“饱一天饿一天，长寿秘诀”，Cell Reports：整合组学分析揭示间歇性禁食对肝脏代谢的影响

本文由景杰学术团队报道

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近年来，很多饮食与健康长寿关系的研究都集中在限制热量方面，在动物模型和人类中研究不同种类的禁食干预（包括持续的卡路里限制，间歇性断食等）的生物学效应的数量激增。其中间歇性断食（Intermittent Fasting，IF）已经成为肥胖与代谢性疾病机制及干预措施研究的一个重要模型，诸多研究表明IF能够提高免疫力，延缓衰老，降低肥胖与衰老导致的心血管与癌症的发生。如2017年发表在Cell Metabolism上的一项研究成果揭示了隔日禁食通过塑造肠道菌群，可以促进白色脂肪棕色化，减少肥胖的发生和延长寿命[1]。但其对健康的具体影响，及其分子机制还没有被详细的报道。

2020年3月10日，国际权威期刊Cell Reports上发表了关于禁食对健康与肝脏重编程影响的最新研究成果。澳大利亚悉尼大学生命与环境科学学院Mark Larance教授团队采用整合组学分析方法，首次系统性地从转录、代谢、蛋白层面揭示了短期急性禁食和隔日禁食分别对大鼠肝脏和血液中蛋白的调控作用。研究首次发现隔日禁食对转录因子HNF4a酶活性的抑制，从而降低了血浆中a1-抗胰蛋白酶和胆汁酸酶的表达。提示采用小分子干预隔日禁食显著调控的分子机制，能够达到禁食治疗同样的积极效果。

目前研究较多的间歇性禁食方案有三种：隔日禁食、5:2禁食（每周有2天只吃一顿中等热量的餐食）和每日限时饮食。在这篇论文中，科学家们主要考察的是第一种“隔日禁食”（EODF）方案，也是目前在动物实验中数据支持较多的方案。

为了揭示隔日禁食与急性禁食对肝脏蛋白的调控上的差异，研究人员对40只8周龄大鼠进行为期12天的隔日禁食研究。为了区别隔日禁食与急性禁食对大鼠的影响，作者分别在最后一个禁食周期的禁食日和进食日收集大鼠的肝脏组织和血浆样本（样本策略）。隔日禁食和正常喂养给与的食物总量相同，因此两种喂食方式的能量摄入总量、体重均未见明显差异。不过禁食导致葡萄糖更加耐受，降低空腹胰岛素水平和血浆中胰岛素样生长因子（IGF-1）。

图1 不同禁食策略干预分组

随后研究人员采用label-free的定量蛋白质组学技术，分别对采集到的肝脏和血浆样本进行了蛋白定量检测（质谱策略）。实验共鉴定到>4100个肝脏蛋白，相对于对照组，隔日禁食后肝脏388个蛋白的差异表达，而在急性禁食中未发现表达改变。 隔日禁食引起显著上调的蛋白包括脂肪酸/胆固醇合成酶（ACACA或ACC1）脂肪酸合酶(FASN)和在脂肪酸氧化中起关键作用的ACADM和ACOT2酶。抗胰蛋白酶SERPINA1E在肝脏中显著低表达。说明隔日禁食干预可以激活脂肪合成和脂肪酸氧化酶相关通路。

图2、蛋白质组学分析结果

研究人员进一步利用靶向的LC-MS/MS检测大鼠肝脏组织的极性代谢物，并且整合相关代谢组学和蛋白质组学分析的数据，凸显出隔日禁食（EODF）显著激活脂肪和胆固醇合成通路的关键途径（图3）。此外，通过GSEA分析，作者还进一步发现了隔日禁食措施激活肝脏中转录因子SREBP1c、MLXIPL或ChREBP和PPARa，而抑制转录因子HNF4a和其下游靶蛋白，包括CYP7B1、ABCC6、SERPINA1E等。

图3.隔日禁食显著调控的通路及关键酶

研究者结合qRT-PCR分析与ChIP分析揭示EODF主要从转录后调控层面改变关键蛋白的丰度，比如ACOT2、EHHADH和SERPINA1E，转录因子HNF4a是介导这些转录变化的关键所在。并且作者强调了从蛋白质水平进行观测的重要性。使用LC-MS / MS分析血浆蛋白质组学样品，从总共> 7,500个肽段中鉴定出170个蛋白质。通过血浆蛋白组发现，隔日禁食饮食组比急性禁食组血浆蛋白质组的变化，要比随意饮食组变化更显著，并且HNF4a 及其靶蛋白显著下调包含EGFR, and SERPINA1E等。

图4. EODF调节血浆蛋白质组并且抑制HNF4a

综上所述，EODF是治疗代谢性疾病（包括改善肝脏健康）的有效干预措施，如何通过EODF对肝脏蛋白质组进行重新编程此前一直处于空白。该项研究使用隔日禁食（EODF）小鼠，进行多组学分析确定了调控途径。EODF导致肝脏蛋白质组的显著变化，同时诱导新生脂肪形成和脂肪酸氧化酶，激活氧化应激防御，从而提高葡萄糖耐受和寿命。富集分析揭示了EODF的关键调控通路，EODF通过调控转录因子HNF4a抑制a1-抗胰蛋白酶或炎症因子等关键蛋白的表达。此外，作者提供了交互式在线访问的数据资源，能展现小鼠禁食诱发机制的全局视图。研究为实现小分子干预的诱导来达到与EODF同样的益处提供了坚实的理论依据。

值得一提的是，本文运用了蛋白质组学等揭示揭示了EODF的关键调控通路，我们也发现乙酰化（Cell Metab.|“健康长寿七成饱”，蛋白组/乙酰化组学揭示热量限制在延缓衰老中的作用）、磷酸化（磷酸化组学揭示T细胞激活后的信号通路和代谢途径的动态变化）、巴豆酰化（肠道微生物代谢脂肪酸调控表皮细胞组蛋白巴豆酰化）、丙二酰化（JPR: 一张丙二酰化草图意外的揭示了能量代谢的奥秘）等蛋白质翻译后修饰与能量代谢密切相关，广泛应用在代谢调控研究中，这也启示我们可以从修饰组学角度进一步展开研究分析。

参考文献

1. Li G, et al., 2017, Intermittent Fasting Promotes White Adipose Browning and DecreasesObesity by Shaping the Gut Microbiota. Cell Metabolism.

2. Mark Larance, et al., 2020, Multi-omics Analysis of the Intermittent Fasting Response in Mice Identifies an Unexpected Role for HNF4a. Cell reports.

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