林圣彩团队长期且系统地致力于葡萄糖感知机制到辟谷/间歇性饥饿与长寿的原理研究,解析了细胞的葡萄糖感知以及偶联到AMPK激活的全新机制即开创性发现的“AMPK活化的溶酶体通路”,围绕AMPK激活发表了一系列重量级文章。
2022年2月,该团队在Nature上发表题为“Low-dose metformin targets the lysosome–AMPK
pathway through PEN2”的文章,用“钓鱼”的方法破解了二甲双胍直接作用靶点之谜,找到了二甲双胍的分子靶点——PEN2,能够介导二甲双胍启动溶酶体途径激活AMPK。敲除PEN2后,二甲双胍不但不能激活AMPK,它对于降低脂肪肝、缓解高血糖、延长寿命等诸多效果就都不存在,充分说明二甲双胍通过PEN2激活AMPK,并起到各种功效,即PEN2是二甲双胍的靶点。
近日,该团队在Nature上同时发表2篇文章,聚焦于4个关键词“卡路里限制”,“衰老”,“AMPK”,“石胆酸”
第一篇文章:从卡路里限制小鼠的血清出发,经过代谢组学鉴定和随后的逐个排查,最终找到了卡路里限制的模拟物——石胆酸,并在线虫、果蝇和小鼠中分别验证了石胆酸延缓衰老,延长寿命的作用。
第二篇文章:作者进一步探索石胆酸的作用机制,最终找到了石胆酸的分子靶点——TULP3,并发现了TULP3能够通过激活sirtuin-v-ATPase信号轴,激活在卡路里限制中起到延缓衰老关键作用的AMPK。
现对两篇文章做细致解析:
文献1:石胆酸发挥类似于热量限制的抗衰老作用
1、来自CR处理小鼠的血清可以激活细胞和小鼠中的AMPK
在这项研究中,作者推断热量限制(CR)后发生变化的血清代谢物可能具有在细胞和生物体水平上诱导有益作用的能力。从经CR 4个月的小鼠制备的血清(CR血清)足以激活小鼠胚胎成纤维细胞(MEF) 、HEK293T细胞、原代肝细胞和原代肌细胞中的AMPK。通过测量AMPKα(pAMPKα)和底物乙酰辅酶A羧化酶(pACC)的磷酸化水平来评估AMPK活化。此外,将CR血清灌注到随意饮食的小鼠中导致肝脏和肌肉中的AMPK激活,这表明CR血清足以在生物体水平上激活AMPK。
在56°C加热后,CR血清保留了在培养细胞中激活AMPK的能力,而透析的CR血清则不能,这些结果表明,CR血清中存在的热稳定、低分子量代谢物可以赋予激活AMPK的能力。接下来,作者对CR处理的小鼠和非CR处理的小鼠(对照血清)制备的血清样品进行了一系列代谢组学分析。
将CR血清通过亲脂性Lipidex柱后,该柱可吸收非极性化合物和脂质,洗脱的馏分仍然保留了在MEF中激活AMPK的能力,结果表明非极性化合物和脂质可能不参与AMPK激活。因此,作者专注于CR后发生改变的极性代谢物(212种增加,129种减少),并评估了这些代谢物在MEF中激活AMP 的能力。在CR后增加的212种代谢物中,有204种进行了MEF中AMPK活化的检测(8种由于无法合成代谢物或法律禁止而未进行检测),鉴定出6种代谢物可激活AMPK(图1)。
图1 来自CR处理小鼠的血清可以激活细胞和小鼠中的AMPK
2、LCA在CR后增加并负责AMPK激活
在初步筛选测定中鉴定的六种AMPK激活代谢物中,在MEF、HEK293T细胞、原代肝细胞和原代肌细胞中测试时,LCA是唯一在培养基中以1μM 激活AMPK的代谢物(浓度类似于CR后血清中检测到的浓度)。与AMPK 激活一致,pACC增加,并且mTORC1被抑制。此外,当CR血清通过Lipidex色谱柱时,LCA被部分吸收(约30%),这解释了为什么过滤后的CR血清显示激活AMPK的能力降低。值得注意的是,尽管其他胆汁酸在CR期间上调,但它们并没有激活AMPK。此外,LCA衍生物在MEF中也没有激活AMPK。这些结果表明LCA是CR血清中的一种特异性代谢物,可在生理浓度下激活AMPK(图2)。
图2 LCA在CR后增加并负责AMPK激活
3、LCA发挥抗衰老效果依赖于AMPK
接下来,作者评估了了LCA对衰老相关表型的影响。结果显示,对老年雄性和雌性小鼠施用LCA 1个月可改善肌肉性能的各个方面,其程度与CR期间观察到的相似。值得注意的是,LCA 给药不会导致肌肉流失,这一结果与CR后小鼠和人类肌肉含量的减少形成鲜明对比。与肌肉功能的改善一致,LCA治疗改善了与年龄相关的葡萄糖耐量不良和胰岛素抵抗。而敲除小鼠肌肉中的AMPKα抑制了LCA在改善肌肉功能方面的作用(图3)。
图3 LCA发挥抗衰老效果依赖于AMPK
4、LCA延长了寿命和健康寿命
接下来,作者测试了LCA是否可以延长使用寿命。使用秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇作为模型,因为CR可以诱导其寿命延长,且依赖于AMPK。结果显示LCA显著改善了线虫和果蝇的寿命和健康寿命。而敲除线虫和果蝇中的AMPK消除了LCA的所有抗衰老作用,这表明AMPK对于LCA的效果是必需的。最后,作者测试了LCA对小鼠寿命的影响,结果显示LCA增加小鼠的中位寿命。因此,LCA处理足以模拟CR对线虫、果蝇和小鼠的抗衰老作用(图4)。
图4 LCA延长了寿命和健康寿命
文献2:石胆酸结合TULP3激活sirtuins和AMPK以延缓衰老
1、LCA导致v-ATP酶脱乙酰化以激活AMPK
在这项研究中,作者测试了LCA是否通过溶酶体途径激活AMPK。结果显示LCA诱导AXIN-LKB1转位到小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)中的溶酶体,增加AXIN-LKB1和v-ATP 酶-Ragulator 之间复合物的形成,抑制了MEF中的v-ATP酶,而敲除编码v-ATP酶、Axin1或Lamtor1(编码 Ragulator 的一个亚基)阻止了LCA介导的AMPK 激活。结果表明LCA抑制v-ATP酶通过溶酶体途径激活AMPK。
接下来,作者探讨了LCA如何抑制v-ATP酶,发现LCA在醛缩酶和TRPV受体的下游发挥作用,进入溶酶体AMPK通路。进一步作者想知道 v-ATP 酶的翻译后修饰是否可能是 LCA 介导的 AMPK 激活的起始点,免疫沉淀结合质谱发现v-ATP酶乙酰化最常见,添加抑制去乙酰酶的烟酰胺和曲古抑素A,阻止了 LCA 介导的 AMPK 激活,表明去乙酰化是 LCA 的一种可能作用机制,进一步深入研究确定了关键氨基酸残基,这些数据表明LCA对V1E1的去乙酰化通过溶酶体途径激活AMPK(图5)。
图5 LCA导致v-ATP酶去乙酰化以激活AMPK
2、去乙酰化酶是 v-ATP 酶去乙酰所必需的
接下来,作者探讨了LCA如何导致V1E1去乙酰化。Sirtuin去乙酰酶家族(SIRT1-SIRT7)的任何成员的异位表达,但不是其显性阴性突变体,足以导致V1E1脱乙酰化。相比之下,没有组蛋白脱乙酰酶(HDAC1-HDAC11)使K99去乙酰。这些结果表明sirtuins而不是HDAC参与V1E1的去乙酰化。此外,敲除编码 SIRT1-SIRT7 的基因 (Sirt1-7–/–) 阻断了LCA诱导的V1E1 脱乙酰化、v-ATP酶抑制和AMPK激活,而将单个sirtuins重新引入Sirt1-7–/–MEF部分恢复了LCA的AMPK激活,SIRT1产生最强的效果。此外,LCA在仅表达SIRT3-SIRT5的MEF中激活了AMPK和脱乙酰化V1E1(图6)。
图6 去乙酰化酶是 v-ATP 酶脱乙酰所必需的
3、TULP3 是LCA的结合蛋白,用于激活sirtuins
然后,作者探讨了LCA如何激活sirtuins。结果发现在使用无细胞系统中(纯化的SIRT1与LCA孵育),LCA没有激活SIRT1,此外,pulldown发现LCA不与SIRT1结合。然而,在与MEF的裂解物预孵育后,添加LCA后,SIRT1活性增加,这些观察结果表明,LCA通过细胞裂解物中的未知伴侣激活sirtuins。
通过Pulldown结合质谱鉴定发现1655种潜在的SIRT1结合蛋白,设计了所有1655种蛋白质的表达质粒,并验证了其中157种蛋白在HEK293T细胞中单独表达时可以被HA标记、MYC标记或Flag标记的SIRT1共免疫沉淀。然后,通过慢病毒介导的短发夹RNA沉默分别敲低MEF中的这157种蛋白质。敲低Tulp3(有报道可与SIRT1相互),使细胞对LCA处理不敏感。
接着,作者通过评估pAMPKα的水平、V1E1和组蛋白H3的乙酰化以及v-ATP酶的活性,证实了这一结果。敲除Tulp3的MEF证实了TULP3对LCA诱导的AMPK和sirtuins激活的需求。深入研究证实LCA可结合TULP3以激活SIRT1(图7)。
图7 TULP3是LCA的结合蛋白,用于激活sirtuins
4、LCA-TULP3-sirtuin-v-ATP酶轴发挥恢复活力的作用
接下来,作者确定了动物模型中TULP3-sirtuin-v-ATP酶轴是否介导LCA和CR的年轻化和抗衰老作用。结果显示V1E1(3KR)是 v-ATP 酶 V1E1 亚基的去乙酰化形式,其肌肉特异性表达导致AMPK激活,改善老年小鼠的肌肉功能,独立于LCA,而AMPK的肌肉特异性敲除损害了V1E1(3KR)表达带来的所有好处。肌肉特异性将TULP3(4G)重新引入肌肉特异性敲除Tulp3的小鼠中,阻断了CR介导的肌肉年轻化作用。
然后,作者使用秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇作为模型来测试TULP3和sirtuins在LCA对寿命调节中的依赖性。发现敲除 tub-1(线虫中的TULP3同源物)或敲除ktub(黑腹果蝇中TULP3同源物)损害LCA对AMPK的激活,并消除LCA 对寿命延长的影响。此外,tub-1和ktub都能够结合LCA,而这三个残基tub-1(3G)和ktub(3G)突变体的突变使各自的蛋白质无法介导AMPK 激活和LCA的寿命延长。将野生型 TULP3 而不是TULP3(4G)重新引入tub-1敲除蠕虫和ktub敲除果蝇中,恢复了LCA延长寿命的程度。线虫中去乙酰化酶的敲低和果蝇(敲除Sir2)损害了LCA诱导的AMPK 激活和寿命延长(图8)。
总之,这些结果表明TULP3–sirtuin–v-ATP酶轴通过v-ATP酶的V1E1亚基的去乙酰化将LCA信号传递到AMPK激活,最终在线虫、果蝇和小鼠中复制CR的有益作用。
图8 LCA-TULP3-sirtuin-v-ATP酶轴发挥恢复活力的作用
总结
厦门大学林圣彩院士团队从卡路里限制小鼠的血清出发,经过代谢组学鉴定和随后的逐个排查,最终找到了卡路里限制的模拟物:石胆酸(LCA),并在线虫,果蝇和小鼠中分别验证了石胆酸延缓衰老,延长寿命的作用。在此基础上,作者又进一步探索,最终找到了石胆酸的分子靶点——TULP3,并发现了TULP3能够通过激活sirtuin-v-ATPase信号轴,激活在卡路里限制中起到延缓衰老关键作用的AMPK(AMP-activated protein kinase)蛋白,从而延缓衰老(图9)。
图9 石胆酸激活TULP3-sirtuin-v-ATPase-AMPK通路重现热量限制抗衰作用
参考文献
Qu Q, Chen Y, Wang Y, Long S, Wang W, Yang
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Chen J, Xue S, Zhang B, Zheng ZZ, Piao HL, Jiang C, Guo H, Shui G, Deng X,
Zhang CS, Lin SC. Lithocholic acid phenocopies anti-ageing effects of calorie
restriction. Nature. 2024 Dec 18. doi: 10.1038/s41586-024-08329-5. Epub ahead
of print. PMID: 39695227.
Qu Q, Chen Y, Wang Y, Wang W, Long S, Yang
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Xie ZK, Sun B, Tian H, Yu Y, Piao HL, Xie XS, Deng X, Zhang CS, Lin SC.
Lithocholic acid binds TULP3 to activate sirtuins and AMPK to slow down ageing.
Nature. 2024 Dec 18. doi: 10.1038/s41586-024-08348-2. Epub ahead of print.
PMID: 39695235.
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