Sci Adv︱特异性降低神经元胰岛素通路可改善男性的老年健康

撰文︱Jane Cheng

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

虽然人类寿命延长，但是由于衰老导致的机体异常及相关疾病，生命晚期的生活质量未有改善。已有研究表明，在包括蠕虫、苍蝇、鱼, 和小鼠的动物模型中[1,2]，胰岛素/胰岛素样生长因子1（ IGF1）信号通路（ IIS）活性降低可延长寿命、改善老年健康。由于其高度进化保守性，IIS也被认为与人类长寿有关，近期的全基因组结果也支持这一假设。IIS网络在调节生长、新陈代谢和生存方面起着核心作用。胰岛素受体（IR）和IGF1受体在结合配体后可磷酸化胰岛素受体底物（IRS），IRS是活化下游通路的关键蛋白。Irs1全敲的小鼠（Irs1KO）寿命延长，而且对各种与年龄相关的病理表现出抵抗力，包括肥胖、溃疡性皮炎、骨量减少、运动功能障碍和与年龄相关的葡萄糖不耐受。然而，全身IIS活性的降低也有缺点，例如体型减小、生育能力降低及代谢综合征[3]。目前尚不清楚哪些组织中的IRS1可影响寿命及其潜在的分子机制是什么。

2023年2月22日，来自伦敦大学的Linda Partridge团队在Science Advances上发表了题为“Reduced insulin signaling in neurons induces sex-specific health benefits”的文章，利用在不同组织特异性减 IIS通路的转基因小鼠，通过比较其寿命、葡萄糖耐量、胰岛耐量、体重、能量消耗等一些列代谢相关指标，发现特异性在神经元中降低 IIS活性可改善男性的老年健康；通过代谢组与转录组的比较发现，其机制可能与线粒体的综合应激反应（integrated stress response，ISR）改变相关。

首先，研究人员分别比较了全身敲除Irs1基因（Irs KO 小鼠）后对雄性和雌性小鼠寿命的影响，对比生存曲线后，发现Irs1全敲均可延长雌性和雄性小鼠的寿命（图1），雄性小鼠由正常的785天提高到838天，雌性小鼠由正常的838天提高到927天。

图 1 Irs1全敲可延长寿命

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

随后，研究人员比较了Irs1 KO小鼠与正常小的一系列代谢相关指征，包括胰岛素耐量（Insulin Tolerance Test，ITT）、葡萄糖耐量（Glucose Tolerance Test，GTT）、体重、进食量、活动量、能量消耗（图2H），发现导致的上述指标的变化依赖于年龄、性别。总体来看，Irs1全敲可减轻体重、增加能量消耗。有趣的是Irs1全敲可特异性提高了16月龄的雄鼠ITT（图 2F）。

图 2 Irs1全敲提高雄性小鼠的胰岛素耐量

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

接着，研究人员通过在五个主要的胰岛素反应性代谢器官——肝脏、肌肉、脂肪、肠道和神经系统——特异敲除Irs1降低IIS活性后发现，只有特异性在神经系统敲除Irs1（nKO小鼠）可延长寿命，进一步检测代谢相关指标发现，只有nKO的雄鼠体重降低（图3A），体重降低与能量消耗呈正相关（图3B），夜间活动量增加（图3C），胰岛素耐量增加（图 3D），与Irs KO小鼠的表现类似，提示nKO可以改善代谢相关指标并延长寿命，但这种效应只发生在老年雄鼠上，对雌鼠没有影响。

图 3 特异性降低神经元IIS改善雄性小鼠的老年健康

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

确定了nKO老年雄鼠的代谢指征得到改善后，研究人员开始探索其中的分子机制。基因表达研究表明，Irs1 KO小鼠肝组织中的与OXPHOS和三羧酸（TCA）循环相关的基因受到调节[4]，表明IIS降低后线粒体功能发生变化。神经元中的线粒体功能对于神经传递、突触维持和钙稳态至关重要[5]。 果蝇大脑中，IIS活性降低引起长寿的效应依赖于线粒体功能改变[6]。 然而，IIS降低对线粒体功能的影响尚未在哺乳动物大脑中进行研究。因此，研究人员通过对年轻和年老Irs1KO小鼠的透化脑组织进行高分辨率呼吸测量，评估了大脑中IRS1缺失对OXPHOS的影响，发现Irs1 KO及nKO雄鼠的备用呼吸容量降低（图 4），表明Irs1 KO及nKO雄鼠的线粒体应激水平低。

图 4 Irs1敲除可提高雄性小鼠大脑皮层的备用呼吸容量

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

线粒体功能受损可激活Atf4信号，从而激活ISR[7,8]。 此外，ATF4活性的增加可延长小鼠寿命。因此，研究人员通过qRT-PCR测量了Irs1KO小鼠大脑中的Atf4转录水平，因为神经元ATF4蛋白通常会迅速降解。发现无论是Irs1 KO还是nKO，只有雄鼠的Aft4 mRNA表达增加（图5 E-F），另外还伴随Atf5、Chop转录水平的增加。因此，以上结果提示特异敲除神经元 IRS1 的足以触发 ISR，特别是在老年雄性小鼠的大脑中。ISR通路可触发ATF4 依赖性细胞保护性代谢适应(20)，这与线粒体应激引起的代谢重编程相关。因此，研究人员检测了Irs1 KO还是nKO小鼠的代谢组学，分析发现在老年和年轻Irs1KO小鼠的TCA代谢物水平没有显着变化（图5G-H），表明TCA的变化不能NADH水平下降的主要原因。蛋氨酸、天冬酰胺和苏氨酸水平在老年雄性而非雌性Irs1KO小鼠的大脑中特异性增加（图5G）；与在Irs1KO小鼠中观察到的结果类似，苏氨酸、甲硫氨酸、甘氨酸和丝氨酸在nKO老年雄性小鼠的大脑中特异性积累（图5H），表明这些代谢变化是神经元 IIS 减少的结果。

图 5 敲除Irs1后，ISR相关的转录水平及代谢组出现差异

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

最后，研究人员观察了IRS1介导的大脑ISR激活是否可以激活外周组织中的线粒体ISR信号。比较了正常小鼠和nKO雄性小鼠的肝脏、肌肉、白色/棕色脂肪组织的Atf4、Atf5和Chop转录水平，发现特异性敲除神经元Irs1后外周组织的ISR相关的转录因子没有发生变化（图6）。

图 6 特异性敲除神经元Irs1后对其他组织ISR相关转录水平的影响存在性别差异

（图源：Baghdadi M, et al., Sci Adv, 2023 ）

文章结论与讨论，启发与展望

总之，本研究系统研究了组织特异性IRS1缺失对长寿的作用，发现神经元特异性IRS1缺失导致雄性小鼠的老年健康有所改善，而特异性敲除肝脏、肌肉和脂肪组织中的IRS1并没有改善小鼠的老年健康，这些结果展示了神经元IIS活性和性别在调节小鼠健康结果方面的重要性。 此外，研究还发现神经元IIS减少会特异性导致雄性线粒体功能障碍、Atf4信号激活以及与老年ISR反应一致的代谢适应。然而，本研究未涵盖所有的组织，它们可能对整个生物体产生不同的结果产生不同的反应，ISR通路的应激反应存在组织特异性，需要进一步的研究。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade8137

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本文完