SpinSR助力揭示肝臟中與年齡相關的代謝功能障礙的調控新機制
本文作者：吳菁 博士
南京醫科大學附屬逸夫醫院
衰老與肝臟代謝
南京醫科大學附屬逸夫醫院
衰老與肝臟代謝
衰老是一種不可抗的自然規律，其主要生理表現為生活習性、形態變化及身體系統器官機能狀態的改變。器官機能狀態改變包括主要代謝器官代謝模式的改變，易引發代謝性疾病，如肥胖，高血糖，脂肪肝等1。
肝臟作為重要的代謝器官，在衰老過程中代謝功能明顯降低2, 3，表現為肝臟細胞中甘油三脂含量顯著增加，脂質分解受損，脂肪酸氧化作用受到抑制等4, 5, 6。
肝臟中的許多代謝過程也表現出受主晝夜節律調節的節律變化，并且這些代謝過程隨著年齡的增長而表現出漸進性改變。據報道，在年輕小鼠中節律表達的基因中有44.8%在老年小鼠中表現出節律紊亂；這些基因主要參與甘油代謝和甾醇代謝7。
晝夜節律基因的缺乏，如Bmal1和Per1/2，會加速衰老過程8。雖然新陳代謝和晝夜節律之間的聯系已被證實，但在衰老過程中彼此如何在肝臟中解耦聯仍然未知。
肝臟脂質代謝與生物節律
2023年3月24日，南京醫科大學李朝軍、南京醫科大學附屬逸夫醫院薛斌及復旦大學李蓬共同通訊在Nature Communications發表題為“The rhythmic coupling of Egr-1 and Cidea regulates age-related metabolic dysfunction in the liver of male mice”的研究論文，揭示早期應答因子Egr-1外周器官晝夜節律和代謝穩態之間的重要介質，Egr-1缺失加速了與肝臟年齡相關的代謝功能障礙，這與甘油三酯蓄積增加、轉錄水平上Egr-1和細胞死亡誘導DFFA樣效應A（Cidea）相反的節律性偶聯被破壞以及大脂滴形成相關。
該研究首先通過生物節律轉錄組學發現在衰老過程中肝臟呈節律性變化的脂質代謝相關生物學過程基因數量顯著減少，肝臟出現明顯的脂質積累；已知調控肝臟脂質代謝的生物節律關鍵分子Bmal1、Clock的調控作用明顯逆轉。這一發現提示在衰老過程中肝臟脂質代謝與生物節律出現解耦聯現象。
圖1. 隨著年齡增長，肝臟脂質代謝生物節律發生紊亂
為了尋找耦聯分子，研究團隊進一步分析轉錄組學，篩選到Egr-1表達的晝夜節律在雄性小鼠中隨著年齡的增長而向前移動。Egr-1是脂質代謝的重要調節劑。胰島素增強的Egr-1直接抑制patatin樣磷脂酶結構域2（ATGL）轉錄的并抑制脂肪細胞的脂肪分解。Egr-1還影響關鍵膽固醇合成基因Hmgcr，Cyp51，Me1和Sqle的轉錄，并促進膽固醇合成代謝。
此外，之前的工作已經證明，Egr-1在年輕小鼠的肝臟中有節律地表達，并且是肝臟中幾個核心時鐘基因的晝夜節律表達模式所必需的;它特別調節生物節律基因Per1的轉錄活性。另一方面，Egr-1的節律也受BMAL1/CLOCK異二聚體表達的調節。因此，研究者推測Egr-1可能作為調節晝夜節律和代謝模式之間年齡相關的耦聯分子。
此外，之前的工作已經證明，Egr-1在年輕小鼠的肝臟中有節律地表達，并且是肝臟中幾個核心時鐘基因的晝夜節律表達模式所必需的;它特別調節生物節律基因Per1的轉錄活性。另一方面，Egr-1的節律也受BMAL1/CLOCK異二聚體表達的調節。因此，研究者推測Egr-1可能作為調節晝夜節律和代謝模式之間年齡相關的耦聯分子。
圖2 EGR-1相位隨年齡增長發生前移
研究團隊通過轉盤式超高分辨顯微鏡SpinsSR進一步證實，Egr-1缺失主要通過增強CD36表達以促進脂肪酸攝取和增強Cidea轉錄表達以形成大脂滴來加速肝臟年齡相關的TG積累。Egr-1和Cidea的節律耦合可以以BMAL1 / CLOCK依賴性方式調節大脂滴的形成。衰老會破壞Egr-1和Cidea之間的偶聯，并促進大脂滴的形成，導致與年齡相關的肝臟代謝功能障礙。這些結果表明，Egr-1是調節肝臟晝夜節律與脂質代謝之間年齡相關合作的關鍵介質。
圖3 Egr-1通過Cidea調控肝臟脂質代謝
更重要的是，在6個月大的小鼠中，通過4小時的前移用光調節中央時鐘，能夠引起衰老過程中Egr-1的節律轉移恢復，并在很大程度上改善肝臟代謝功能障礙。
圖4 通過光照移位有助于Egr-1生物節律恢復，改善肝臟代謝功能障礙
總之，研究提供了肝臟Egr-1可以作為主時鐘的關鍵應答器，以整合中樞和外周節律的證據。肝臟Egr-1也是外周器官晝夜節律和代謝穩態之間的重要介質。當肝臟Egr-1的表達水平和晝夜節律在衰老過程中發生變化時，肝臟晝夜節律與中樞晝夜節律脫鉤，代謝穩態和晝夜節律可塑性被破壞，導致肝臟代謝老化。更重要的是，研究發現代謝衰老可以通過根據Egr-1在該年齡的節律偏移來調整中樞晝夜節律來逆轉。
圖5 Egr-1應答中樞節律，調節肝臟代謝衰老的機制模式圖
南京醫科大學附屬逸夫醫院中心實驗室吳菁助理研究員和南京大學模式動物研究所步丹丹為本文的共同第一作者，南京醫科大學李朝軍教授、南京醫科大學附屬逸夫醫院薛斌教授及復旦大學李蓬院士為本文的共同通訊作者。該成果得到了國家基金委、江蘇省自然科學基金的大力資助。
在本次研究中，小鼠脂滴和Cidea熒光標記圖片使用了Olympus SpinSR活細胞超分辨轉盤共聚焦顯微成像系統，在南京醫科大學附屬逸夫醫院中心實驗室生物樣本全景成像室完成拍攝。
生物樣本全景成像室將轉盤式共聚焦超分辨率顯微鏡Olympus SpinSR和全玻片掃描系統VS200進行融合，使實驗更加智能人性化。Olympus SpinSR系統無需特殊標記手段即可實現低至110nm的XY分辨率，成像速度可達200fps，適合進行快速圖像拼接及低光毒性延時成像，更有利于在較大的范圍內觀察標本或者對活體樣品進行長時間觀察。
VS200是研究級全玻片掃描系統，把傳統載玻片切片樣品進行掃描、無縫拼接，生成一整張高分辨率全視野數字圖像。針對掃描載玻片專門優化的光學系統。明場、暗場、相差、偏光、熒光可一鍵調用。目前，該平臺向社會開放，歡迎大家識別以下二維碼前來預約使用。
參考文獻：
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3. Anantharaju A, Feller A, Chedid A. Aging Liver. Gerontology 48, 343-353 (2002).
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5. Rita Basu EB, Ann L.Oberg,Claudia C. Powell,Chiara Dalla Man, Ananda Basu,Janet L. Vittone, George G. Klee, Puneet Arora,Michael D. Jensen, Gianna Toffolo,Claudio Cobelli,Robert A. Rizza. Mechanisms of the Age-Associated Deterioration in glucose tolerance. DIABETES 52, (2003).
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6. Fink RI, Kolterman OG, Griffin J, Olefsky JM. Mechanisms of insulin resistance in aging. The Journal of clinical investigation 71, 1523-1535 (1983).
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