代谢学人

Cell Metabolism：衰老代谢，稳中有变

撰文 | 吴世林 陈芳芳 胡敏 张俊 武霞 郭明伟

编辑 | 孟美瑶

校对 | 胡敏

背景介绍

衰老过程伴随着机体代谢的显著变化。在哺乳动物的老年阶段，每日总能量消耗会下降，但肥胖和体重往往会随着年龄的增长而增加。据报道，衰老哺乳动物会表现出以下的代谢转变。例如，碳水化合物代谢转向脂肪代谢，线粒体蛋白表达和活性降低，血清中的代谢组发生改变，出现高胰岛素血症和胰岛素抵抗，组织中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和牛磺酸水平下降。这些发现促使人们开始研究生酮饮食、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）前体补充剂以及牛磺酸补充剂的抗衰老潜力。

代谢组学和同位素示踪技术是测量代谢物丰度变化及代谢途径活性（代谢流/代谢通量）的有效手段。（小编注：代谢物周转率：代谢物周转率是指单个代谢物的周转速率，描述的是某一个特定代谢物池被消耗和重新合成的速率。它代表动态过程是该代谢物在“合成”和“消耗”两个反向过程之间的循环速度，衡量的是这个代谢物分子的“寿命”或“停留时间”。一个高的周转率意味着该代谢物非常活跃，被快速消耗，同时又通过合成被快速补充，低周转率表示代谢物在体内停留时间长。其中循环代谢物周转率，是特指某一代谢物在循环系统（血液）中的更新速度。代谢物通量：代谢物通量是指单位时间内通过某个代谢发应或代谢路径的物质量，是指代谢网络中，流经某一特定反应或某一组反应（即一条途径）的净流速。它代表了在稳态条件下，物质和能量在代谢网络中流动的强度。通量体现的是代谢活性，通量大说明该反应/路径在短时间内大量通过分子，通量小说明该通路活动低。代谢流变化：代谢流变化描述的是在不同条件（如营养状态、药物处理、衰老等）下，通量的上调或下调，以及代谢网络中碳/能量流向的重分配，是指整个代谢网络中通量分布发生的动态重排和调整。它不是描述一个静态的流量，而是描述从一种稳态通量模式切换到另一种稳态通量模式的动态响应过程。通量代表的反应速度，而周转率指的是这个代谢物池被更新的速度，而代谢流变化指的是不同条件下通量的差异。其中在大多数研究语境中，代谢流变化和代谢通量变化是一个意思，他们都指在两个条件下，代谢物通量发生了上升、下降或者重分配的变化）。同位素示踪研究揭示了哺乳动物代谢的基本特征，例如循环乳酸是三羧酸循环的主要碳源，而肝脏的SHMT是全身甘氨酸的主要消耗途径（小编注：丝氨酸羟甲酰转移酶（SHMT）催化的途径是一碳代谢的关键反应，即SHMT负责催化丝氨酸与甘氨酸的相互转化，并伴随着一碳单位向四氢叶酸（THF）的转移/转出，这一过程分别由SHMT1和SHMT2催化。其中甘氨酸也可被GCS分解，产生与四氢叶酸（THF）结合的单碳（1C）单位。丝氨酸和甘氨酸的一个主要功能是提供1C单位，用于嘌呤、胸腺嘧啶和甲硫氨酸的合成。丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）能催化一系列反应，如丝氨酸和甘氨酸的可逆相互转化、3-羟基氨基酸的H4PteGlu非依赖性裂解、氨基丙二酸的脱羧等。SHMT在一碳代谢中起重要作用，其表达与肿瘤的生长和预后有关。）。研究人员进一步揭示了机体在生理挑战下的代谢底物转换机制，例如棕色脂肪组织在低温刺激下会增强葡萄糖摄取与分解代谢活动。先前在酵母和果蝇中的研究表明，衰老会影响代谢流。针对小鼠的研究已考察了血清或特定器官的衰老代谢组学特征，通常采用单一性别的小鼠进行实验。然而，就哺乳动物的循环代谢流而言，目前仅测得两种衰老状态下的循环代谢流：烟酰胺和葡萄糖，这两种物质在衰老小鼠体内均保持稳定。同样，组织代谢流测量表明衰老小鼠的视网膜中糖酵解能力得以维持，但其他的循环代谢流和组织代谢流随年龄变化的规律仍需评估。

衰老的许多代谢特征与肥胖所呈现的特征颇为相似。肥胖源于能量摄入超过消耗，导致脂肪堆积。肥胖会导致循环瘦素水平升高，同时胰岛素敏感性下降（与年龄无关），从而引发高血糖及其他代谢缺陷。衰老和肥胖均会促进2型糖尿病的发生，并降低预期寿命。

在此，研究人员对C57BL/6J小鼠进行系统性地代谢组学分析，并结合稳定同位素示踪技术，探究年龄相关的代谢变化。在血清和组织代谢组中，他们发现了随衰老而发生的广泛代谢变化。然而，循环代谢流分析显示主要代谢流得到了保留。衰老过程中，谷氨酰胺的代谢流出现了轻微但具有统计学意义的上升，而其他主要的循环碳载体则未表现出代谢流变化。

敲黑板啦！

1. 许多代谢物浓度随年龄增长发生显著变化；

2. 主要的代谢流随年龄增长而保持高度稳定；

3. 在核心代谢物中，仅谷氨酰胺代谢流发生显著变化（最高增加30%）；

4. 包括4-羟基脯氨酸在内的代谢物，其浓度和通量变化一致。

 研究结果

1、C57BL/6J小鼠体内的循环代谢物水平随年龄增长而发生显著改变

为了全面研究衰老伴随的代谢变化，研究人员从年轻（3-6月龄）和老年（21月龄以上）小鼠身上采集了血液样本。并通过液相色谱-高分辨率质谱法（LC-MS），对超过170种血清代谢物的浓度进行了一致的定量分析。他们通过拟合线性模型评估了年龄及其与性别的交互作用对这些代谢物丰度的影响。在经过错误发现率（FDR，false discovery rate）（FDR，用来控制假阳性数据的比例，目的是使数据更可靠，在文献中，看到“FDR-adjusted p-value”或“q-value”，它们指的都是这个经过FDR校正后的p值）。校正后，大约30%代谢物因为年龄的变化发生了显著性改变，5%代谢物变化取决于年龄和性别的交互作用（图1A；表S2）。为了评估代谢物浓度随年龄变化的时间模式，研究人员对另一群C57BL/6J小鼠样本进行了LC-MS分析，该群体涵盖了从年轻到老年的整个生命周期（表S3）。通过线性回归评估与年龄相关的趋势，研究人员发现，在初始研究中显示出显著年龄效应的代谢物，在寿命研究中也往往呈现出与年龄大致线性的对应趋势（图S1A、B）。

血糖仪测量结果证实衰老过程中血糖水平下降，酮体试纸显示酮体含量减少，这与LC-MS检测显示的3-羟基丁酸和乙酰乙酸含量下降结果一致（小编注：3-羟基丁酸和乙酰乙酸是酮体的两种主要形式）（图1A和1B）。循环中的甘油三酯浓度也降低，但血清游离脂肪酸的总量并未随年龄发生显著变化，这与血清中两种最丰富的脂肪酸（棕榈酸和油酸）不随年龄变化的结果一致（图1A、C）。与葡萄糖等循环代谢物水平降低形相反的是，老年小鼠的瘦素和胰岛素水平升高（图1D；表S4）。一种可能的解释是，老年小鼠中胰岛素的分泌增加导致了葡萄糖和其他循环代谢物水平的降低。

图1 | 衰老重塑血清代谢组

图S1 | 部分血清代谢物在不同年龄段呈现线性变化，且老年小鼠循环胰岛素和瘦素水平升高

2.衰老小鼠的核心循环代谢通量基本保持不变

代谢活动旨在产生能量和生物质前体。因此，除了了解代谢物水平外，量化代谢反应的速率也具有重要价值。代谢物在循环系统中的流入与流出速率可以反映其全身合成水平，这可以通过向体内灌注稳定同位素标记的代谢物，并测量内源性代谢对所灌注示踪剂的稀释程度来测定（小编注：示踪剂是会被排出的，研究人员在方法中提到，他们尝试灌注不同时间，然后通过尾部采血的方式收集血液，制备血清，通过血清LC-MS分析确认了同位素稳态的时间，最终他们确定在大多数代谢物输注至少持续2.5小时以达到同位素稳态，而少数代谢物—牛磺酸、己酰甘氨酸、肉芭酰肉碱和羟脯氨酸——在输注2.5小时后未能达到稳定循环标记，因此被注入6至8小时以确保稳态标记）。为了探讨核心代谢活动如何随衰老而变化，研究人员向经导管植入、可自由活动的年轻（3-6月龄）和衰老（21月龄以上）野生型C57BL/6J小鼠体内灌注了涵盖中心代谢途径的标记代谢物（图2A）。研究的示踪剂包括最高通量的循环碳载体：葡萄糖、乳酸、乙酸和甘油；以及其他主要循环代谢物，包括棕榈酸、3-羟基丁酸、大多数氨基酸和牛磺酸。通量测量的基础是，以相同速率向所有小鼠灌注示踪剂（不考虑体重），并以每只小鼠为单位进行记录（体重标准化的数据参见表S5）。值得注意的是，尽管葡萄糖、3-羟基丁酸、乳酸、丝氨酸和许多必需氨基酸的血清浓度在衰老中发生了显著改变，但在整个小鼠的层面上，这些代谢物的代谢通量均未发生改变。实际上，在所有测量的核心代谢流中（定义为循环代谢流大于100 nmol/min/只小鼠），只有谷氨酰胺表现出显著变化，且随年龄增长呈渐进趋势，但幅度有限（在2岁龄时增加约30%）（图2B，S2A、B）。（小编注：文中的代谢通量是通过稳定同位素示踪技术来检测的，（1）同位素灌注：将带有稳定同位素标记的代谢物以恒定速率灌注到小鼠体内。（2）稳态测量：持续灌注至少2.5小时（部分代谢物需6-8小时），直至血液中标记代谢物的比例达到稳定状态。（3）质谱分析：通过高分辨率液相色谱-质谱联用技术分析血清样品，测定标记代谢物及其不同标记形式的离子计数。

L：灌注的标记形式（含n个标记原子）在总该代谢物中所占的分数；分母是所有不同标记数量（从0到n）的该代谢物离子计数之和。R：标记代谢物的灌注速率（单位时间灌注的量）。Fcirc：代表该代谢物在全身范围内的净生产速率（即循环通量）。)

图2 | 与肥胖相比，核心代谢通量在衰老过程中更为稳定

图S2 | 谷氨酰胺通量随年龄稳定增加（尤其在老龄雌鼠中），肥胖雌鼠的甘油、葡萄糖和乳酸通量升高

3.肥胖导致的中心代谢流变化比衰老更显著

衰老的若干代谢特征与肥胖相似，例如体重增加和胰岛素抵抗。鉴于衰老过程中代谢流变化有限，研究人员想知道肥胖是否也会表现出类似的代谢流保守性。为探究此问题，研究人员测量了年轻肥胖小鼠（ob/ob，3-5月龄）与同龄WT小鼠的代谢物水平和循环代谢流速（F _circ）（图2A）。ob/ob小鼠因缺乏瘦素而出现过量摄食，导致肥胖和寿命缩短，这使得对其老年代谢状态的分析难以实施。正如预期的那样，ob/ob小鼠的葡萄糖和甘油水平升高，而老年小鼠的葡萄糖水平降低，甘油水平没有受到影响（图1B、2B-C）。与之前关于肥胖症中循环通量的文献一致，年轻ob/ob小鼠的葡萄糖、乳酸和甘油代谢通量比年轻WT小鼠高50%–85%（图2C-D和S2C；表S5）。

研究人员发现，在ob/ob小鼠中，亮氨酸（ leucine）和赖氨酸（lysine）的代谢通量也显著增加，而缬氨酸（ valine）和蛋氨酸（methionine）的通量则减少（图2C）。在肥胖研究中未被广泛探讨的其他代谢流，如乙酸、酮体和其他氨基酸，在WT小鼠和ob/ob小鼠之间没有显著差异。其中包括谷氨酰胺的代谢通量，它会随着年龄的增长而增加，但在肥胖并没有导致其增加（图2D，S2A和S2C；表S5）。然而，研究人员观察到在肥胖中牛磺酸代谢通量显著增加，而在衰老中没有变化。因此，衰老和肥胖导致了不同的代谢通量变化；肥胖改变了多种最重要的循环碳载体的代谢通量，而衰老则选择性地改变了谷氨酰胺的循环代谢通量。（小编注：代谢流增加意味着该物质在循环系统中的“周转率"变快了，但这同时包含了它的“生产"和“清除/利用”过程都加快了。）上述分析表明，核心代谢物的代谢通量在衰老过程中得以良好维持。具体而言，核心代谢流随着年龄增长的变化幅度小于随肥胖的变化幅度。此外，核心代谢流的变化幅度小于同种代谢物浓度的变化幅度。为了进行定量评估，研究人员比较了衰老过程中代谢物“通量”与“浓度”的对数倍变化绝对值（图2E）。结果表明，代谢流相较于浓度得到了更好的维持。研究人员对肥胖进行了同样的分析表明，浓度变化与代谢流变化的程度没有差异。接下来，研究人员比较了衰老（老年:年轻）和肥胖（ob/ob：WT）两种状态下代谢物浓度对数倍变化绝对值，他们发现衰老和肥胖引起的代谢物浓度变化幅度相当。最后，研究人员对代谢流进行了分析，发现肥胖导致的代谢流变化幅度显著大于衰老导致的变化（小编注：在肥胖状态下，对核心代谢物的整体生产和消耗速度更快。反映了肥胖状态下的一种代谢亢进现象，通常与胰岛素抵抗相关。身体为了克服胰岛素抵抗、维持血糖稳定，不得不以更高的速率进行代谢周转。在衰老状态下，对核心代谢物的整体生产和消耗速度则保持稳定。尽管老年小鼠的代谢物浓度发生了显著变化（如血糖降低），但除了谷氨酰胺外，几乎所有核心代谢物的循环通量都与年轻小鼠无异。这表明，衰老的机体通过复杂的调节机制（如文中提到的，通过增加胰岛素水平来抑制脂肪分解和糖异生），成功地维持了核心能量代谢通路的整体运转速率。对比说明，肥胖是一种导致核心代谢通量加速的状态，而衰老则是一种核心代谢通量得以维持但浓度失调的状态。这凸显了代谢系统在衰老过程中具有显著的稳定性）。由此可见，核心代谢物的循环代谢流在衰老过程中保持良好，反映了代谢活动对年龄的变化具有基本的稳定性。

4.谷氨酰胺代谢流在老年小鼠中升高

鉴于仅仅谷氨酰胺在老年小鼠体内循环代谢通量升高，研究人员选择进一步研究谷氨酰胺代谢。循环谷氨酰胺是碳和氮的重要载体。其碳骨架以α-酮戊二酸的形式进入TCA循环，而其氮元素则用于驱动核苷酸合成和尿素循环。谷氨酰胺来源于宿主和膳食蛋白质的分解，以及通过谷氨酰胺合成酶的内源性合成，其中骨骼肌是主要的谷氨酰胺产生器官。为探究谷氨酰胺在年轻小鼠与老年小鼠体内的代谢去向，研究人员使用双标记的[U-¹³C，¹⁵N]谷氨酰胺进行了额外的输注实验。这些实验证实，无论是在禁食还是重新进食状态下，谷氨酰胺F_circ在衰老过程中均升高（图3A）。通过使用双标记示踪剂，研究人员能够追踪谷氨酰胺的碳原子和氮原子的下游代谢去向。研究人员发现，进入循环中的α-酮戊二酸和柠檬酸中¹³C标记量略有增加，但葡萄糖或乳酸中未出现这种现象，这表明年龄相关的谷氨酰胺循环代谢通量增加与TCA循环途径的代谢增强有关，而非苹果酸酶的作用或糖异生作用所致（图3B）。这种效应是谷氨酰胺独有的，因为研究人员发现其他输注底物（包括甘油、乳酸和丝氨酸）的下游代谢物在循环系统中并未发生变化（图S3）。在组织中，谷氨酰胺对TCA循环的贡献在衰老的大脑、膈肌、眼睛、肾脏、肝脏、肺、股四头肌、比目鱼肌、脾脏和空肠中均有增加（图S4A）。相比之下，在各种组织中，他们未发现来自葡萄糖、3-羟基丁酸、甘油、乳酸或棕榈酸的TCA循环标记物随年龄增长而发生任何变化（图S4B-F）。

扩展阅读：谷氨酰胺氮元素的命运

1. 进入核苷酸合成：

谷氨酰胺是核苷酸从头合成的重要原料。在嘌呤核苷酸从头合成中，谷氨酰胺提供酰胺基，参与合成嘌呤环的第3位和第9位氮原子。具体过程如下：

1) 核糖-5'-磷酸在磷酸核糖焦磷酸合成酶作用下生成5'-磷酸核糖-1'-焦磷酸（PRPP）。

2) 谷氨酰胺提供酰胺基，在磷酸核糖酰胺转移酶催化下，取代PRPP上的焦磷酸，形成5'-磷酸核糖胺（PRA）。

3) PRA在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、CO²、天冬氨酸的参与下逐步合成次黄苷酸（IMP），谷氨酰胺提供的氮原子成为嘌呤环的一部分。

4) IMP再分别转变成腺嘌呤核苷酸（AMP）与鸟嘌呤核苷酸（GMP）。

在嘧啶核苷酸从头合成中，谷氨酰胺也是重要原料。氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ以谷氨酰胺和二氧化碳为原料合成氨基甲酰磷酸，氨基甲酰磷酸是嘧啶核苷酸合成的中间产物，参与嘧啶环的形成。

2. 进入尿素循环：

在肝细胞线粒体中，谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下分解为谷氨酸和氨。

谷氨酸在谷氨酸脱氢酶作用下，氨从谷氨酸中被夺走，转化为α-酮戊二酸，释放出的自由氨进入尿素循环。

另一部分谷氨酸在天冬氨酸转氨酶作用下，与草酰乙酸结合形成天冬氨酸和α-酮戊二酸，天冬氨酸携带氨基进入尿素循环，为尿素合成提供第二个氮原子。

扩展阅读：谷氨酰胺的主要代谢命运

谷氨酰胺通过特定转运蛋白（如SLC1A5）进入细胞后，首先，谷氨酰胺在谷氨酰胺酶（GLS/GLS2）的作用下脱酰胺生成谷氨酸；随后，谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶（GLUD）或转氨酶（Aminotransferase）的作用进一步转化为α-酮戊二酸（α-KG），从而正式进入三羧酸循环。α-KG在TCA循环中历经一系列反应，转化为苹果酸，于是通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径进入细胞质，在胞质中由苹果酸酶（ME）催化，进行氧化脱羧反应。这一关键步骤同时产生丙酮酸和NADPH。产生的丙酮酸既可以在乳酸脱氢酶（LDH）的作用下被直接还原为乳酸，也可以作为起始底物，进入糖异生途径，经过草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸等一系列糖异生中间步骤，最终合成葡萄糖。

参考文献：

[1] Altman BJ, Stine ZE, Dang CV. Nat Rev Cancer. 2016 Oct;16(10):619-34.

研究人员还发现，从谷氨酰胺的¹⁵N进入支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）有轻微但一致性的增加，这表明谷氨酰胺通过谷氨酸的转氨作用通量也有所升高（图3C）。（小编注：谷氨酰胺本身并不直接将其氮原子交给BCAAs。它首先需要转化为谷氨酸，然后谷氨酸再作为直接的氮供体。）因此，谷氨酰胺作为氮供体和TCA底物在衰老过程中的利用率均有所增加。

图 3 | 谷氨酰胺对下游代谢物的贡献随年龄增长而增加

图S3 | 由不同输注示踪剂标记的其他循环代谢物，其下游标记丰度未随年龄发生显著变化

5. 衰老小鼠中赖氨酸分解代谢为哌啶酸的过程增强

研究人员注意到，在衰老的过程中，尽管许多氨基酸的水平发生了变化，但氨基酸代谢通量却始终保持稳定性。一个合理的解释是：蛋白质分解代谢的总体速率在衰老过程中并未发生显著变化。由于这是空腹状态下循环氨基酸的主要来源，所以当全身蛋白质分解代谢通量保持不变时，必需氨基酸的通量也就得以保留。然而，这些氨基酸的利用效率可能会有所不同，从而影响它们的浓度或潜在的下游命运。在血清代谢组学数据中，研究人员并未观察到与年龄相关的赖氨酸浓度变化，但他们注意到氨基己二酸水平的降低和哌啶酸水平的升高——这两种物质都通过不同途径由赖氨酸衍生而来（图1A和4A）。

氨基己二酸是通过酵母氨酸途径产生的，而哌啶酸是通过哌啶酸途径产生的（图4A）。鉴于血清中丰度的变化，研究人员想知道赖氨酸分解代谢途径是否也发生了相关的改变。尽管衰老小鼠的赖氨酸循环代谢通量没有改变（图2B和4B），但研究人员发现由赖氨酸标记的环戊二烯酸循环水平在老衰老小鼠体内升高，同时氨基己二酸的标记水平也相应减少（图4C）。随后，研究人员探究了哌啶酸的循环代谢通量是否也发生了相应的改变。通过灌注同位素标记的哌啶酸实验，研究人员发现衰老小鼠体内的哌啶酸循环通量显著增加（图4D）。

为了进一步探究全身赖氨酸分解代谢出现的明显变化，研究人员对多只衰老小鼠的十几种组织进行了代谢组学分析。虽然血清赖氨酸浓度没有变化，但多种组织中赖氨酸浓度均出现下降（图4E）。与血清中的情况类似，大多数组织中的氨基己二酸浓度均呈下降趋势。相比之下，哌啶酸的浓度则普遍升高（图4E）。由此可见，衰老小鼠的赖氨酸分解代谢发生转变，从酵母氨酸途径转向哌啶酸途径，其循环系统赖氨酸水平和通量保持不变，但许多衰老组织中却出现赖氨酸耗竭现象。

图4 | 衰老促使赖氨酸分解代谢转向哌啶酸途径

图S4 | 除谷氨酰胺对TCA循环的贡献增加这一特例外，各组织的TCA循环碳源随衰老未见显著变化

6. 衰老小鼠体内牛磺酸的循环代谢通量与浓度均保持稳定

牛磺酸是一种氨基磺酸，常被认为与衰老过程相关联。在2023年，Singh等人报道称，无论是C57BL/6J小鼠还是人类，其体内循环牛磺酸水平均随着年龄增长而下降，且补充牛磺酸可以延长小鼠和猴子的寿命。研究人员对核心循环代谢通量的系统分析表明，牛磺酸通量在ob/ob小鼠体内增加了两倍以上，但在老年小鼠中没有发生变化（图2B-C、5A和S5A）。

考虑到衰老过程中未观察到代谢通量的变化，研究人员重新考察了牛磺酸浓度是否会随着衰老而发生变化。与Singh等人的研究结果相反，但与Fernandez等人的最新数据一致，他们的数据未显示血清牛磺酸浓度随肥胖（ob/ob）或衰老而存在差异（图5B）。Singh等人与本研究在方法学上的差异在于血清牛磺酸的测定方法：近期的报告采用ELISA法，而本研究的作者使用的是LC-MS法。为了直接比较这两种方法，研究人员采用LC-MS和近期报道中使用的商用ELISA试剂盒对血清样本进行重复检测。ELISA获得的数据与LC-MS测量结果毫无相关性（图S5B）。通过LC-MS测量的绝对浓度约为450 μM，与参考值一致，而通过ELISA测量的浓度则低两个数量级以上（低于1 μM）（图5B，S5B-C）。与Singh等人的研究不同，他们自己的ELISA分析并未发现任何与年龄相关的血清牛磺酸耗竭现象（图S5C）。因此，该商用ELISA试剂盒无法准确测定小鼠血清牛磺酸浓含量。此外，与成熟的年轻小鼠相比，衰老小鼠的血清牛磺酸浓度并未降低。研究人员检查了在衰老过程中是否有一个或多个与牛磺酸相关的代谢物出现耗竭。饱和酰基牛磺酸（例如N-棕榈酰牛磺酸）在某些组织中轻微增加而在其他组织中减少，而不饱和酰基牛磺酸（例如N-油酸牛磺酸）在血清和组织中几乎普遍增加（图5D-E和S5D）。在所有可以检测亚牛磺酸的组织中，其浓度均呈下降趋势（血清水平未检测出）（图5F）。因此，亚牛磺酸水平随衰老进程而降低，而牛磺酸代谢的其他大多数方面则保持稳定或有所增加。

图5 | 老年小鼠的牛磺酸水平与通量保持稳定

图S5 | 组织中酰基牛磺酸水平随年龄改变，但循环牛磺酸水平不变

7. 不同组织中年龄诱导的代谢变化程度在存在差异

鉴于牛磺酸、赖氨酸等代谢物浓度在循环系统中始终保持稳定，却在组织中随年龄增长而发生变化，研究人员更广泛地表征了衰老组织的代谢组学特征，全面覆盖了15种组织中超过400种小分子代谢物（平均每种组织定量约230种代谢物）（图6A；表S6和S7）。主成分分析显示，不同组织具有特征性的代谢组谱，且在不同性别间基本一致（图S6A）。在此背景下，许多代谢物在不同组织中表现出一致性的变化（图4E和6A）。而其他变化则仅见于特定单一组织或少数组织亚群。总体而言，大脑和肠道的代谢组在衰老过程中高度保守，而眼睛、肾脏和皮肤的代谢组则发生了更强烈的变化（图6A和S6A）。在肌肉组织中，不易发生年龄相关性肌少症的心肌、比目鱼肌和膈肌，其代谢变化程度远小于易患肌少症的股四头肌。此外，尽管许多组织的变化在两性之间是一致的（跨组织统计中位数显示，51种代谢物表现出年龄主效应，而12种代谢物表现出显著的年龄与性别交互作用），但在股四头肌中有超过100种代谢物显示出这种交互作用（图S6B）。

鉴于不同组织间的代谢变化范围较广，研究人员想知道组织代谢组的变化在多大程度上反映了血清中发生的变化。为此，研究人员比较了血清与个体组织中代谢组变化的幅度。结果发现，血清中代谢物水平的变化通常大于组织中的变化，这表明组织代谢稳态机制在衰老过程中基本得以保留（图6B）。该分析进一步揭示，某些组织在很大程度上反映了衰老诱导的循环代谢组变化，而其他组织则不然（图6B和S6C）。在肌肉和肾脏中，约一半的年龄诱导的代谢物水平变化可以通过血清代谢组学来解释（图6B和S6C）。相比之下，在肝脏和大脑中，血清与组织代谢变化的关联性较弱，而在眼睛中则呈现负相关，这表明眼睛在衰老过程中执行了一套独特且广泛的组织内在代谢变化程序（图6B）。

图6 | 一部分代谢物在大多数组织中发生变化

图S6 | 衰老对不同组织和性别的代谢组产生差异性影响

8. 部分代谢物在多数组织中普遍发生改变

接下来，研究人员针对每种代谢物评估了其水平随年龄发生显著变化的组织数量。研究人员将所得到的直方图与二项分布进行了比较，该二项分布反映了代谢物水平改变在化合物和组织间随机分布时的预期分布情况（该分析聚焦于在15种组织中至少8种组织中能跨性别检测到的代谢物）。实验观察到的分布显著偏向二项分布的尾部（p = 6e–5；图6C）（小编注：二项分布，这是一个理论上的随机模型。它模拟的是，如果代谢物是否发生变化完全像抛硬币一样随机（例如，在每个组织中有50%的几率发生变化），那么我们会看到图c中的随机分布情况。而文章实际的数据直方图分布更偏向于二项分布的尾部，则表示研究中发现的代谢物变化是高度非随机、具有系统性生物学规律）。许多代谢物仅在极少数组织中发生变化，可被视为“衰老稳健型指标”；而另一些代谢物则在大多数组织中发生变化，因此是“广泛衰老敏感型指标”（图6C）。

研究人员重点关注了衰老敏感的代谢物，这些代谢物在所检测的15种组织中，至少有7种呈现出显著的年龄相关变化（即均增加或均减少），且变化方向一致。研究人员共确定出了19种符合此标准的代谢物（图6D）。这些代谢物涉及了多种代谢途径，包括多不饱和脂肪酸、氨基酸、酰基甘氨酸和酰基牛磺酸。其中还包括了多种参与单碳代谢的氨基酸：丝氨酸、甘氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸，这些氨基酸的水平在衰老过程中均呈现下降趋势。

9. 除核心代谢之外，代谢物水平的变化与代谢流变化一致

研究人员在上述分析中识别出的一组对衰老敏感的代谢物，这些代谢物在不同的组织中显示出强烈的整体一致性。这些代谢物包括：4-羟脯氨酸（来源于修饰蛋白残基的分解，尤其是在胶原蛋白中）、1,5-脱水葡萄糖醇（也称为1-脱氧葡萄糖，一种主要来源于饮食的单糖）、己酰甘氨酸和肉豆蔻酰肉碱（C14:0酰肉碱）（图7A和6D）。

研究人员想知道这些外周代谢物在多种组织中丰度变化的根本原因。对于核心代谢物，其浓度变化很少反映其底层代谢流的变化（图2B）。然而，对于赖氨酸的代谢产物——哌啶酸，其水平升高反映了其代谢流的增加（图4D和4E）。为了评估羟脯氨酸、无水葡萄糖醇、己酰甘氨酸和肉豆蔻酰肉碱是否也存在相同现象，研究人员获取了这些化合物的同位素标记形式，并将其灌注至导管植入的年轻和衰老小鼠体内直至达到稳态（图S7A–S7D），以测量它们的循环代谢通量。值得注意的是，所有这些显示出全组织代谢物浓度变化的化合物，其代谢流变化也显示出相同方向的变化（无水葡萄糖醇增加，其他化合物则减少）（图7B）。与核心代谢物（定量定义为循环代谢流>100nmol/min/小鼠）相比，其代谢通量在血清和组织浓度中更为保守（图2E），研究人员发现这些外围代谢物的通量变化幅度大于其平均丰度变化（图7C）。因此，尽管中心代谢通量在衰老过程中基本保持稳定，但这些非核心代谢物的代谢流变化程度甚至超过了其组织浓度的变化。

图7 | 在多种组织中随年龄发生浓度变化的代谢物，其循环通量也呈现相应改变

图S7 | 对衰老敏感的代谢物在稳定同位素输注8小时内达到标记稳态

 总结  

代谢紊乱是衰老的一个典型特征。本研究通过代谢组学与稳定同位素示踪技术，系统探究了小鼠体内随年龄增长发生的代谢变化。研究人员测量了年轻与老年（20-30月龄）C57BL/6J小鼠的循环代谢物通量、血清及组织浓度，并以年轻肥胖（ob/ob）小鼠作为对照参照。就主要循环代谢物而言，其浓度随年龄变化的幅度比代谢流变化更为显著，而代谢流变化幅度在肥胖模型中较衰老模型更为突出。具体表现为葡萄糖、乳酸、3-羟基丁酸及多种氨基酸（但牛磺酸除外）的浓度随衰老发生显著改变，而仅有谷氨酰胺的循环代谢流呈现出此特征。尽管存在基础代谢改变，主要循环代谢物的代谢流仍保持稳定。例如赖氨酸分解代谢从酵母氨酸途径转向哌啶酸途径，且哌啶酸的浓度与代谢流在衰老过程中均呈上升趋势。（小编注：文章中作者在宏观层面的主结论：衰老时，主要代谢物的整体代谢流保持稳定。这是身体维持基本生命功能的策略。包括宏观层面的重要现象：与代谢流相比，代谢物的浓度变化更为显著。这反映了身体内部化学环境的改变。但是这种宏观稳定是通过微观层面的代谢路径重构来实现的。赖氨酸分解从酵母氨酸途径转向哌啶酸途径，就是一个典型的“重构”证据。所以，作者举这个例子，想表达的可能是机体的这种“稳定”是一种动态的、有代价的稳定，其背后是细胞内部代谢途径发生的重组。 ）其他低丰度代谢物也呈现出一致的衰老相关性浓度与代谢流变化。因此，虽然衰老会导致广泛的代谢改变，但主要代谢通量在整体上得以维持。

（小编注：本文核心结果：

结果一、二：研究人员利用液相色谱-高分辨率质谱法（LC-MS），对血清代谢物的浓度进行定量分析，发现身体可利用的直接燃料（葡萄糖、酮体、甘油三酯）在减少，另一方面，调节能量储存和利用的激素（胰岛素、瘦素）信号却在增强，这可能提示了衰老过程中机体能量代谢调控失灵。研究人员通过利用向体内灌注稳定同位素标记的代谢物的方法来量化代谢反应速率，发现尽管老年小鼠血液中许多代谢物的浓度发生了变化，但其全身范围内的核心代谢通量（反应速率）却保持稳定。只有谷氨酰胺表现出显著变化，且随年龄增长呈渐进趋势，但幅度有限（在2岁龄时增加约30%），这提示了在衰老过程中，系统可能优先维持代谢流的稳定。

结果三：肥胖显著提升葡萄糖、乳酸、甘油及部分氨基酸的循环代谢流（增幅50%-85%），呈现代谢亢进；而衰老过程中，除谷氨酰胺外，几乎所有核心代谢物的代谢流均保持稳定。肥胖导致代谢流广泛加速，衰老则维持代谢流稳定但出现浓度失调，凸显代谢系统在衰老中的稳定性。

结果四：衰老特异性地增强谷氨酰胺循环代谢流。其碳骨架更多进入TCA循环，氮原子则更多转入支链氨基酸，表明其在衰老中作为碳、氮双供体的作用增强。这种变化广泛存在于多个组织，且为谷氨酰胺独有，提示其在衰老代谢重编程中的关键地位。

结果五、六：揭示了衰老过程中两种氨基酸代谢的不同命运。对于赖氨酸，虽然其循环中的浓度和全身总代谢通量保持稳定，但其分解代谢途径发生了显著重编程，从酵母氨酸途径转向了哌啶酸途径，这导致了组织中哌啶酸水平的普遍升高和代谢流的增强。相比之下，牛磺酸则表现出整体的稳定性，其循环浓度与通量均未随衰老而改变；然而，牛磺酸在组织间发生了重分布，并且其代谢产物如亚牛磺酸的耗竭和不饱和酰基牛磺酸的积累，提示其下游代谢过程仍受到了衰老的影响。这两项结果共同表明，衰老导致的代谢变化是复杂而具体的，既包括某些代谢物通路的根本性转变（如赖氨酸），也包含在整体稳定背景下代谢物分布与下游命运的细微调整（如牛磺酸）。

结果七、八：在老年小鼠中，大脑和肠道等组织的代谢组相对稳定，而眼睛、肾脏和皮肤则变化显著。不同肌肉类型中，不易发生肌少症的组织（如心脏、比目鱼肌）代谢变化较小，而易发生肌少症的股四头肌变化较大。以上结果提示不同组织对衰老压力的脆弱性和适应能力不同。此外，研究发现有19种代谢物在至少7种组织中呈现一致性的年龄相关变化，这些代谢物涵盖多不饱和脂肪酸、氨基酸、酰基甘氨酸和酰基牛磺酸等。特别是一碳代谢相关氨基酸（丝氨酸、甘氨酸、苏氨酸和蛋氨酸）在多数组织中普遍下降，显示出跨组织的系统性代谢失调。这表明衰老背后存在着某些共同的、影响全身的驱动因素，这些系统性的代谢失调可能是衰老的核心特征之一。

结果九：研究者识别出一组对衰老敏感的代谢物。与代谢流稳定的核心代谢物相比，这些代谢物在衰老中更容易发生通量变化，这种变化与组织中浓度的变化方向一致，甚至通量变化的幅度超过了浓度变化。核心代谢流被顽强地维持，而外周代谢物的稳态则更易被年龄重塑，揭示了代谢系统在衰老过程中的层次性响应机制。)

原文链接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(25)00394-8