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Cell子刊封面:阴阳相生--线粒体动态变化与细胞功能,热量限制能够延长寿命?

MK-MRI市场部 发布日期:2023-06-16 共433人围观

背景介绍

越来越多的科学研究发现:热量限制能够延长寿命。然而,寿命的延长以及细胞功能的维护都依赖于能量的产生。这种看似矛盾的事物联系,让我们不禁好奇:限制热量能够延长寿命的机制究竟是什么呢?近日,哈佛大学William B. Mair课题组在Cell Metabolism上发表封面文章,在线虫这种模式动物中,从线粒体稳态的角度阐述了“热量限制延长寿命”的机制。

线粒体是是细胞的能量工厂,其内、外膜上分布的酶、蛋白质是氧化呼吸链的重要组成,直接参与产能过程。线粒体也是处于高度动态转变的细胞器,通过不断地进行裂变和融合,对内、外膜上的产能呼吸链发挥调节作用。这种裂变和融合的动态平衡对于维持细胞的产能等多项正常功能至关重要。当动态平衡被打破,线粒体的功能异常则会导致一系列与衰老相关的疾病(如:帕金森综合征、阿尔兹海默症)。尽管线粒体的稳态与衰老密切相关,但是其中的机制机制仍不明确。因此,线粒体裂变和融合之间的调控机制以及动态网络重塑成为衰老相关研究的热点。

该篇论文表明,热量限制和间歇性禁食之类的干预能通过线粒体和过氧化物酶体的重塑,进而促进脂肪酸氧化代谢,最终延长寿命。

该研究成果于2017年12月发表在Cell子刊《Cell Metabolism》(IF=18.164)上。

研究内容

第一阶段:确认线粒体稳态与长寿的关系

第一步:线粒体融合能够维持年轻的线粒体形态

      首先,作者观察到,线虫肌肉细胞内线粒体网络的完整性会随着衰老而遭到破坏,线粒体彼此间的紧密连接度下降。而在构建的AMPK(AMP激活蛋白激酶)激活的长寿模型中(CA-AAK-2),线粒体的这种变化则会向后延迟,说明AMPK的激活能够促进线粒体的融合,并使线粒体形态维持在年轻状态。与野生型相比,AMPK的激活能够延长线虫的寿命;而在线粒体外膜或内膜融合能力缺失的转基因背景下(fzo-1 tm1133、eat-3 RNAi),AMPK则不能延长寿命,说明线粒体的融合在AMPK介导的长寿中具有重要的作用。

第二步:线粒体融合在控制饮食介导的长寿中具有重要作用

      在证明了线粒体融合在AMPK调节长寿中的重要性后,作者进一步猜想在其他调节长寿的信号通路中线粒体融合是否一样重要?

实验结果表明,抑制电子传递链(cco-1 RNAi)和胰岛素样生长因子信号通路(daf-2 RNAi)都能显著延长线虫的寿命,且在外膜融合能力缺失的条件下,这种作用仍然存在,说明线粒体融合在这两种情况下不是必要的。随后,作者构建了一种模拟控制饮食的转基因模型(eat-2 ad1116),在这种模型下观察到了与激活AMPK类似的现象(线粒体破碎延迟);而在给予控制性饮食的线虫组(AL组给予1011 cfu/ml细菌,DR组给予108 cfu/ml细菌),也观察到了类似的变化。且与对照组相比,DR组能够显著延长线虫的寿命,但在线粒体融合功能缺失的基因背景下,这种作用消失。以上的结果表明,在其他长寿信号通路中线粒体融合并非必须的,但在控制饮食介导的长寿中则有重要作用。

第三步:确认线粒体融合作用的组织特异性

      鉴于线粒体融合在AMPK和控制饮食介导的长寿中具有重要作用,且线粒体融合蛋白广泛表达于所有细胞,那它的这种功能是否存在组织特异性?

作者在线粒体外膜融合能力缺失的基因背景下,同时过表达fzo-1的cDNA,使其恢复线粒体的融合能力、逆转线粒体网络破碎的情况。实验结果表明,在外膜融合能力缺失的情况下AMPK不能延长寿命,当将线虫中所有组织细胞的线粒体融合能力恢复后,AMPK的激活又能够继续延长寿命,仅恢复线虫肌肉细胞和肠细胞中线粒体融合能力也能继续延长线虫的寿命,但在神经细胞中并不能观察到类似现象。并且在用AMPK激动剂(phenformin)后,在肠细胞中也观察到了和肌肉细胞中类似的线粒体结构变化。以上的这些结果表明仅外周组织细胞中线粒体融合对于AMPK激活所引起的长寿是必须的,其作用具有一定的组织特异性。

第四步:AMPK和饮食控制通过维持线粒体稳态来延长寿命

      既然线粒体融合在AMPK介导的长寿中具有重要作用,那么促进线粒体融合是否就能直接延长寿命?因此,作者又构建了线粒体裂变功能缺失的线虫模型(drp-1 tm1108),但其寿命与对照组相比无显著性差异。基于这样的结果,作者提出了新的猜想:AMPK延长寿命可能并不是通过促进线粒体融合来实现的,而是通过保证裂变和融合之间的平衡来维持线粒体稳态。实验结果也证实了这样的猜想,在线粒体裂变能力缺失的条件下,AMPK对寿命的延长作用也消失了,并且这种现象仅存在于AMPK激活及控制饮食的条件下,其他条件未能观察到类似的结果。上述结果表明,AMPK和饮食控制通过维持线粒体融合和裂变之间的平衡来延长寿命。

第五步:维持线粒体网络稳态对于延长寿命至关重要

      为了进一步验证线粒体稳态与寿命之间的关系,作者又构建了和foz-1双基因突变模型(即线粒体的裂变和融合能力都丧失)。有趣的是,仅在drp-1突变或foz-1突变的情况下,线粒体的结构都会随着年龄增长而破碎;但在两个基因同时突变的情况下,线粒体网络处于一种稳态,且不随年龄而改变。随即,作者检测了线粒体稳态失衡对其功能的影响,发现在双基因突变组,线虫细胞和的哺乳动物细胞的基础呼吸都升高,且其寿命显著延长。以上结果表明,维持机体线粒体网络的稳态即可延长寿命。

第六步:线粒体网络可塑性对于间歇性饮食延长寿命

      线粒体的融合和裂变对于众多生物学过程都有着重要作用,但在干扰了线粒体的裂变和融合能力后,线虫的寿命却得到了延长。根据这一现象,作者又提出了一个新的假设:在正常稳定的实验条件下,这种线粒体平衡或许是有利的;但是当环境条件发生改变,需要细胞做出适应性的代谢变化时,线粒体网络可塑性的缺乏可能就是有害的。所以作者观察在间歇性饮食(Intermittent fasting, IF)条件下的变化,IF前期曾被报道能够延长寿命,并且对哺乳动物的健康是有益的。野生型网络重塑,而双敲组则没有明显变化。在野生型,IF能延长寿命,但是在双敲的条件下,则无效,说明线粒体网络的可塑性的重要性。


第二阶段:线粒体稳态延长寿命的机制探讨

第一步:线粒体可以通过脂肪酸氧化和过氧化物酶体的相互作用来延长寿命

      作者进一步对线粒体稳态与寿命之间的机制进行探讨,在排除了稳态对线粒体自噬的影响后,猜想线粒体稳态可能是通过代谢重编程来延长寿命。对不同线粒体状态的细胞代谢产物进行分析,发现随着线粒体网络结构破坏,其细胞代谢功能确实出现紊乱。且在drp-1和foz-1两个基因同时突变的情况下,线虫细胞的代谢变化更为明显,多个三羧酸循环的中间代谢产物都下降,长链酰基肉碱发生了显著的改变,说明脂肪酸的氧化过程发生了改变。因此,作者进一步探索脂肪酸氧化在其中的作用,发现线虫在给予派克替林(棕榈酰基转移酶抑制剂)之后,双基因突变线虫模型对寿命的延长作用被抑制了,说明线粒体稳态对寿命的延长作用是通过增加脂肪酸氧化来实现的。


通常情况下,对脂肪酸的调节是通过线粒体与过氧化物酶体相互作用来实现的。作者进一步验证过氧化物酶体在长寿中的作用,发现在双基因突变的线虫体内过氧化物酶体融合度更高,体积更大。而在干扰了过氧化物酶体的功能之后,对寿命的延长作用消失,说明线粒体和过氧化物酶体能够共同增加脂肪酸氧化,维持线粒体稳态,从而延长寿命。

第二步:过氧化物酶体在AMPK和控制饮食介导的长寿中具有重要作用

      为了进一步确认AMPK就是通过维持线粒体稳态来发挥延寿作用的,作者再次进行实验发现,双基因突变和AMPK的激活对寿命的影响是一致的,说明两者作用于同一通路。那AMPK是否也需要脂肪酸氧化和过氧化物酶体的作用来延寿?实验结果表明,在给予派克替林后,AMPK对寿命的延长作用受到了抑制。另外,作者发现在年轻线虫饮食限制组过氧化物酶体的体积相对较小,但是随着年龄的增长,饮食限制组则能逆转过氧化物酶体的密度。而在干扰了过氧化物酶体功能之后,控制饮食对寿命的延长作用也受到了抑制。在AMPK激活后也观察到了类似的结果。上述所有结果表明,AMPK和控制饮食能够维持线粒体网络稳态,并通过与过氧化物酶体的介导的长寿中具有重要作用。



总结与亮点


阴阳相生是中国古老思想的精华,中医理论认为:人体生病是由于人体的阴阳失衡,治病的根本是帮助病人调节阴阳使其达到阴阳平衡的过程,如果一个人阴阳平衡了,身体自然会健康。随着现代生物医学的不断发展,阴阳学说也得到了全世界医学的关注和认可。

仅2016年有关阴阳关键词的医学英文论文已接近1,000篇,各种高影响力期刊也不断用阴阳太极图作为封面来阐释机体的内在分子机制,阴阳已逐渐成为一个正在风靡全世界的中国概念。本篇文章期望通过剖析线粒体稳态和长寿之间的关系,为机体的长寿或健康衰老提供新的借鉴和研究思路。而线粒体的这种介于裂变和融合之间的稳态关系与中医阴阳学说不谋而合,也为我们中医药研究提供了更多的思考与启发。中医的表里、寒热、虚实都是阴阳的体现,我们或许可以利用阴阳学说从分子生物学水平阐释人体的组织结构、生理功能及病理变化,并将其用于指导疾病的诊断和治疗。


文献参考:

Weir H J, Yao P, Huynh F K, et al. Dietary Restriction and AMPK Increase Lifespan via Mitochondrial Network and Peroxisome Remodeling[J]. Cell Metabolism, 2017.




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