从外周到中枢的信号促进长寿：溶酶体释放的脂肪酸介导组织间长程对话

衰老是生命体中多层次的生理功能逐步衰退的过程。不同细胞器之间、不同组织之间的相互作用信号参与该过程调控。其中，脂质是介导细胞器相互作用和组织相互作用的关键信号，在膳食中添加特定的脂质有延长寿命的作用。溶酶体是脂质代谢的重要细胞器之一，可能分解三酰甘油（TAGs）和胆固醇酯（CEs）释放出游离脂肪酸（FFA），在代谢、衰老和神经退行性疾病的调控中发挥重要作用。

近几年的研究表明，溶酶体还是细胞内的信号调控的重要细胞器，参与长寿调控。例如，秀丽隐杆线虫中一种特异表达于肠（线虫的外周脂肪储存组织）溶酶体中的脂肪酶LIPL-4在长寿突变线虫中高表达。在肠道中，溶酶体LIPL-4能经由LBP-8介导激活细胞核的脂质调控信号使线粒体的底物从葡萄糖转换为脂质，同时保护自身免于氧化性损伤，最终延长线虫寿命。

2022年6月9日，贝勒医学院的王萌教授团队在Nature Cell Biology上发表了题为《Lysosome lipid signalling from the periphery to neurons regulates longevity》的文章，发现外周脂肪储存组织溶酶体中的LIPL-4能诱导脂质降解，并通过中枢的神经肽通路促进线虫长寿。机制上，LIPL-4促进肠道细胞中溶酶体脂质降解，释放二高-γ-亚麻酸（DGLA）， DGLA与脂质伴侣蛋白LBP-3结合分泌到细胞外，长程运输后在神经元中激活核受体NHR-49，诱导EGL-3、EGL21和NPL11等神经肽相关基因上调，延长线虫寿命。该研究表明，溶酶体来源的信号不仅在亚细胞水平对细胞中细胞器间的通讯至关重要，而且在器官水平对生物体的组织协调也至关重要，这使其成为整体水平上优秀的促长寿靶标。

肠道中的溶酶体脂质降解能激活神经元中的信号通路

LIPL-4是一种特异表达于线虫肠溶酶体中的脂肪酶。作者前期研究表明过表达LIPL-4能显著延长线虫寿命。为了解其中的机制，作者对lipl-4转基因线虫(lipl-4 Tg)和野生型线虫进行RNA-seq，对lipl-4 Tg中上调基因进行分析后发现，除与长寿通路富集外，神经肽及其加工酶的神经肽信号通路也有富集，qRT-PCR进一步证实egl-21、pgal-1和pghm-1等神经元特异的神经肽合成相关基因在lipl-4 Tg中上调。这提示外周溶酶体的脂质降解可能调节神经元中基因的表达。进一步，作者发现egl-21功能缺失突变后, 过表达lipl-4不再能延长体线虫的寿命, 这提示LIPL-4需通过神经肽信号通路发挥延寿作用。

神经元分泌的NLP-11促进长寿

为了寻找ipl-4 Tg中调控长寿的神经肽，作者进行了基因组RNAi筛选，发现NLP-11失活可以缩短lipl-4 Tg线虫的寿命，而不影响WT；nlp-11功能缺失显著降低了lipl-4 Tg的寿命；在WT线虫中过表达NLP-11能延长线虫寿命。这表明，NLP-11有延长线虫寿命的作用，并且是lipl-4的下游事件。

NLP-11在神经元和肠道中都有表达。那么两者的NLP-11作用相同吗？作者选择性地敲除lipl-4 Tg线虫肠道中nlp-11，发现线虫寿命没有缩短；在神经元或肠道中选择性过表达nlp-11，发现仅在神经元中过表达nlp-11就足以延长寿命。这表明神经元nlp-11介导肠道溶酶体脂质降解的延寿作用。

溶酶体来源的PUFAs调节线虫的神经肽分泌和寿命

作者前期研究发现某些脂质有延寿作用。脂质代谢组学发现lipl-4 Tg线虫中多不饱和脂肪酸（PUFAs）的水平升高。为了明确这些PUFAs是否来源于溶酶体脂质降解，作者分离纯化了lipl-4 Tg线虫溶酶体并分析了其脂质成分。与WT相比，lipl-4 Tg溶酶体中总TAGs的水平大约降低了3倍，其中约三分之一的TAGs降解后能产生PUFAs。这些结果提示PUFAs很可能来自于溶酶体中LIPL-4催化的TAGs降解。

为了验证PUFAs是否能调控神经元中神经肽，作者分别构建了PUFA合成必需的ω-3脂肪酸去饱和酶FAT-1的功能缺失突变体和Δ6-去饱和酶FAT-3的功能缺失突变体。作者发现两个突变体能抑制lipl-4 Tg线虫中神经肽基因的上调、缩短lipl-4 Tg线虫寿命。FAT-1和FAT-3是肠道和神经元中的PUFA生物合成催化酶。作者发现仅在肠道中敲除FAT-1或FAT-3，选择性地降低了肠道中的PUFAs，就可以完全阻断lipl-4 Tg的延寿作用。这表明，肠道溶酶体脂质降解产生的PUFAs参与诱导神经肽产生和延长寿命。

PUFAs需要与外周脂质伴侣LBP-3结合调控线虫寿命

游离脂肪酸水溶性低，必须与蛋白质结合才能在疏脂环境中扩散。脂肪酸结合蛋白（FABPs）是可逆地结合FFAs及其衍生物并介导其运输和信号转导作用的蛋白家族。作者探究了能与PUFAs结合的多个神经元特异性FABPs，发现只有LBP-3缺失会抑制神经肽基因的诱导，缩短lipl-4 Tg线虫的寿命，而不影响WT的寿命。此外，过表达LBP-3的转基因线虫 (lbp-3 Tg) egl-3、egl-21和nlp-11等基因表达上调，寿命长于WT线虫，仅在线虫肠道中高表达LBP-3也有该效果。这提示，LBP-3与PUFAs结合介导了lipl-4对下游的神经肽信号通路的调控。

LBP-3分泌到细胞外调控下游的神经肽通路

肠道中的LBP-3如何调控神经中的神经肽通路呢？作者首先检测了LBP-3能否从肠道分泌到体腔。体腔细胞是线虫中一种清除细胞，从体腔中吸收分泌性物质，并作为分泌性蛋白质的监视器。作者构建了一个荧光标记线虫株，用GFP标记表达LBP-3的细胞，RFP直接融合LBP-3蛋白并标记。作者发现，WT线虫中GFP在肠细胞中普遍存在，而LBP-3 RFP融合蛋白在肠细胞内和体腔细胞中均有检出。这表明LBP-3能从肠分泌到体腔。作者还发现，在lipl-4 Tg肠道中LBP-3 RFP的分泌水平升高，而在肠道中过表达分泌信号缺失的LBP-3突变体，能阻断LBP-3的分泌，抑制神经肽基因诱导表达，缩短线虫寿命。这表明，LBP-3是需要从肠道中分泌进入体腔从而调控神经肽和寿命。  

DGLA调节LBP-3分泌、神经肽表达和寿命‍

为了进一步探究PUFAs和LBP-3是如何相互协调的，作者首先研究了PUFAs对LBP-3分泌的影响。使用fat-3 RNAi降低外周组织中PUFA的生物合成后，作者发现lipl-4 Tg中LBP-3 RFP分泌减少。这表明，lipl-4 Tg诱导PUFA可促进肠道LBP-3的分泌。fat-3 (lf)变异缺乏DGLA、AA、EPA和ETA等PUFAs，作者测试了这四种PUFAs和LBP-3亲和力，发现DGLA、AA和EPA能与LBP-3结合，而ETA不能。

作者接下来在线虫培养基中添加DGLA、AA或EPA，发现DGLA能够恢复fat-3(lf)-lipl-4 Tg线虫中的神经肽基因上调，而AA和EPA无此效果。此外，DGLA还能恢复fat-3(lf)-lipl-4 Tg线虫中LBP-3-RFP的分泌、延长线虫寿命。这表明，溶酶体脂质降解诱导DGLA促进肠中LBP-3脂质伴侣的分泌，LBP-3-DGLA信号传递到神经元并调节神经肽和寿命。

LBP-3和DGLA的结合具有特异性

DGLA与LBP-3的结合是否具有特异性呢？作者发现添加DGLA不能恢复lipl-4 Tg-fat-3(lf)-LBP-3 (lf)线虫中的神经肽基因的水平。这表明，DGLA需要通过LBP-3来调节神经肽。而在线虫中过表达LBP-3同源的LBP-2不会诱导神经肽基因的上调，并且LBP-2和LBP-3表现出明显的脂质结合偏好，与LBP-3结合PUFAs中DGLA占25%，而与LBP-2结合的PUFAs中DGLA仅为1%。这表明，LBP-2和LBP-3对DGLA具有不同的亲和力。

为了进一步探究LBP-3与DGLA结合的结构生物学基础，作者使用AlphaFold2比较了LBP-2和LBP-3的预测结构，发现了两者两个负责脂质结合的帽状α-螺旋序列存在差异。基于此，作者将LBP-3两个α-螺旋替换为LBP-2中的两个α-螺旋，发现LBP-3突变蛋白线虫中神经肽基因不能被诱导上调，其寿命也没有延长。这表明，LBP-3与DGLA结合特异性是调节线虫神经肽表达和长寿所必需的。

DGLA-LBP-3信号进入神经元激活NHR-49及下游神经肽通路

DGLA-LBP-3信号是如何被神经元接收的呢？为了检测分泌的LBP-3能否被神经元吸收，作者构建了特异表达GFP纳米体（GBP）的神经元mKate标记的线虫，并与仅在肠道中表达GFP融合的LBP-3的线虫杂交，在杂交品系中，如果从肠道分泌的LBP-3 GFP蛋白被神经元吸收，神经元GBP将捕获它们，使GFP在神经元可见。作者在杂交线虫的神经元中检测到了GFP信号，而在GBP或LBP-3 GFP线虫中均未检测到神经元GFP信号。这些表明LBP-3作为一种内分泌脂质伴侣，能从肠道运输到神经元，介导LIPL-4诱导的长寿。

作者在先前的研究发现LBP-8能介导lipl-4诱导的长寿，在肠道中LBP-8促进溶酶体到细胞核的脂质信号，激活核受体NHR-49和NHR-80以促进长寿。为了研究LBP-3和LBP-8之间有无交互，作者检测了长寿的lbp-8 Tg线虫中神经肽基因的转录水平，发现神经肽基因上调不显著。这提示LBP-3和LBP-8的下游调控通路不一致。作者还发现NHR-49功能缺失突变完全抑制lipl-4 Tg和lbp-3 Tg中神经肽基因的上调，但NHR-80突变的影响极小，在lbp-3 Tg:nhr-49（lf）线虫神经元中过表达nhr-49完全恢复了lbp-3 Tg诱导的神经肽基因上调和寿命延长。此外，nhr-49-mKate:nlp-11 GFP线虫中，nlp-11与NHR-49有荧光重叠。这表明来自外周的溶酶体脂质信号通过神经元NHR-49作用，调节神经肽和寿命。

总结

溶酶体是细胞内代谢的关键细胞器。溶酶体代谢的改变与衰老相关的代谢和神经退行性疾病有关。然而，溶酶体在代谢、神经系统和衰老之间的协调作用仍不清楚。本研究中，作者报道了一条由外周组织种溶酶体代谢诱导的脂质-神经肽信号通路及其在线虫中促进寿命的作用。作者发现，诱导外周脂肪储存组织中的溶酶体脂质降解，降解产物DGLA和LBP-3脂质伴侣蛋白结合从脂肪储存组织运输到神经元，上调神经系统中的神经肽信号通路，并通过神经元中的NHR-49核受体和NLP-11神经肽作用延长寿命。该发现揭示了溶酶体可作为协调代谢和衰老的信号中枢，并且溶酶体信号介导了促进长寿的组织间通信。

文：阿司匹林 SHLL

责编：Rena

链接：https://doi.org/10.1038/s41556-022-00926-8

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