Nature | 溶酶体与AMPK的协奏曲：抗衰老机制的新突破

生物探索

2024-12-19 16:35发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01石胆酸（LCA）被发现能够模拟热量限制（CR）的抗衰老效应，通过溶酶体信号通路激活AMPK。

02LCA能够增强去乙酰化酶Sirtuins的活性，从而去乙酰化并抑制溶酶体质子泵v-ATPase的关键亚基V1E1。

03除此之外，LCA还通过激活AMPK和重塑细胞代谢，实现代谢通路的精确调控。

04目前研究已在多种动物模型中验证了LCA的抗衰老效益，但其在人体内的安全性和有效性仍需进一步研究。

05未来抗衰老研究可围绕AMPK与溶酶体的双靶点策略展开，以开发更高效、更安全的抗衰老药物。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

衰老不仅是一个不可避免的生理过程，更与多种年龄相关疾病如心血管疾病、神经退行性疾病和代谢紊乱密切相关。如何延缓衰老、提升健康寿命（healthspan）一直是科学界的核心议题。近年来的研究表明，热量限制（Caloric Restriction, CR）作为一种非药物干预手段，不仅能有效延缓衰老，还能够改善多种物种的健康状况。然而，CR的分子机制却一直未被完全揭示，尤其是在细胞代谢和能量调控的层面，其核心调控因子如何响应这一干预仍存在许多未解之谜。

AMPK（AMP-活化蛋白激酶）作为能量代谢的关键调控者，一直被认为是CR带来抗衰老效益的重要介质。在热量限制条件下，AMPK的激活能够调节细胞能量平衡，提升线粒体功能并抑制炎症反应。然而，令人好奇的是，一种称为石胆酸（Lithocholic Acid, LCA）的胆汁酸代谢产物被发现能够模拟CR的抗衰老效应。这一发现不仅为代谢调控与衰老的研究打开了新的视野，更让研究者们开始探究LCA与AMPK之间的分子联系。

12月18日Nature的研究报道“Lithocholic acid binds TULP3 to activate sirtuins and AMPK to slow down ageing”，聚焦于LCA通过溶酶体信号通路（lysosomal signaling pathway）激活AMPK的机制。通过一系列生化、分子和动物实验，研究人员发现，LCA能够增强去乙酰化酶Sirtuins的活性，从而去乙酰化并抑制溶酶体质子泵v-ATPase的关键亚基V1E1。这一过程通过调控溶酶体葡萄糖感应通路，最终实现AMPK的激活，并带来与CR相似的抗衰老效益。这项研究不仅揭示了LCA在代谢和衰老调控中的重要作用，还为开发靶向AMPK的抗衰老策略提供了全新的分子靶点和理论依据。

衰老的“刹车”：热量限制与AMPK的角色

衰老是生命进程中的自然现象，但却伴随着多种代谢性疾病和生理功能的衰退。如何延缓这一过程并提升生命质量，成为科学界的重要研究方向。在众多抗衰老策略中，热量限制（Caloric Restriction, CR）因其广泛的跨物种适用性和显著的抗衰老效应，备受瞩目。从线虫到果蝇，再到哺乳动物的研究表明，长期减少热量摄入能够有效延缓衰老，并改善机体的健康状况。CR的奥秘究竟何在？答案的核心，指向了细胞代谢的“能量调控器”——AMPK（AMP-活化蛋白激酶）。

AMPK是细胞内的“能量卫士”，在能量不足（如低葡萄糖水平）时被激活，帮助细胞恢复能量平衡。它通过抑制能量消耗途径（如脂肪生成）并增强能量生成途径（如脂肪酸氧化和线粒体功能），在细胞代谢调控中扮演关键角色。在衰老过程中，AMPK的活性逐渐下降，导致细胞代谢紊乱、氧化应激和炎症的增加，而CR通过增强AMPK的活性，能够逆转这些衰老相关的变化。

研究发现，CR通过多种机制激活AMPK。其中，溶酶体这一细胞器在这一过程中发挥了独特作用。溶酶体作为能量传感的“中枢站”，在葡萄糖水平下降时启动AMPK信号通路，从而调控细胞的代谢状态。AMPK的激活不仅促进线粒体数量和质量的提升，还能够减少炎症和氧化损伤，这是CR抗衰老效益的核心。

此外，AMPK的作用不仅局限于代谢调控，它还通过与下游因子的协同作用参与调节细胞自噬、基因表达和蛋白质稳态，这些机制共同为延缓衰老提供支持。可以说，AMPK如同为细胞装上了一套智能“刹车系统”，在热量减少的情况下精准调控细胞代谢，帮助机体延缓衰老。

从胆汁酸到长寿：石胆酸的惊人发现

当我们谈论胆汁酸时，许多人会将其与脂肪代谢联系在一起。然而，研究人员最近发现，一种名为石胆酸（Lithocholic Acid, LCA）的胆汁酸代谢产物，不仅仅是消化系统的副产品，它还是一种“分子钥匙”，能够解锁抗衰老的新机制。LCA作为一种热量限制（CR）的模拟因子，可以在不改变饮食摄入的情况下诱导类似CR的抗衰老效应，这一发现为衰老和长寿研究带来了新的曙光。

研究显示，LCA在热量限制的条件下会在哺乳动物体内积累，其水平的升高与CR的抗衰老效应密切相关。那么，LCA是如何发挥作用的呢？研究人员发现，LCA可以通过溶酶体信号通路（lysosomal signaling pathway）直接激活AMPK（AMP-活化蛋白激酶），从而模拟CR带来的代谢和抗衰老效益。这种机制的独特之处在于，LCA并非通过改变细胞内AMP/ATP或ADP/ATP的比值，而是通过溶酶体的葡萄糖感应系统来触发AMPK的活化。

更令人惊叹的是，LCA的这种效应已经在多种模式生物中得到验证。在线虫、果蝇和老鼠的实验中，LCA能够延长它们的寿命，同时改善健康寿命（healthspan）。比如，在肌肉特异性表达LCA效应通路的老鼠中，其肌肉功能得到了显著改善，线粒体质量提高，能量代谢得到优化。此外，研究还发现，LCA不仅仅是CR效应的简单模拟，其抗衰老益处甚至能在某些情况下超越CR。

通过这些发现，LCA被认为是一种强大的抗衰老分子，可以直接作用于细胞的代谢调控网络。

石胆酸（LCA）通过v-ATPase的去乙酰化激活AMPK（Credit: Nature）

V1E1亚基去乙酰化与AMPK激活的关系（a）

研究通过使用表达HA标记的V1E1野生型或突变型（如3KR突变，模拟去乙酰化状态）的MEF细胞，评估了AMPK的激活水平。免疫印迹实验表明，去乙酰化状态的V1E1（3KR突变）显著增强了AMPK的激活，而其他突变体（如乙酰化状态的突变）无法产生类似效果。这表明V1E1去乙酰化是LCA诱导AMPK激活的关键。

v-ATPase功能的抑制（b）

通过Lysosensor荧光染料检测溶酶体酸化水平，研究发现，与野生型V1E1相比，3KR突变体显著抑制了v-ATPase的活性。这表明去乙酰化的V1E1可以抑制v-ATPase功能，从而触发下游信号。

溶酶体定位与信号转导（c）

免疫荧光实验显示，V1E1去乙酰化能够促进AXIN蛋白在溶酶体的共定位。这种定位变化是溶酶体信号通路激活的重要步骤，与AMPK的激活直接相关。

V1E1乙酰化状态对AMPK激活的调控（d）

比较了模拟恒定乙酰化状态的V1E1突变体（3KQ）和去乙酰化状态突变体（3KR）在LCA处理下对AMPK激活的影响。结果显示，3KR突变显著激活AMPK，而3KQ突变几乎完全阻断了AMPK的激活，这进一步证实了V1E1去乙酰化在LCA信号中的核心作用。

热量限制和LCA对V1E1去乙酰化的影响（e–g, i-k）

在LCA处理（1 μM）和热量限制（CR）条件下，V1E1亚基（尤其是K99位点）的去乙酰化水平在MEF细胞、肌肉和肝脏中显著增加。特别是，用CR处理4个月或用LCA处理1个月的小鼠，其肌肉和肝脏中V1E1(K99)ac水平显著降低，与AMPK的激活呈负相关。

LCA诱导去乙酰化与AMPK激活的时间动态（h）

在LCA处理的时间曲线实验中，V1E1(K99)的去乙酰化水平随着处理时间的延长逐渐增加，而AMPK的激活水平与之呈反向关系，AMPK在处理4小时后达到激活峰值。这表明V1E1去乙酰化与AMPK激活之间存在直接的动态关联。

溶酶体的秘密：细胞内的能量传感器

在细胞的代谢调控网络中，溶酶体不仅仅是“废物处理站”，它还是能量代谢的关键传感器。近年来的研究揭示，溶酶体作为感知细胞内能量状态的核心调控器，能够通过一系列复杂的信号传导路径调控能量平衡。在抗衰老的研究中，溶酶体因其独特的功能而备受关注，尤其是在石胆酸（LCA）介导的抗衰老效应中。

溶酶体的关键功能之一是通过其质子泵复合物v-ATPase监测细胞内葡萄糖水平。当葡萄糖供应不足时，溶酶体通过一条特定的信号通路激活AMPK（AMP-活化蛋白激酶），从而触发细胞对能量不足的应激反应。而LCA则以一种独特的方式直接作用于这一信号通路。研究显示，LCA能够通过去乙酰化溶酶体质子泵的关键亚基V1E1，抑制v-ATPase的活性，从而激活AMPK。这一过程与热量限制（CR）带来的AMPK活化机制非常相似，但LCA无需通过减少能量摄入即可实现这种效应。

实验数据表明，当LCA作用于溶酶体后，质子泵的活性显著降低，溶酶体内的酸性环境被打破。这一变化直接触发了AXIN与溶酶体标志蛋白LAMP2的共定位，并通过LKB1（一种AMPK上游激酶）实现AMPK的快速活化。通过突变体实验，研究者进一步确认了V1E1的去乙酰化对于这一过程至关重要。值得注意的是，LCA对AMPK的激活不依赖传统的AMP/ATP比值的变化，而是通过溶酶体的葡萄糖感应途径这一新颖机制实现。

这些发现为溶酶体的功能提供了新的视角，不仅揭示了其作为能量感应器的重要性，还将LCA推向了抗衰老研究的前沿。

去乙酰化开关：LCA如何控制AMPK的启动按钮

在细胞的能量调控中，去乙酰化修饰就像一个“分子开关”，精准地控制着信号通路的开关与闭合。而在石胆酸（LCA）诱导的AMPK活化过程中，这一“开关”发挥了关键作用。研究发现，LCA通过促进溶酶体质子泵v-ATPase的关键亚基V1E1的去乙酰化，实现了AMPK的高效激活。这一过程的核心，正是去乙酰化修饰如何精准调控溶酶体信号通路。

v-ATPase是一种位于溶酶体膜上的质子泵，其功能依赖于亚基的乙酰化状态。在未受LCA作用时，V1E1亚基的K52、K99和K191这三个关键赖氨酸位点处于乙酰化状态，这使得v-ATPase保持正常的质子运输功能。然而，LCA通过激活去乙酰化酶Sirtuins家族（尤其是SIRT1），去除了V1E1亚基上的乙酰化修饰。突变体实验进一步证明，这种去乙酰化状态（通过突变模拟为去乙酰化的3KR）会显著抑制v-ATPase的活性，导致溶酶体内的pH上升，触发下游信号通路。

V1E1的去乙酰化不仅抑制了v-ATPase的质子泵功能，还直接影响了溶酶体对能量状态的感知。这种状态变化引发了AXIN与溶酶体标志物LAMP2的共定位，同时通过LKB1激酶将信号传递至AMPK，从而实现AMPK的快速活化。时间曲线实验表明，LCA处理仅1小时后，V1E1的K99去乙酰化开始显现，而AMPK的激活水平也随之上升，最终在4小时左右达到峰值。这种精准的分子调控，揭示了LCA通过V1E1去乙酰化触发溶酶体反应的核心机制。

这些发现将去乙酰化修饰的作用推向了前所未有的高度。V1E1的乙酰化状态不只是结构上的“装饰”，更是调控溶酶体功能和AMPK信号通路的“开关按钮”。

重塑能量：LCA与Sirtuins的“双剑合璧”

在细胞代谢的复杂调控网络中，Sirtuins（沉默信息调节因子）家族以其独特的去乙酰化功能，被誉为“代谢调控的指挥官”。这些去乙酰化酶能够感知细胞能量状态，通过去除蛋白质上的乙酰化修饰来调节代谢、基因表达和细胞功能。而石胆酸（LCA）正是激活这些酶的“催化剂”，通过“双剑合璧”，共同推动抗衰老的分子进程。

研究发现，LCA通过结合TULP3蛋白，能够全osterically激活Sirtuins家族的酶活性。LCA处理后，Sirtuins不仅介导溶酶体质子泵v-ATPase关键亚基V1E1的去乙酰化，还对其他细胞器和代谢通路的关键蛋白产生去乙酰化效应。例如，SIRT1在细胞核外的去乙酰化活动显著增强，直接促进了AMPK信号通路的激活。这种分子级别的调控机制，不仅提升了线粒体的质量和功能，还抑制了炎症反应和氧化应激，为抗衰老效益奠定了基础。

更重要的是，去乙酰化这一过程在抗衰老中的作用已经通过实验得到验证。在小鼠模型中，缺乏Sirtuins的细胞完全无法响应LCA的刺激，表现为AMPK无法激活以及抗衰老效应的缺失。而重建含有特定Sirtuins的细胞则可以部分恢复LCA的效应，尤其是SIRT1和SIRT3在这一过程中展现了最显著的功能。此外，实验显示，LCA增强了Sirtuins对多种底物（如组蛋白H3）的去乙酰化能力，这种广泛的效应进一步扩大了其对代谢调控的影响。

去乙酰化的分子事件是LCA模拟热量限制效应的核心桥梁。通过抑制v-ATPase、激活AMPK和重塑细胞代谢，LCA与Sirtuins共同协同，实现了代谢通路的精确调控。这种“双剑合璧”不仅帮助机体维持能量平衡，还显著改善了健康寿命。

从细胞到生命：LCA的抗衰老效益验证

真正的突破需要在实验室的培养皿之外验证。在石胆酸（LCA）的研究中，这一分子惊人的抗衰老潜力已在多种动物模型中得到了验证。无论是微小的线虫、翩翩起舞的果蝇，还是更复杂的哺乳动物，LCA都展现出了其延长寿命和改善健康状况的强大能力。

在线虫实验中，研究人员发现，LCA处理能够显著延长其寿命，同时增强其抗氧化和抗应激能力。例如，与对照组相比，LCA处理后的线虫在面对氧化应激和饥饿时表现出更高的生存率。通过基因敲除实验进一步表明，这种抗衰老效应依赖于线虫中TULP3同源物（如tub-1）的存在，表明LCA通过类似哺乳动物的分子机制发挥作用。

果蝇实验也同样令人振奋。在LCA处理的果蝇中，其寿命显著延长，同时健康寿命（healthspan）也得到了提升，包括更强的飞行能力和更长的运动时间。进一步的分子分析显示，LCA通过激活果蝇中TULP3的同源物ktub，成功触发了AMPK信号通路，并改善了线粒体功能和能量代谢。

最重要的是，小鼠模型中的研究直接验证了LCA在哺乳动物中的抗衰老效益。实验显示，LCA处理能够显著改善老年小鼠的肌肉功能，包括提高肌肉力量和运动耐力。同时，这些小鼠的线粒体数量和功能得到了显著提升，肌肉内NAD+水平也显著升高。肌肉特异性敲除TULP3或AMPK的小鼠则完全丧失了这种益处，进一步确认了LCA通过TULP3-AMPK通路发挥作用。此外，V1E1亚基的去乙酰化突变体（3KR）小鼠显示出与LCA处理相似的抗衰老效应，表明LCA的分子作用靶点得到了精确验证。

LCA为健康衰老带来的启示

在人类追求延长健康寿命的旅程中，热量限制（Caloric Restriction, CR）一直被视为抗衰老的“金标准”。CR通过激活AMPK信号通路、提升线粒体功能和减少氧化应激，显著延缓衰老并改善健康。然而，其实际应用却存在挑战，例如长期热量限制对大多数人难以坚持，同时可能导致营养不足等副作用。石胆酸（LCA）的发现为这一难题提供了全新的解决方案。

LCA作为一种CR的分子模拟物，能够在不改变饮食摄入的情况下激活AMPK，并产生类似CR的抗衰老效应。与CR相比，LCA的优势在于其作用更加精确，能够靶向溶酶体信号通路，同时避免CR带来的副作用。此外，LCA的机制更加清晰：通过去乙酰化溶酶体质子泵亚基V1E1，抑制v-ATPase的活性，从而触发AMPK的激活，最终改善细胞代谢功能。这种靶点明确的分子机制，为开发抗衰老药物提供了坚实基础。

基于LCA的研究，未来抗衰老药物开发可以围绕AMPK与溶酶体的双靶点策略展开。一方面，AMPK作为代谢调控的核心因子，其激活能够系统性改善机体健康；另一方面，溶酶体作为细胞内的能量传感器，通过精确调控其功能，可以实现对细胞代谢的深度干预。这种“双剑合璧”的策略，将抗衰老效益推向更高水平。

LCA的发现还为未来研究开启了新的方向。是否可以设计合成类似LCA的化合物，实现更强效、更特异的AMPK激活？或者通过基因和代谢调控技术，进一步放大LCA的效应？这些问题的解答，可能将推动抗衰老领域进入精准医学时代。LCA的启示在于，它让我们看到了一种通过分子干预实现健康衰老的可能性。

破解衰老的更多谜题

尽管石胆酸（LCA）的研究为抗衰老领域带来了令人振奋的突破，但科学总是在解答一个问题的同时引出更多未解之谜。LCA的发现揭示了溶酶体信号通路与AMPK在抗衰老中的关键作用，但当前研究依然存在一些局限性，亟待进一步探索。

首先，LCA在不同物种中的效应是否具有完全一致的分子机制？在线虫、果蝇和哺乳动物中，LCA均能延长寿命，但这些模型的生理和代谢差异可能影响其具体的作用路径。例如，LCA在哺乳动物中主要通过TULP3蛋白发挥作用，而在低等生物中这一机制的保守性尚未完全明确。进一步的研究需要深入解析LCA在跨物种间的通用性和差异性，以完善其分子网络的全貌。

其次，LCA的抗衰老作用是否存在潜在副作用？尽管LCA能够精准激活AMPK并改善代谢功能，但其长期使用可能对胆汁酸代谢或其他相关通路产生影响。此外，当前研究主要集中在动物模型中，尚未在人体内验证其安全性和有效性。因此，如何将LCA从实验室推广到临床应用，需要更多的研究来评估其药理学特性和潜在风险。

最后，LCA的分子机制虽然清晰，但是否还有其他未知的靶点？研究表明，LCA不仅作用于AMPK，还可能通过Sirtuins、NAD+和线粒体功能等多条途径协同作用。这提示我们，LCA的作用可能远不止目前发现的这些分子层面。未来的研究可以利用多组学技术（如蛋白质组学、代谢组学），进一步挖掘LCA潜在的分子靶点与网络。

未来，抗衰老研究需要更广泛的协作和创新。研究人员可以探索LCA的化学修饰或结构优化，以开发更高效、更安全的抗衰老分子。同时，通过将LCA与其他抗衰老策略（如基因编辑、细胞治疗）相结合，有可能开创更加精准和个性化的健康干预手段。破解衰老的谜题虽困难重重，但每一个突破都会让我们离实现健康老龄化的目标更近一步。LCA的研究让我们看到了未来的希望，而这仅仅是一个起点。

参考文献

Qu, Q., Chen, Y., Wang, Y. et al. Lithocholic acid binds TULP3 to activate sirtuins and AMPK to slow down ageing. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08348-2

责编|探索君

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