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《细胞报告》:西湖大学吴连锋团队揭示生命早期维生素B12对成年期代谢与生殖性状的决定性作用及分子机制

已有 587 次阅读 2022-9-21 09:09 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年9月20日晚23时,西湖大学生命科学学院吴连锋团队Cell Reports发表了题为 "Early-life vitamin B12 orchestrates lipid peroxidation to ensure reproductive success via SBP-1/SREBP1 in Caenorhabditis elegans" 的研究论文。


该论文报道了生命早期维生素B12(简称B12)影响生物体成年期代谢与生殖特征的现象,及其跨时空调控作用的分子机制。

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随着经济发展和人民生活水平的提高,肥胖、2型糖尿病等代谢相关疾病已经成为全球性的公共健康问题。研究表明,环境和遗传因素之间复杂交互作用的失衡是导致代谢相关疾病发生的重要原因,但确切的发生机制尚不完全清楚。B12是生物体必需的一种微量营养素,在婴幼儿和青少年的发育活跃阶段,B12缺乏的现象较为常见。近期临床研究发现,母亲妊娠期B12的不足会诱发子代产生胰岛素抵抗、脂质代谢异常等代谢紊乱,提示在人群中生命早期B12的缺乏会导致成年后代谢相关疾病的发生。然而迄今为止,生命早期B12跨时空决定成年期代谢机能的发生机制还远不清楚。

1989年,David Barker博士根据大量流行病学的研究提出了“健康与疾病的发育起源(Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD)”的假说:当子宫环境不利时,如营养元素缺乏条件,胎儿在发育过程中则需要预测和适应性地调控基因表达以减少不利环境的影响。这种适应性基因调控的影响可能一直延续到出生后,最终导致成年后疾病的发生。近年来,DOHaD相关的研究十分火热,但其发生的分子机制仍然没有得到阐释,也因此根据该理论设计的临床干预并没有得到广泛的应用。

本研究利用秀丽隐杆线虫(简称线虫)为模型,发现生命早期B12的缺乏会导致成年期脂肪水平增加,毒性脂质累积,引发生殖细胞的铁死亡,最终造成线虫生殖能力下降的现象,该现象充分支持了DOHaD假说。同时,研究者综合利用化学遗传筛选、基因表达图谱分析和功能性实验等方法,鉴定出了一系列的关键信号分子,并证实这些遗传元件有望作为发育后期靶标逆转或治疗早期B12 缺乏引起的成年期肥胖或生殖缺陷。

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图1. 生命早期B12跨时空调控成年期脂质水平和生殖能力及其分子机制

在两种B12缺乏的线虫模型(饮食诱导的B12缺乏野生型线虫和核激素受体nhr-114/HNF4突变体)中,研究者首先观察到生命早期B12的缺乏会导致成年线虫脂质水平升高和生殖能力显著下降。后续研究发现,给亲本线虫(P0)补充足量的B12,其后代(F1)在发育过程中即使不再外源摄入B12,成年期的脂质含量和生殖能力也能恢复至正常水平。此外,研究者通过给不同发育阶段B12缺乏的线虫回补B12还发现,只有在生命早期发育阶段补充B12,线虫的脂肪水平和生殖能力才能恢复正常。由此证实,生命早期 B12 决定了线虫成年期脂质含量和生殖水平,且该效应存在一个重要的时间窗口。

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图2. 生命早期B12决定生物体成年期脂质水平与生殖能力

B12是甲硫氨酸循环代谢途径中的关键辅因子。研究者发现,当甲硫氨酸循环途径被阻断时,B12缺乏的线虫表现出更为严重的脂质累积和生殖缺陷,且无法通过补充B12来挽救。同时,阻断甲硫氨酸循环会激活固醇调节元件结合蛋白SBP-1/SREBP1,引起线虫的脂质水平显著升高;在B12缺乏的线虫中抑制SBP-1/SREBP1活性,可显著恢复其脂肪累积和生殖缺陷表型。这些结果表明:甲硫氨酸循环-SBP-1/SREBP1信号通路参与了B12跨时空调控生命体代谢与生殖的过程。此外,研究者证实SBP-1/SREBP1在响应甲硫氨酸循环活性的同时,还可以通过调节nhr-114/HNF4的表达调控机体B12的水平,进而维持线虫体内B12的代谢稳态,使线虫在B12 缺乏或过量条件下都能完成适应性的生存。

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图3. 生命早期B12通过甲硫氨酸循环-SBP-1/SREBP1信号通路影响生物体成年期健康状况

在检测来源于相同B12缺乏线虫亲本的后代脂肪含量时,研究者发现不育子代的脂肪含量明显高于具有生殖能力的子代组。降低脂肪酸的合成、延伸和不饱和化可以显著改善B12缺乏线虫的生殖能力,这一现象引发了研究者对相关现象机制性的猜测:生命早期B12缺乏线虫的生殖能力缺陷可能是由某些特殊脂肪酸的脂质毒性诱发的。研究者后续通过脂质组学分析和大量功能性实验证实了这一猜测,生命早期B12缺乏使内源性长链多不饱和脂肪酸水平升高,造成机体毒性脂质过氧化物的累积,进而诱发了生殖细胞的铁死亡,导致了线虫的生殖缺陷。

铁死亡自其概念于2012年被提出以来,一直受到生物医学领域的广泛关注,是癌症等疾病成因与治疗研究的热点之一。遗憾的是,当前报道的铁死亡现象大多来自于人为诱导的细胞或个体实验条件,生理条件下的铁死亡研究还鲜有报道。该研究报道的铁死亡模型,将为未来探究生理条件下铁死亡发生及调控的机制提供重要工具。

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图4. 生命早期B12缺乏导致的有毒脂质累积引发生殖细胞的铁死亡

在理解生命早期B12调控成年期性状的分子机制后,研究者进一步探究了SBP-1/SREBP1蛋白、长链脂肪酸不饱和化基因构成的信号轴和铁死亡是否可以发育后期靶标来逆转相关紊乱的发生,以实现成年期疾病治疗的目标。结果发现,在发育后期利用RNA干扰技术阻断SBP-1/SREBP1和脂质合成通路,或者向线虫补充铁死亡抑制剂,都可以部分挽救B12缺乏线虫生殖缺陷,提示这些途径有望成为相关成年期代谢疾病的治疗靶标。

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图5. 发育后期逆转生命早期B12的缺乏所带来伤害的靶标

综上所述,该研究不仅证实了生命早期B12对生物体成年期代谢生殖特征的决定性作用,还系统解析了其发生机制。本研究在分子层面首次揭示B12缺乏导致的代谢紊乱具有早期起源特征,相关作用通路有望成为成年期代谢紊乱和不育等疾病的治疗靶标,为临床指导孕期和儿童时期的营养摄入提供了理论支持,也为肥胖、2型糖尿病、多囊性卵巢综合征等可能具有早期起源特征的代谢疾病的基础与临床研究提供了新的思路。

西湖大学2017级博士研究生秦申璐为本文第一作者,吴连锋博士为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室及浙江省生长调控及转化研究重点实验室的资助和支持。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111381

吴连锋实验室综合运用分子生物学、遗传学、代谢组学等方法,在细胞及模式动物(线虫、小鼠)水平研究代谢与衰老相关疾病发生发展的分子机理,及相关病症治疗策略的研发。

主要研究内容包括但不限于:1)健康与疾病发育起源的分子机制探究;2)生物体能量代谢紊乱发生分子遗传机制的研究;3)衰老的遗传基础研究及衰老相关标志物的发现;4)抗2 型糖尿病药物二甲双胍的作用机制及其类似药物的研发。团队有招收代谢与衰老、遗传学、分子生物学等方向科研人才的长期需求。




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