SpinSR助力揭示肝臟中與年齡相關(guān)的代謝功能障礙的調(diào)控新機(jī)制
本文作者：吳菁 博士
南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院
衰老與肝臟代謝
南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院
衰老與肝臟代謝
衰老是一種不可抗的自然規(guī)律，其主要生理表現(xiàn)為生活習(xí)性、形態(tài)變化及身體系統(tǒng)器官機(jī)能狀態(tài)的改變。器官機(jī)能狀態(tài)改變包括主要代謝器官代謝模式的改變，易引發(fā)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(guò)程中代謝功能明顯降低2, 3，表現(xiàn)為肝臟細(xì)胞中甘油三脂含量顯著增加，脂質(zhì)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(guò)程也表現(xiàn)出受主晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的節(jié)律變化，并且這些代謝過(guò)程隨著年齡的增長(zhǎng)而表現(xiàn)出漸進(jìn)性改變。據(jù)報(bào)道，在年輕小鼠中節(jié)律表達(dá)的基因中有44.8%在老年小鼠中表現(xiàn)出節(jié)律紊亂；這些基因主要參與甘油代謝和甾醇代謝7。
晝夜節(jié)律基因的缺乏，如Bmal1和Per1/2，會(huì)加速衰老過(guò)程8。雖然新陳代謝和晝夜節(jié)律之間的聯(lián)系已被證實(shí)，但在衰老過(guò)程中彼此如何在肝臟中解耦聯(lián)仍然未知。
肝臟脂質(zhì)代謝與生物節(jié)律
2023年3月24日，南京醫(yī)科大學(xué)李朝軍、南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院薛斌及復(fù)旦大學(xué)李蓬共同通訊在Nature Communications發(fā)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(yīng)答因子Egr-1外周器官晝夜節(jié)律和代謝穩(wěn)態(tài)之間的重要介質(zhì)，Egr-1缺失加速了與肝臟年齡相關(guān)的代謝功能障礙，這與甘油三酯蓄積增加、轉(zhuǎn)錄水平上Egr-1和細(xì)胞死亡誘導(dǎo)DFFA樣效應(yīng)A（Cidea）相反的節(jié)律性偶聯(lián)被破壞以及大脂滴形成相關(guān)。
該研究首先通過(guò)生物節(jié)律轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)現(xiàn)在衰老過(guò)程中肝臟呈節(jié)律性變化的脂質(zhì)代謝相關(guān)生物學(xué)過(guò)程基因數(shù)量顯著減少，肝臟出現(xiàn)明顯的脂質(zhì)積累；已知調(diào)控肝臟脂質(zhì)代謝的生物節(jié)律關(guān)鍵分子Bmal1、Clock的調(diào)控作用明顯逆轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)提示在衰老過(guò)程中肝臟脂質(zhì)代謝與生物節(jié)律出現(xiàn)解耦聯(lián)現(xiàn)象。
圖1. 隨著年齡增長(zhǎng)，肝臟脂質(zhì)代謝生物節(jié)律發(fā)生紊亂
為了尋找耦聯(lián)分子，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)，篩選到Egr-1表達(dá)的晝夜節(jié)律在雄性小鼠中隨著年齡的增長(zhǎng)而向前移動(dòng)。Egr-1是脂質(zhì)代謝的重要調(diào)節(jié)劑。胰島素增強(qiáng)的Egr-1直接抑制patatin樣磷脂酶結(jié)構(gòu)域2（ATGL）轉(zhuǎn)錄的并抑制脂肪細(xì)胞的脂肪分解。Egr-1還影響關(guān)鍵膽固醇合成基因Hmgcr，Cyp51，Me1和Sqle的轉(zhuǎn)錄，并促進(jìn)膽固醇合成代謝。
此外，之前的工作已經(jīng)證明，Egr-1在年輕小鼠的肝臟中有節(jié)律地表達(dá)，并且是肝臟中幾個(gè)核心時(shí)鐘基因的晝夜節(jié)律表達(dá)模式所必需的;它特別調(diào)節(jié)生物節(jié)律基因Per1的轉(zhuǎn)錄活性。另一方面，Egr-1的節(jié)律也受BMAL1/CLOCK異二聚體表達(dá)的調(diào)節(jié)。因此，研究者推測(cè)Egr-1可能作為調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律和代謝模式之間年齡相關(guān)的耦聯(lián)分子。
此外，之前的工作已經(jīng)證明，Egr-1在年輕小鼠的肝臟中有節(jié)律地表達(dá)，并且是肝臟中幾個(gè)核心時(shí)鐘基因的晝夜節(jié)律表達(dá)模式所必需的;它特別調(diào)節(jié)生物節(jié)律基因Per1的轉(zhuǎn)錄活性。另一方面，Egr-1的節(jié)律也受BMAL1/CLOCK異二聚體表達(dá)的調(diào)節(jié)。因此，研究者推測(cè)Egr-1可能作為調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律和代謝模式之間年齡相關(guān)的耦聯(lián)分子。
圖2 EGR-1相位隨年齡增長(zhǎng)發(fā)生前移
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)式超高分辨顯微鏡SpinsSR進(jìn)一步證實(shí)，Egr-1缺失主要通過(guò)增強(qiáng)CD36表達(dá)以促進(jìn)脂肪酸攝取和增強(qiáng)Cidea轉(zhuǎn)錄表達(dá)以形成大脂滴來(lái)加速肝臟年齡相關(guān)的TG積累。Egr-1和Cidea的節(jié)律耦合可以以BMAL1 / CLOCK依賴(lài)性方式調(diào)節(jié)大脂滴的形成。衰老會(huì)破壞Egr-1和Cidea之間的偶聯(lián)，并促進(jìn)大脂滴的形成，導(dǎo)致與年齡相關(guān)的肝臟代謝功能障礙。這些結(jié)果表明，Egr-1是調(diào)節(jié)肝臟晝夜節(jié)律與脂質(zhì)代謝之間年齡相關(guān)合作的關(guān)鍵介質(zhì)。
圖3 Egr-1通過(guò)Cidea調(diào)控肝臟脂質(zhì)代謝
更重要的是，在6個(gè)月大的小鼠中，通過(guò)4小時(shí)的前移用光調(diào)節(jié)中央時(shí)鐘，能夠引起衰老過(guò)程中Egr-1的節(jié)律轉(zhuǎn)移恢復(fù)，并在很大程度上改善肝臟代謝功能障礙。
圖4 通過(guò)光照移位有助于Egr-1生物節(jié)律恢復(fù)，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(shí)鐘的關(guān)鍵應(yīng)答器，以整合中樞和外周節(jié)律的證據(jù)。肝臟Egr-1也是外周器官晝夜節(jié)律和代謝穩(wěn)態(tài)之間的重要介質(zhì)。當(dāng)肝臟Egr-1的表達(dá)水平和晝夜節(jié)律在衰老過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)，肝臟晝夜節(jié)律與中樞晝夜節(jié)律脫鉤，代謝穩(wěn)態(tài)和晝夜節(jié)律可塑性被破壞，導(dǎo)致肝臟代謝老化。更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)代謝衰老可以通過(guò)根據(jù)Egr-1在該年齡的節(jié)律偏移來(lái)調(diào)整中樞晝夜節(jié)律來(lái)逆轉(zhuǎn)。
圖5 Egr-1應(yīng)答中樞節(jié)律，調(diào)節(jié)肝臟代謝衰老的機(jī)制模式圖
南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室吳菁助理研究員和南京大學(xué)模式動(dòng)物研究所步丹丹為本文的共同第一作者，南京醫(yī)科大學(xué)李朝軍教授、南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院薛斌教授及復(fù)旦大學(xué)李蓬院士為本文的共同通訊作者。該成果得到了國(guó)家基金委、江蘇省自然科學(xué)基金的大力資助。
在本次研究中，小鼠脂滴和Cidea熒光標(biāo)記圖片使用了Olympus SpinSR活細(xì)胞超分辨轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦顯微成像系統(tǒng)，在南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)盤(pán)式共聚焦超分辨率顯微鏡Olympus SpinSR和全玻片掃描系統(tǒng)VS200進(jìn)行融合，使實(shí)驗(yàn)更加智能人性化。Olympus SpinSR系統(tǒng)無(wú)需特殊標(biāo)記手段即可實(shí)現(xiàn)低至110nm的XY分辨率，成像速度可達(dá)200fps，適合進(jìn)行快速圖像拼接及低光毒性延時(shí)成像，更有利于在較大的范圍內(nèi)觀察標(biāo)本或者對(duì)活體樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀察。
VS200是研究級(jí)全玻片掃描系統(tǒng)，把傳統(tǒng)載玻片切片樣品進(jìn)行掃描、無(wú)縫拼接，生成一整張高分辨率全視野數(shù)字圖像。針對(duì)掃描載玻片專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)。明場(chǎng)、暗場(chǎng)、相差、偏光、熒光可一鍵調(diào)用。目前，該平臺(tái)向社會(huì)開(kāi)放，歡迎大家識(shí)別以下二維碼前來(lái)預(yù)約使用。
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