研究介绍
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研究背景
Background
饥饿被认为是影响寿命的一个重要因素。已有研究表明，限制卡路里摄入（如通过间歇性禁食或低蛋白饮食）可以延长寿命，但这些机制尚不完全明确。
研究目的
Objectives
减少进食还是饥饿感本身对果蝇寿命的影响及其分子学机制。
研究方法
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研究亮点
1、饮食操纵实验：果蝇被喂养不同BCAA水平的饮食（低BCAA和高BCAA）以观察其对食物摄入量、饥饿状态和寿命的影响。通过再喂食实验来评估BCAA对饥饿感的影响。
2、遗传操纵实验：使用Gal4/UAS系统，通过表达红光敏感的阳离子通道UAS-CsChrimson，激活标记中枢大脑中80个神经元的R50H05-GAL4转基因，来诱导果蝇的饥饿状态。使用全神经元驱动器Nsyb-GeneSwitch-GAL4，通过添加药物RU486来脉冲和可视化H3.3-GFP转基因，并在移除RU486后进行追踪，以观察H3.3-GFP在神经染色质中的整合和稳定性。
3、分子生物学分析：通过Western blot和qPCR等技术测量果蝇头部和大脑中的组蛋白H3丰度、H3K9乙酰化、H3K27乙酰化和H3K9甲基化等组蛋白翻译后修饰（PTMs）。使用RNAi耗尽蛋白伴侣Hira，以测试H3.3整合在饥饿反应中的作用。
4、药物干预实验：果蝇被喂养组蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制剂丁酸钠，以测试组蛋白乙酰化对饥饿感和进食行为的影响。
5、行为学测试：使用果蝇液体食物互动计数器（FLIC）测量果蝇在不同饮食条件下的食物互动频率。测量果蝇在富含碳水化合物或富含蛋白质的食物上的互动频率，以评估特定营养素的饥饿感。
6、寿命分析：记录和分析果蝇在不同饮食和遗传操纵条件下的寿命，比较低BCAA饮食、激活饥饿神经元、HDAC抑制剂处理等对寿命的影响。
研究发现
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1.为了研究神经状态如何激发进食并调节衰老，主要关注了支链氨基酸（BCAAs），因为在哺乳动物和果蝇的饮食中减少它们的丰度会增加蛋白质的食欲并延长寿命，在K. J. Weave团队的研究中发现了相同的结论，其中雌性果蝇寿命延长更明显。因此，推测减少饮食中的BCAA可能促进了一种增强和持久的饥饿状态从而延长寿命。在简单的模型系统中（如果蝇）测量饥饿状态可能具有挑战性，因为动物进食的原因多种多样，单纯通过总食物摄入量不能准确反映饥饿水平。因此，研究人员设计了一个“再喂食实验”来更准确地确定BCAA如何影响饥饿状态。果蝇先被剥夺食物20小时，然后再喂食3小时的测试食物（低BCAA或高BCAA饮食）。接着，果蝇被放置在一个包含蔗糖和酵母的环境中，研究人员使用果蝇液体食物互动计数器（FLIC）测量它们与食物的互动次数。结果再喂食低BCAA食物的果蝇与食物的互动次数多于再喂食高BCAA食物的果蝇，并且与根本没有再喂食的果蝇互动频率相同。这表明低BCAA饮食可能导致了一种增强的饥饿状态。研究人员分别减少高BCAA饮食中的每种BCAA，发现只有减少异亮氨酸会导致果蝇增加进食，而减少缬氨酸或亮氨酸或其他氨基酸的成对组合不会。再喂食实验进一步测试异亮氨酸是否影响特定营养素的饥饿。实验显示，再喂食常规糖和酵母食物的果蝇对富含蛋白质的食物的需求更强，而再喂食添加异亮氨酸的食物的果蝇对蛋白质食物和碳水化合物食物的需求没有显著差异。这表明，饮食中的异亮氨酸量调节了特定的蛋白质食欲。研究人员在果蝇的饮食中减少了所有BCAA或仅减少异亮氨酸，结果发现仅限制异亮氨酸就足以延长寿命，与减少所有BCAA效果相似。即使增加了卡路里、总氨基酸和碳水化合物的摄入量，限制异亮氨酸依然能延长寿命。（图1）
图1
2.进一步探讨了BCAA、饥饿神经元和大脑之间的分子相互作用，尤其是它们如何在分子层面上编码饥饿状态，并通过组蛋白的翻译后修饰（PTMs）来体现。研究人员使用Gal4转基因驱动线R50H05-GAL4标记了中枢大脑中的80个神经元，表达了红光敏感的阳离子通道UAS-CsChrimson，创建了果蝇，这些果蝇的R50H05饥饿神经元可以光遗传学激活，人为地产生饥饿。实验结果显示，这些果蝇摄入的食物是保持在同一基因型且在黑暗中或表达抑制活动的绿光敏感视蛋白通道(GtACR)的果蝇的两倍。研究发现，喂养低BCAA饮食一周后，果蝇头部的组蛋白H3丰度和H3K9乙酰化显著降低。H3K27乙酰化也略有减少，但H3K9甲基化没有变化。通过喂养果蝇组蛋白去乙酰化酶抑制剂（如丁酸钠），可以取消饮食对组蛋白PTMs和总H3的影响。在低BCAA饮食的果蝇头部和大脑中，H3的丰度降低，尽管H3 mRNA增加了。H4在不同饮食之间没有变化。通过激活R50H05饥饿神经元独立于饮食诱导饥饿，也在果蝇头部减少了H3丰度。在低BCAA饮食中添加额外的异亮氨酸部分地重现了BCAAs对H3丰度的影响，表明组蛋白修饰可能与饥饿表型相关。（图2）
图2
3.探讨了组蛋白变体H3.3在低BCAA饮食对果蝇头部和大脑的影响，尤其是其在神经染色质中的整合情况，以及组蛋白乙酰化对进食和寿命的调节作用。组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACs）的使用可以阻止饮食依赖的组蛋白乙酰化和总H3的差异，并取消低BCAA饮食上增加的进食。HDAC抑制剂和Rpd3突变体可以略微延长果蝇在高BCAA食物上的中位寿命，这支持组蛋白乙酰化组可能影响饥饿而不是进食本身的观点。蛋白伴侣Hira的耗尽取消了低BCAA饮食上增加的进食，但对寿命没有影响，表明H3/H3.3的差异使用对于进食调节是必需的，但对寿命影响则不显著。（图3）
图3
研究讨论
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1、模型局限性：研究主要在果蝇模型上进行，虽然果蝇是研究衰老和代谢的常用模型，但这些发现是否能够完全适用于其他物种（特别是哺乳动物和人类）尚需进一步验证。
2、饥饿感的测量方法：饥饿状态的测量和定义存在一定的复杂性和挑战。虽然通过果蝇的食物摄入量和行为来推测饥饿状态，但这种方法可能无法全面反映饥饿的生理和心理层面。
3、长期效应的研究：饥饿感在短期内增加进食量，但长期的效果和适应性变化尚未充分探讨。低BCAA饮食长期对健康和寿命的影响需要进一步的长期研究来验证。
4、饮食成分的综合作用：虽然研究主要集中在BCAA对饥饿和寿命的影响，但饮食中的其他成分（如脂肪、碳水化合物、其他氨基酸等）如何相互作用并共同影响这些过程尚需进一步研究。
参考文献
[1] Weaver KJ, Holt RA, Henry E, Lyu Y, Pletcher SD. Effects of hunger on neuronal histone modifications slow aging in Drosophila. Science. 2023 May 12;380(6645):625-632. doi: 10.1126/science.ade1662. Epub 2023 May 11. PMID:37167393.
END
文案 | 杨青林
排版 | 杨青林
发布｜姜笑南
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