda）分析顯示al和cr之間明顯分離，但mf組與al的重疊更大，尤其是在wis飲食中（圖2b）。獨立于飲食（nia或wis），與al（圖2c）相比，cr（700個基因，19個代謝物）和mf（69個基因，17個代謝物）顯示出顯著上調或下調（圖2c）。mf途徑集中于氨基酸，fa和蛋白質前體（嘌呤和嘧啶）合成的中央分解代謝和合成代謝途徑（圖2e）。cr特定的途徑包括排毒，維持分子更新和提供能量（圖2d）。這些資料表明，相對于al，cr通過對排毒和維持氧化還原平衡的肝髒保護機制來增加機體壽命。
圖2 肝提取物的多組學分析：壽命的特定途徑
>> 3.甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝的單碳、蛋氨酸和硫途徑是生命的主要途徑
為了深入了解可能有助于延長壽命的作用途徑，分析發現cr和mf之間共有21個基因（表s1）和10種代謝物（圖3a），其中最富集的途徑是氨酰基t-rna生物合成。甘氨酸（gly），絲氨酸（ser）和蘇氨酸（thr），谷胱甘肽，牛磺酸-小牛磺酸和半胱氨酸-蛋氨酸的代謝途徑是根據富集分數排名最高的分解代謝和氧化還原相關的途徑（圖3b）。拓撲分析顯示， gly-ser-thr之間的互相作用與幾種高度重要的生物學途徑相關聯（圖3c和3d）。gly-ser-thr可通過兩種酶（絲氨酸羟甲基轉移酶（shmt）和蘇氨酸醛縮酶）的作用可逆地互相轉化（圖3c）。ser是與甲硫氨酸循環直接相關的核苷酸合成的一個碳庫的來源（圖3d）。
>> 4.涉及mf和cr反應的肝途徑
針對不同飲食政策小鼠分别進行了jpa分析，并根據富集和拓撲結構對前20條途徑進行排名（圖4b）。通過丙酰輔酶a羧化酶（pcc）催化，丙酰輔酶a被羧化以産生甲基丙二酰輔酶a，其經由琥珀酰輔酶a進入tca循環（圖4c）。丙酸代謝與線粒體代謝（bcaa，fa和酮體降解）之間的聯系是由膽固醇，缬氨酸，奇鍊fa，蛋氨酸，異亮氨酸和蘇氨酸的分解代謝産生的（圖4c）。維恩圖表征三種喂養方案中常見的基因和代謝産物（圖4d）。根據綜合的富集和網絡拓撲名額（圖4e），六個共享途徑中的四個（細胞色素p450的異物和藥物，谷胱甘肽，omega-6亞油酸代謝）位于“核心途徑”的頂部。除上述途徑外，牛磺酸-小牛磺酸和半胱氨酸蛋氨酸的代謝（通過谷胱甘肽；見圖3d）和脂質代謝（通過α-亞麻酸）密切相關，如花生四烯酸，甘油磷脂（圖4f）。
nia飲食與各種途徑相關，例如“異種生物和藥物通過細胞色素p450的代謝”，“u6 pufa亞油酸”和“nad拯救”，而wis飲食主要是促進中樞分解代謝的途徑，即碳水化合物，氨基酸和tca循環（圖5，将圖5e與5b進行比較）。三種飲食方案表明與排毒、抗氧化劑、能量和信号傳導途徑（包括途徑和途徑）相關的過程之間具有高度的拓撲連通性和功能互補性，進而會進一步影響機體免疫力和發炎代謝産物。
>> 5.與壽命調節相關的肝因子對飲食和喂養方式有響應
al-mf-cr導緻禁食期逐漸延長，顯示sirt1和nampt蛋白水準降低，但nia飲食中ampk升高（圖6a和6b）。重要的是，ampka表達與sirt1具體相關而不是sirt6（圖6c）。nampt的豐度也與sirt1相關，但與sirt6或ampk不相關（圖6a-6c）。兩種飲食類型，cr中的amp含量均顯著升高（圖6d）。
>> 6.驗證試驗
禁食時間引起小鼠和nhp在肝髒中發生類似的代謝重塑。代謝組學顯示，在血清中鑒定出173種代謝物，其中pls-da顯示al和cr組之間分離趨勢明顯，尤其是在nia隊列中（圖7a）。采用相似的方法來分析目前小鼠的血清，發現155種代謝物， al，mf和cr之間的pls-da分析表現出良好的分離性（圖7b）。與wis相比，nia中尿素循環的總體血清代謝産物，例如富馬酸鹽，瓜氨酸和n-乙酰谷氨酸（一種氨基甲酰磷酸合酶的變構效應物），含量較低。其中氨基酸成分（綠色箭頭）被确定為肝髒和血清飲食中與壽命相關的因素。肝gly-ser-thr代謝均與壽命呈正相關（圖7d，上圖），而大多數循環氨基酸與壽命呈負相關（圖7d，下圖）。在34種血清代謝産物中，有7種是對cr的應答，并且屬于與禁食相關的代謝途徑，包括氨基酸和脂質代謝，氨循環，尿素循環，fa氧化和pufa（圖7e和7f）。是以，cr引起的代謝重塑在小鼠和猴子之間是相似的，表明在這些相當遙遠的物種之間對cr的潛在代謝反應是保守的。
研究結論
本實驗基于轉錄+蛋白+代謝組學聯合分析，研究了nia和wis飲食喂養下的三種不同進食方式的雄性c57bl/6j小鼠，多組學共同揭示了甘氨酸-絲氨酸-蘇氨酸代謝軸可能參與長壽及其相關的分子機制。最終還在猴子物種上得到驗證，在猴子肝髒中發現了類似的代謝重塑。
科研延伸
多組學研究從多分子層次出發，系統研究dna、rna、蛋白質和小分子間的互相作用和系機制，已作為推動科學研究熱點受到廣泛關注，并成為發高分文章的一個重要突破點。邁維代謝擁有自己的核心專利技術——廣泛靶向，可以同時達到高通量、廣覆寫、準确定性定量的高要求。此外，邁維代謝不僅提供廣靶、靶向檢測，更有多組學産品——代謝+轉錄組、代謝+微生物組、代謝+基因組（mgwas）、代謝+蛋白組等，為您提供一站式服務。
助力科研
邁維代謝
武漢邁特維爾生物科技有限公司（簡稱“邁維代謝”）位于武漢國家生物産業基地--光谷生物城，專注于提供領先的代謝組學技術開發及服務。邁維代謝創新了“廣泛靶向代謝組”技術，基于“代謝組+基因組+轉錄組”多組學研究方案，近年來以通訊作者身份在cell、nature communications 、nature genetics 、pnas等國際學術期刊發表多篇論文，引領基因組時代的代謝生物學研究新方向。