解码衰老和肥胖症中代谢弹性的下降

https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(23)00296-6
今天和大家分享一篇发表在Cell Metabolism的一篇文献，题为解码衰老和肥胖症中代谢弹性的下降。

https://www.duke-nus.edu.sg/directory/detail/sun-lei

本研究由孙磊教授团队和强力教授团队合作而成。孙磊教授目前是杜克-新加坡国立大学医学院心血管和代谢疾病项目的副教授，主要从事RNA调控网络、RNA加工（如剪接和编辑）以及RNA结合蛋白等方向。前言衰老和肥胖会影响身体的方方面面，最终会导致对营养环境不适应的代谢反应。尽管“代谢灵活性”能很好地描述在进食状态之间过渡期间发生的变化，但它无法说明更广泛的生理变化；事实上，这些变化可以保护代谢稳态免受日常生活的挑战。基于此，需要不断探索来明确这一生理变化。代谢灵活性:在饱食一顿富含碳水化合物的大餐后，我们会更多地燃烧葡萄糖来控制血糖；禁食时，我们更多地燃烧自身脂肪以节约有限的葡萄糖——这种在“燃糖”与“燃脂”之间切换的能力，被称作新陈代谢的灵活性，是健康的标志和特征。

上图为本文的研究概述，研究者设计了一个“代谢弹性”评分系统，测量生物体应对和从代谢波动中恢复的能力。随着年龄和肥胖的增长，这种弹性显著降低，并揭示了在这些条件下代谢退化的根本原因。
亮点
弹性评分系统量化了生物体恢复稳态的能力。
小鼠和猴子的代谢活跃组织具有弹性。
衰老和肥胖期间代谢和基因弹性会发生下降。
正文

图1.基因的弹性与主要的代谢途径有关
研究者首先发现，机体可以自动调节饮食带来的代谢变化，使得代谢处于稳态，并将此命名为“代谢弹性”。进一步开发新系统GElaS来将表达动力学、代谢恢复等联系起来，以便量化代谢弹性，为后续研究代谢弹性提供了一个参考标准。
(A)代谢弹性在小鼠AL-F-R周期中代谢参数如葡萄糖、胰岛素和游离脂肪酸（FFAs）循环水平的降低和随后的恢复。#葡萄糖、胰岛素、游离脂肪酸、体重、瘦质量、脂肪质量等代谢参数的弹性变化。
(B)为了建立基因弹性，研究者对健康年轻小鼠的AL-F-R周期中的四个主要代谢器官进行了RNA测序（RNA-seq），包括附睾白色脂肪组织（eWAT）、皮下WAT（sWAT）、肝脏和肌肉。#不同营养状态下收获的代谢器官RNA-seq样本示意图。AL, ad liberty;F,禁食;R,重新喂料。
(C)基因弹性评分(GElaS)综合了AL-F-R周期内的表达动态、恢复程度和统计显著性。

基因弹性评分的计算
“表达动力学”通常被用来描述两种代谢状态之间的转录组或基因表达的改变。然而，这一术语不包括在营养挑战解决后恢复到其原始状态。因此，研究者为表达动力学引入了一个额外的分析因子——可恢复性——它代表了基因在一个AL-F-R周期后可以反弹到其自由表达的程度。
为了简明地量化这一分析，研究者开发了GElaS，它将表达动力学、可恢复性和统计意义整合到基因水平上的单一代谢弹性度量中。
(D)在AL-F-R循环中eWAT高(前500)和低(后500)GElaS基因的动态变化。每组基因又进一步分为fasting_up-refeeding_down (Up_Dw)和fasting_down- refeedup (Dw_Up)调节亚组。GElaS与AL-F-R周期中基因表达的动态变化密切相关。低GElaS的基因在禁食或再喂养时表达变化不大，而高GElaS的基因表达变化更大。
(E)空腹后动态变化(表达的log2foldchange [FC]) (FvsAL)与eWAT中GElaS的关系。GElaS并不等同于表达动力学。研究者检测的每个组织都表达了一些低GElaS的基因，尽管在营养变化过程中具有高表达动态（图1E和S1C）。
(F)在eWAT中，500个基因窗口中富集的GO(生物过程类别)的数量。窗口以100个基因步长从高到低的GElaS滑动。高GElaS的基因与大量的GO术语相关联，而低GElaS的基因与生物途径的相关性要少得多（图1F和S1E）。
(G)在每个检查的代谢器官中绘制了高(前500)和低(后500)GElaS基因富集的GOs。脂质和碳水化合物生物途径在高GElaS基因中富集，而在低GElaS基因中不富集。
(H)各代谢器官中前20个弹性基因。
(I)研究者使用了几个单核/-细胞RNA-seq数据集来评估每个器官内不同细胞群中弹性基因的分布。高GElaS(前500)和低GElaS(后500)基因在eWAT不同细胞群中的表达分布。在脂肪组织中，高GElaS的基因优先在脂肪细胞中表达，而低GElaS的基因在所有细胞类型中都被广泛检测到。#颜色表示在UMAP可视化中，每个细胞类型中高弹性或低弹性基因的平均表达。adipocyte：脂肪细胞；epithelial：上皮细胞；preadipocyte：前脂细胞；endothelial：内皮；mesothelium：间皮
（snRNA-seq）：单细胞水平上的核转录组测序 https://mp.weixin.qq.com/s/lbVK5g9Qvh2p-6vlCDZ5rA
scRNA-seq/snRNA-seq数据来源：Single Cell Portal，GEO；
Emont, et al. (2022). A single-cell atlas of human and mouse white adipose tissue. Nature 603, 926–933.
The Tabula Muris Consortium; et al. (2018).Single-cell transcriptomics of 20 mouse organs creates a Tabula Muris. Nature 562, 367–372.
总的来说，这些数据表明，代谢弹性主要来自于定义每个器官的代谢细胞类型。

图2.非人类灵长类食蟹猕猴的基因弹性
GElaS系统是在小鼠身上发现并命名的，那么是否具有普适性呢？对此，研究者探索了非人灵长类动物身上是否适用于上述这套理论系统，提高了研究层次并升华了主题。
(A)食蟹猕猴AL-F-R循环中葡萄糖、胰岛素、游离脂肪酸等代谢参数的弹性变化。
(B)非人类灵长类食蟹猕猴代谢器官的RNA-seq样本示意图。#内脏（大网膜）白色脂肪组织（vWAT）、皮下WAT（sWAT）
每只猴子喂食无限的食物在特定时间（30分钟）每天两次，早上一次，晚上一次。此外，两餐之间提供150克水果，也在特定的时间内（30分钟）。
对于自由活检，本研究包括12只成年食蟹猕猴（9.4-20.3岁）。活检手术后，动物将休息至少3周，以便在下一次手术前恢复。对于禁食活检收获，动物禁食24小时，取水并进行活检，然后再休息3周。动物在早餐后10点开始禁食。为了重新喂养活检，动物被禁食24小时，然后在活检采集前喂食6小时。
(C)食蟹猕猴vWAT中高(前500)和低(后500)GElaS基因AL-F-R循环的动态变化。与我们在小鼠中观察到的相似，高GElaS基因在AL-F-R周期中比低GElaS基因表现出更强的表达变化。
(D和E)在500个基因窗口中，在vWAT中从高GElaS到低GElaS的富集GO(生物过程类别)的数量。步长为100 bpslide-window分析(D)。vWAT中高(前500)和低(后500)GElaS基因中与脂质、葡萄糖和碳水化合物代谢相关的基因数量(E)。高GElas基因也比低gelas基因与GO术语的联系更紧密（图2D和S2B），特别是脂质和碳水化合物代谢途径（图2E和S2C）。
(F)能量代谢的关键参与者在最具弹性基因中表现突出。其中包括vWAT中的PCK1、APOLD1和SREBF1。几个关键的代谢调节因子如PCK1、APOLD1和SREBF1在vWAT中位于GElaS排名的顶端。圆圈颜色表示GElaS等级。
其中包括vWAT中的PCK1、APOLD1和SREBF1；sWAT中的SREBF1、PCK1和PNPLA3；肝脏中的GCK、FGF21和SREBF1；肌肉中的DDIT4、SREBF1和MYOD1。
PCK1：糖代谢关键酶；APOLD1；SREBF1：胆固醇合成代谢调控
(G)为了确定GElaS是否在物种间相关，研究者绘制了每个物种中GElaS > 0.5的弹性基因，发现了明显的正相关。关键的代谢调控因子，包括SREBF1、PCK1和ANGPTL4，在两个物种的顶级弹性基因中都数量众多。#采用Pearson相关法进行相关分析（圆越扁平，说明越相关）。
(H和I)高GElaS基因(前500)和低GElaS基因(后500)在vWAT和肝脏不同细胞群中的表达分布。#颜色表示在UMAP可视化中每种细胞类型中高弹性或低弹性基因的平均表达量。
同样在小鼠中，在GElaS上覆盖单核基因表达数据10显示，基因弹性往往局限于每个组织的主要代谢细胞类型（即WAT中的脂肪细胞；肝肝细胞），而低GElaS的细胞在组织中不显示出细胞类型特异性（图2H和2I）。
单细胞技术要求从新鲜组织中制备单细胞悬液，获得较高的细胞活性和细胞质量，而-80度冰箱海量的冻存样本因为无法制备高质量细胞悬液而无法应用于单细胞测序，这是限制单细胞技术广泛应用的主要障碍。为了解决冻存样本的单细胞应用问题，研究人员开发了单细胞水平上的核转录组测序（snRNA-seq），被证明是较好的技术方案。
scRNA-seq用于研究单个完整的细胞，包括细胞核和细胞质中的RNA；而snRNA-seq用于研究单个细胞核中的RNA。

图3.衰老过程中基因弹性受损
在人体中，与代谢最为密切的便是衰老以及肥胖，机体衰老会减缓代谢速度。对此，研究者通过构建衰老小鼠模型，探讨了衰老与GElaS之间的关系。
(A)衰老削弱了代谢弹性，显著减弱了AL-F-R周期中多个代谢参数的活力，包括脂肪和瘦质量、血糖和FFA水平。#一个AL-F-R循环中体重、脂肪质量、瘦质量、胰岛素、葡萄糖和游离脂肪酸的相对值。这些值归一化到年轻小鼠和老年小鼠的禁食状态。
(B)这些衰老相关的代谢弹性的损害很可能是由基因弹性的一致减少所驱动的。与这种可能性相一致的是，在衰老过程中下调的脂质和碳水化合物代谢途径在高弹性基因中特别富集，支持GElaS和衰老过程之间的相互作用。#与弹性基因(蓝色)和衰老过程中下调的基因(红色)相关的生物学途径。
(C)为了直接评估衰老对基因弹性的影响，研究者在18个月大的小鼠中对AL-F-R周期的代谢器官进行了RNA测序。与年龄相关的代谢弹性丧失相一致，所有检查器官的GElaS都随着年龄的增长而下降。#GElaS在年轻和年老样品中的分布。
(D)为了确定其弹性受衰老影响最大的基因，研究者定义了衰老弹性基因：

在衰老过程中，大多数差异弹性基因变得弹性较弱。#幼鼠和老年鼠弹性基因差异数目。Up，基因上调;Dw，下调基因。
(E和F)qPCR证实了eWAT和肝脏中碳水化合物和脂质代谢的一些关键调控因子的弹性降低（图3E、3F和S3L）。#实时荧光定量PCR（RT-PCR）测定不同弹性基因在eWAT中的相对表达量(E)。肝脏中差异弹性基因的实时荧光定量PCR相对表达量(F)。
(G)此外，对GElaS减少的基因进行的通路分析显示，脂质、碳水化合物和固醇代谢显著富集。#衰老过程中GElaS减少的差异弹性基因的功能富集(前30)(eWAT)。

图4.不同营养状态下的PPARγ激动剂治疗会导致不同的代谢后果
由于间歇性禁食（IF）对衰老啮齿动物的代谢健康有多种有益的影响，研究者接下来研究了IF对代谢弹性的影响。
(A)衰老过程中GElaS的减少表明对营养波动的转录反应失调，反过来涉及转录因子（TFs）。为了确定代谢弹性的潜在转录调控因子，研究者利用ChEA318靶向脂肪组织中弹性降低的基因进行了TF富集分析。重要的候选基因包括许多代谢和脂肪形成的关键调控因子，包括C/EBPa、FOXO1、KLF9和SREBP1。
其中最重要的是PPARg，它是糖脂代谢的关键协调者。之前的文献显示，使用噻唑烷二酮（TZD）激动剂治疗可减轻老年小鼠的代谢功能障碍并延长其寿命。

衰老过程中WAT中GElaS下调的基因中TFs的富集（转录因子是上游）。排名是根据eWAT和sWAT之间的平均排名分数(黄线)。分数越小表示富集程度越高。红线表示TFs（转录因子）显著富集的组织数量。TF enrichment analysis: ChEA3

(B) 相应的，PPARg的大多数靶基因在衰老过程中确实表现出GElaS减少，进一步支持了其失调在衰老相关的代谢弹性下降中的作用。#PPARγ靶基因的基因网络。颜色表示年轻小鼠和老年小鼠之间的DGElaS。
过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs）是核激素受体家族中的配体激活受体。控制许多细胞内的代谢过程。PPARγ是重要的细胞分化转录因子，在哺乳动物的脂肪组织、血管平滑肌组织、心肌组织中均有表达。
(C)由于PPARg活性是由进食诱导的，而由禁食所抑制的，研究者试图在其生理峰值时加强其活性。为此，研究者在老年动物（Rosi_Feed）的喂养阶段给予TZD PPARg激动剂罗格列酮（Rosi）（图4C）。作为对照，在禁食阶段给予Rosi治疗，以扰乱PPARg活性的正常周期（Rosi_Fast）（图4C）。
(D-H)在对照组中，经过4周的治疗后，禁食/喂养阶段的体重变化从约6.5%增加到10.5%，表明对IF的代谢反应增强（图4D）。Rosi_Feed组的体重变化比对照组增加得更快，但在Rosi_Fast组中减少了（图4D），表明Rosi_Feed组的代谢反应更强。Rosi_Feed治疗同时改善了胰岛素敏感性（图4E和4F）和糖耐量（图4G和4H），而Rosi_Fast减弱了药物改善糖耐量的能力，并直接地降低了胰岛素敏感性。

16月龄雄性C57BL/6J小鼠，每天下午5-6点开始24小时间歇性禁食，持续6周。在禁食期(rossi – fast)或喂养期(rossi – feed)每个IF周期，腹腔注射Rosi(罗格列酮)(5 mg/kg·W)。我们在Rosi-饲料组和Rosi-禁食组的一致时间(下午5-6点，熄灯前1-2小时内)给药Rosi，确保两组的昼夜节律和药理干预之间具有相似的同步性。PBS与进料期平行注射，作为载体对照(Veh)。

(I)为了评估这些TZD治疗方案的转录组效应，研究者比较了eWAT和sWAT中的基因表达模式，其中PPARg表达最多。Rosi_Feed处理比Rosi_Fast更能促进整体基因表达的变化。
(J)GSEA(基因集富集分析)分析显示，Rosi_Feed促进了脂肪组织中与线粒体代谢和脂肪酸分解代谢相关的途径，而相对于载体对照，Rosi_Fast则钝化甚至抑制了这些基因表达程序。
这些数据表明，PPARγ激活的代谢后果依赖于摄食状态（图4D-4J），这提出了这种代谢状态是否依赖于摄食状态的问题。
(K)研究者根据衰老过程中脂肪组织中的DGElaS选择了11个PPARg靶点（图4B），并在Rosi_Feed组和Rosi_Fast组的脂肪组织样本中进行了qPCR。与预期的一样，被检测目标的基因表达弹性在Rosi_Feed组中增强，而在Rosi_Fast组中没有增强（图4K），加强了PPARg介导的基因表达弹性和代谢健康之间的联系。
(L和M)尽管PPARg激活有明显的好处，但TZD激动剂的临床使用已经减弱，主要是由于其显著的副作用。骨质流失是tzd常见的副作用之一，因为它们使骨骼重塑的平衡向骨髓脂肪扩张倾斜。虽然禁食期Rosi处理显著增加了骨髓脂肪，但饲喂期Rosi处理没有显著增加骨髓脂肪。
(N)心脏肥厚是TZDs的另一个主要副作用，归因于pro-hy_x0002_肥厚基因和脂质毒性相关基因的表达增强。研究者观察到促肥厚基因(Nppb、Myh7、Acta1和Bnp)和脂质代谢基因(Fasn、Fabp4、Scd1、Cd36、Cpt1a和Srebf1)主要在Rosi_Fast小鼠的心脏中上调，而在rossi – feed组中没有上调(图4N)。#这些小鼠心脏肥厚和脂肪毒性标志物的表达(N = 6)。Rpl23作为内参基因。
这些数据表明，PPARg激动作用与其生理活动周期的同步可以提高tzd的治疗指数，而非同步则使其获益-风险转变相反方向的比率。

图5.在高脂肪饮食诱导的肥胖症期间，基因弹性受损
先前提出的结果已经建立了代谢弹性和GElaS作为表现与衰老相关的代谢衰退的有意义的方法。为了探索这些概念对其他代谢条件的潜在适用性，研究者采用了饮食诱导的肥胖小鼠模型。
(A)8周的HFD喂养导致体重和脂肪质量显著增加，同时血液中的葡萄糖、胰岛素和游离脂肪酸水平升高（图S5A）。研究者进一步评估了这些参数在AL-F-R周期中的代谢可塑性，并在肥胖小鼠中观察到了显著的减少（图5A和S5B）。#在一个AL-F-R周期中，代谢参数包括体重、脂肪质量、瘦质量、胰岛素、葡萄糖和FFA的相对值高脂肪饮食小鼠。这些值分别归一化到年轻和年老小鼠的禁食状态。Chow，周饮食；;HFD，高脂肪饮食。
(B)通过比较HFD喂养小鼠的高GElaS基因和单核RNA-seq（snRNA-seq）数据，发现高GElaS的基因仍然优先在脂肪细胞中表达（图5B和S5D）。#高GElaS(前500)和低GElaS(后500)基因在高脂饮食eWAT不同细胞群中的表达分布。
(C)与饲料喂养的对照组相比，所有检测器官中的HFD样本中的GElaS均显著降低。#GElaS在饲料和高脂饲料样品中的分布。
(D)根据这一观察结果，大多数HFD诱导的差异弹性基因均被下调。#正常饮食和高脂饮食样品中GElaS上调和下调的基因数量。
(E)弹性基因减少的主要是参与脂质、碳水化合物和核苷酸代谢途径。#高脂喂养(eWAT)中GElaS减少的差异弹性基因的功能富集(前30)。
(F和G)考虑到衰老和肥胖都会导致代谢弹性和GElaS的下降，研究者接下来询问这两种情况是否会类似地影响每个基因。研究者观察到肥胖和衰老诱导的GElaS改变之间普遍呈正相关（图5F、5G、S5H和S5I）。此外，HFD喂养的小鼠和衰老小鼠的差异弹性基因表现出显著的重叠（图S5J）。在常见的受影响的基因中有许多关键的代谢调控因子，如eWAT中的Lep和Fasn，sWAT中的Lep和Acaca，肝脏中的Srebf1和Gck。因此，GElaS在肥胖和衰老的基因水平上以类似的方式被调节，强调了这两种健康挑战的相互交织的本质。#aged vs young和HFD vs Chow在(F) eWAT和(G) Liver中的DGElaS散点图。x轴是aged vs young的DGElaS，而y轴表示为HFD vs Chow提供DGElaS。采用Pearson相关法进行相关分析。
总结
研究者开发了“代谢弹性”一词来描述动物随着营养可利用性的变化而切换到适应性代谢状态的能力，然后在营养条件重新正常化时回到预先建立的状态。代谢弹性很可能来自于与代谢相关的基因表达的类似动态，研究者称之为“基因”或“转录组弹性”。这些概念在衰老和肥胖的背景下特别突出，因为已经发现，在代谢和基因弹性方面存在类似的与年龄和肥胖相关的损伤。研究者还开发了一个使用GElaS来定量基因弹性的系统。具有较高GElaS的基因在脂质和碳水化合物代谢途径中高度富集，但它们的弹性随着年龄和肥胖的增加而减弱。本研究的发现与现有的关于衰老和肥胖的纯静态转录组学研究形成了对比，在这些研究中，这些代谢途径通常被主要的炎症途径所掩盖。
这些概念使我们能够揭示在生理和转录组水平上由衰老和肥胖引起的弹性下降。我们预见到弹性的概念，使用GElaS，扩展到衰老和肥胖以外的疾病，包括糖尿病、运动、癌症和许多其他疾病。我们期望所有这些条件都可以被重新定义为动态和弹性过程，而不仅仅是单个代谢状态或转变的快照。
总之，本研究为代谢生理学和基因表达变化提供了一个新的角度，并强调了抑制代谢功能障碍的弹性策略。
其他：
代码（基因弹性评分）：https://github.com/zhouqz/GElaS
RNA-seq data（CRA008068 CRA008075 CRA008081 CRA010713）：https://ngdc.cncb.ac.cn/
启发
这篇文章和以往生信类文章有什么不同?
在这篇文章的基础上，我们能够做什么?

大家有什么见解呢？

原文：
Zhou, Qiuzhong et al. “Deciphering the decline of metabolic elasticity in aging and obesity.” Cell metabolism vol. 35,9 (2023): 1661-1671.e6. doi:10.1016/j.cmet.2023.08.001