节律性自噬——间歇性断食延长寿命的关键

2021-10-23 19:07:05 BioArt

撰文 | 阿童木

责编 | 兮

间歇性断食(Intermittent fasting)是一种近年来流行的间歇性进食方式的统称,包括在一个期间内进行的断食与进食循环,研究发现间歇性断食是减少热量摄取,减轻体重,减少体脂肪量及改善胰岛素敏感性的可行策略【1】。间歇性断食可分为两种:一种是全天断食,即进行严格的24小时断食与24小时非断食的规律循环;另一种是限时进食(Time-restricted feeding, TRF),即将每日进食限制在有限的几个小时以内,其余时间严格断食【2】

图1 间歇性断食影响细胞代谢的机制【1】

近年来,TRF因在果蝇和高等动物中被证实能够延缓衰老以及延长寿命而受到瞩目【3,4】。TRF主要是通过控制进食时间而非进食量而实现对机体代谢与寿命的控制的,因此不难推测TRF发挥作用离不开对生物节律的调控,即便如此,二者的内在关联性与潜在的调节机制目前仍不清楚。

2021年9月29日,哥伦比亚大学Mimi Shirasu-Hiza领衔教授在Nature杂志发表了题为 Circadian autophagy drives iTRF-mediated longevity 的文章,发现对果蝇进行间歇性TRF(intermittent TRF, iTRF)干预会通过影响节律性自噬反应延长果蝇寿命,并能够延缓肌肉和肠道等器官的衰老。夜间特异性的自噬活性提高是延长果蝇寿命的重复必要条件,鉴于昼夜节律和细胞自噬的调节机制在进化上的高度保守性,本研究为通过干预节律性自噬而在高等动物中延缓衰老和延长寿命提供了新的思路。

首先,作者对能够延长果蝇寿命的TRF策略进行了筛选,发现果蝇从早晨中段(mid-morning)开始,每隔一天禁食20小时,禁食日之间的恢复日果蝇可随意饮食,该策略相比其他饮食干预模型(全天自由进食;日间12h进食-夜间12h饥饿交替进行;24h饥饿与1-2天自由进食交替进行)能够显著延长非衰老果蝇的寿命。作者将该TRF策略称之为间歇性限时进食(intermittent TRF, iTRF)(图2)

图2 果蝇iTRF进食干预策略

接下来作者探究了iTRF延长果蝇寿命的机制。首先,作者证实iTRF延长寿命并不是通过抑制果蝇热量和营养摄入而导致的,并且与类胰岛素信号无关。随后,作者通过检测与衰老相关的生理变化,评估了iTRF的抗衰老效果,发现ITRF能缓解衰老果蝇肌肉机能的下降,抑制蛋白异常积累,促进肠道稳态的维持。可见,iTRF能够作用于肌肉、神经和肠道等多种组织,通过促进健康寿命(healthspan)的持续并抑制多组织衰老而延长机体寿命。

基于上述结果,iTRF并没有改变果蝇营养状态,而仅仅改变了果蝇的进食时间,因此作者推测iTRF发挥作用很可能与节律调节有关。通过基因表达分析,作者首先发现iTRF与TRF类似,均能诱导节律控制基因(Clk、per和tim)的表达,且在夜间/饥饿期尤为显著,iTRF对寿命的调节离不开节律控制基因介导的正常睡眠节律。其次,与夜间饥饿处理相比,日间饥饿型iTRF并不能延长果蝇寿命,表明iTRF延长果蝇寿命需要夜间饥饿与睡眠的耦合。

饥饿能够诱导细胞的自噬反应, 作者因此检测了iTRF能够影响细胞自噬。首先,作者发现自噬调节基因(atg1和atg8a)的表达受节律影响,夜间表达量显著上升,而iTRF能够进一步诱导自噬调节基因的夜间表达水平。其次,通过检测自噬标志物、自噬流和自噬体的变化,作者发现iTRF促进自噬依赖于生物节律,而iTRF诱导果蝇寿命延长与自噬息息相关。第三,自噬调节信号(AMPK和TOR)能够影响iTRF介导的寿命延长表型,直接抑制atg1/8a表达会阻滞iTRF诱导的寿命延长。因此,iTRF诱导果蝇长寿离不开自噬反应的活化。

利用上述实验明确了iTRF与生物节律,以及iTRF与自噬的依赖性关系后,作者更进一步地探究了iTRF延长寿命的关键是否是自噬与节律的综合性影响,即节律性自噬(circadian autophagy)的影响。首先,夜间敲低自噬调节基因的表达会阻滞iTRF诱导的寿命延长,而仅仅在夜间诱导自噬反应并不足以延长正常进食或iTRF果蝇的寿命。其次,夜间抑制atg1表达会阻滞iTRF诱导的健康寿命的延长,而夜间诱导atg1表达会延长正常进食果蝇的寿命,表明自噬调节基因的节律性表达是iTRF诱导果蝇(健康)寿命延长的充分必要条件。第三,与夜间诱导或抑制自噬调节基因表达所产生的现象不同,日间饥饿同时诱导atg1表达并不能延长果蝇寿命。因此,节律依赖性(夜间)巨噬调控了iTRF介导的果蝇寿命延长效应。

图3 iTRF通过调节节律性自噬延长果蝇寿命

虽然节律与自噬独立控制机体衰老和寿命的机制已有研究,但本研究的创新之处在于巧妙设计了节律相关的膳食干预模型,并利用iTRF饮食干预模型,证实了节律性自噬在寿命调节中的关键作用(图3)。此外,探明高等动物中是否也存在类似调节机制,并通过模拟iTRF策略而研发相关的抗衰老药物,未来可期。

另外,在同期,Brown University的Stephen L. Helfand和NIH的Rafael de Cabo发表了观点文章How overnight fasting could extend lifespan,对该文章进行了评述。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03934-0

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01578-8

制版人:十一

参考文献

1. de Cabo R, et al. Effects of intermittent fasting on health, aging, and disease. New England Journal of Medicine, 2019, 381(26): 2541-2551.

2. Patterson R E, et al. Metabolic effects of intermittent fasting. Annual review of nutrition, 2017, 37.

3. Villanueva, J. E. et al. Time-restricted feeding restores muscle function in Drosophila models of obesity and circadian-rhythm disruption. Nature Communications. 2019,10, 2700.

4. Chaix, A. et al. Time-restricted feeding is a preventative and therapeutic intervention against diverse nutritional challenges. Cell Metabolism. 2014, 20, 991–1005.

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