2020年3月，MRC倫敦醫學科學研究所的 Helena M. Cocheme´教授和德國科勒大學的Christoph Kaleta教授在《Cell Metabolism》上合作發表論文。用果蠅模型證實了高糖飲食導致壽命的縮短並不是肥胖和胰島素抵抗所致，而是由於高糖飲食導致嘌呤合成與分解代謝增加誘發尿酸累積與尿結石的生成最終導致壽命縮短，這一表型可通過補水挽救，揭示了嘌呤代謝或許是影響壽命的重要因素之一。
高糖飲食會導致口渴、肥胖和代謝異常，從而引起包括2型糖尿病在內的各種疾病，並且會縮短壽命。胰島素抵抗、肥胖和衰老之間存在明顯的相關性，但其潛在機制仍不清楚。口渴是高血糖以及糖尿病的早期症狀，但尚未充分認識到水平衡在糖引起的代謝疾病和生存缺陷中的作用。因此本研究以果蠅為研究對象，研究體內水平衡與肥胖、胰島素抵抗和壽命的關係，並深入研究其潛在機制。1.將果蠅分為5%S+H2O、5%S-H2O、20%S+H2O和20%S-H2O四組，考察四種情況下果蠅的口渴、脫水以及壽命的差異，並排除遺傳和環境等外部因素對結果的影響。
2.考察高糖飲食引起的壽命縮短與肥胖、高血糖和胰島素抵抗的關係；深入分析高糖導致壽命縮短的機制。
3.參考果蠅的分析結果進行人的代謝組學研究，進而為人的相關疾病治療提供參考。
1. 補水可挽救高糖飲食導致的果蠅口渴、脫水以及壽命縮短
將野生型白果蠅(WDah)分別用5%含糖飲食(5%S)以及20%高糖飲食(20%S)餵養(圖1A)，其他飲食條件保持一致，根據供水情況進而分為四組：(5%S+H2O)、(5%S-H2O)、(20%S+H2O)、(20%S-H2O)。培養7天後，發現20%S-H2O組果蠅的吮吸次數相對於其他三組顯著增加(圖1B，1C)，即表現出口渴；第7天時四組的血淋巴體積沒有顯著差異，第28天時20%S-H2O組血淋巴體積顯著減小(圖1D)，即出現脫水現象，且口渴和脫水均可通過補水恢復(20%S+H2O組表現正常)。20%S-H2O組果蠅的壽命顯著短於正常組，且可通過補水恢復壽命(圖1E)，此實驗結果與遺傳變異(圖1E, 1F)、性別、糖種類(G)等因素無關。壽命隨著飲食含糖濃度的增加而顯著降低，補水後均可恢復正常壽命(圖1H, 1I)。2. 高糖飲食和補水對代謝性狀的影響
普遍認為，高糖飲食導致的壽命縮短是肥胖、高血糖和胰島素抵抗等代謝缺陷所導致的。但在本實驗中顯示高糖飲食組脂肪組織更厚(圖2A)、TAG含量更高(圖2B)，體內的糖基化物(圖2C)以及血藻糖水平(圖2D)顯著提高，AKT磷酸化水平顯著降低(圖2E,2F)，且以上表型並不能通過補水挽救。利用非代謝螢光葡萄糖分析胰島素對脂肪組織攝取葡萄糖量的影響發現胰島素並不能增加高糖飲食組的葡萄糖攝取量(圖2G)。因此，雖然補水後高糖飲食組果蠅壽命恢復正常，但仍存在肥胖、高血糖和胰島素抵抗症狀，三者與壽命長短無關。3. △foxo突變體對蔗糖的敏感性提高
轉錄因子FOXO是IIS通路的主要下遊受體，其缺失的果蠅營養感知能力受損，壽命明顯短於正常果蠅。以△foxo突變體為研究對象發現20%S-H2O和5%S-H2O組均出現了壽命降低的現象，且補水並不能使壽命完全恢復(圖3A, 3B)。△foxo 的20%S-H2O組在第七天就出現了血淋巴體積的顯著減小，出現脫水現象(圖3C)。降低飲食糖含量至2.5%時壽命恢復正常(圖3D)。比較5%S±H2O和2.5%S±H2O兩組的結果，發現含糖5%時果蠅即出現口渴症狀(圖3E)，但體內的甘油三酯含量依舊正常(圖3F)。表明△foxo突變體對蔗糖的敏感性更高，因此膳食中的最佳含糖量需要依據遺傳因素而變化。4. 高糖飲食對應激反應和腸道生理的影響
乾燥環境對高糖飲食果蠅壽命的影響可通過補水恢復(圖4A)，但高鹽環境下補水並不能恢復壽命，說明高糖飲食使果蠅對高鹽的敏感性顯著提高(圖4B)。20%S-H2O組果蠅排洩物的總量(圖4C)和大小(圖4D)顯著降低，且其排洩物大多呈現長圓形(圖4E)，亮度更低(圖4F)，但以上四個特性均可通過補水(20%S+H2O)恢復正常。用「藍精靈實驗」評估高糖飲食對腸道完整性的影響，四組無明顯差異(圖4G)。以上說明高糖飲食僅影響了腸道生理，並未影響其功能。5. 高糖飲食導致嘌呤分解代謝失調
馬氏管(Malpighian tubules)相當於果蠅的腎臟(圖5A)，是排洩、滲透調節和水穩態調控的重要器官。用顯微鏡觀察四組果蠅馬氏管的形態，發現20%S-H2O組馬氏管明顯更暗(圖5B)，而且管內結石(圖5C)以及總尿酸含量(圖5D)更高。尿酸是嘌呤代謝的終產物，因此研究者猜想高糖飲食會增加嘌呤生物合成的前體，並促進嘌呤的分解代謝，導致尿酸積累(圖5E)。黃嘌呤氧化酶抑制劑別嘌呤醇(AP)可阻斷尿酸的產生(圖5E)，用AP(1mM)處理後20%S-H2O組果蠅的尿酸水平恢復正常(圖5F)，管內結石消失(圖5G和5H)。20%S-H2O組果蠅的腎小管分泌率降低了0.5 nL/min，通過補水和AP治療均可得到充分緩解(圖5I)。血淋巴中的尿酸水平升高是管內結石形成的主要原因(圖5J)，酸化部位在中腸到馬氏管段(圖5K)，且其排洩物也會出現明顯的酸化(圖5L)。即高糖飲食會導致尿酸水平升高和馬氏管酸化，從而促進尿酸結石的形成。6. 以嘌呤代謝為靶點的治療對壽命的影響
解剖經AP(1mM)處理過的果蠅發現其直腸壺腹中有大量的結石(圖6A)，加AP後5%S+AP組的結石率低於20%S+AP組，但均大於80%，相比之下，不加藥物時20%S組的結實率均小於10%(圖6B)。AP濃度為100μM時，雖延長了20%S的壽命，但對照組壽命縮短(圖6C)，降低AP濃度至10 μM後，挽救20%S組壽命的同時不影響對照組壽命(圖6S)。比較5%S±H2O與5%S+purine±H2O顯示正常飲食中補充過量的嘌呤會導致尿酸水平升高(圖6D)並導致小管結石的形成(圖6E)，其程度與高糖飲食相似，補充水可恢復。且高嘌呤飲食會顯著縮短壽命，補水使壽命恢復(圖6F)。以上結果表明高糖飲食導致嘌呤分解代謝失調，進而導致尿酸積累並形成結石，使得果蠅壽命降低。
7. 糖攝入量與腎功能和嘌呤水平的關係——人的代謝組學分析
以650個受試者為研究對象，通過問卷調查其飲食組成，用以評估飲食中的代謝物種類；後取血清經LC-MS技術測定血清中的代謝物(圖7A)。尿酸、鳥苷和肌苷的含量與腎功能(eGFR: 腎小球濾過率，評估腎功能)呈負相關，其中尿酸最為顯著(圖7B)，黃嘌呤、次黃嘌呤與腎功能呈正相關。腎功能與年齡以及糖(特別是果糖和蔗糖)的攝入量具有強相關性(圖7C)，而與嘌呤的攝入無關(圖7D)。同時血清嘌呤水平也與飲食中的葡萄糖最為相關(圖7F)，主要原因是血清中嘌呤主要來源於飲食中的果糖、蔗糖 (圖7E)，而並非來源於富含嘌呤的食物(魚和肉)。即高糖飲食通過增加人體內嘌呤水平影響其腎功能，與果蠅的研究結果一致。高糖飲食引起的壽命縮短與肥胖和胰島素抵抗無關，而是由於糖增加了嘌呤生物合成代謝的前體，促進了嘌呤分解代謝，使得尿酸含量增加，進而導致結石使得壽命縮短，雖然補水可以挽救高糖引起的壽命縮短，但並不會改變其代謝缺陷。本研究為糖尿病模型的複雜病理學及其與壽命的複雜關係提供了分子見解，對嘌呤代謝的深入研究有望為患者的壽命延長以及治療找到新的靶點。Van Dam E, Van Leeuwen L a G, Dos Santos E, et al. Sugar-Induced Obesity and Insulin Resistance Are Uncoupled from Shortened Survival in Drosophila[J]. Cell Metab, 2020
文獻整理: 高杉杉
指導教師：賀玖明
再帕爾·阿不力孜科研團隊
第58期
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