长寿物种尿酸高？Cell重磅：横跨41物种，探索超越雷帕霉素抗衰药
作者名：余温
“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。”在广袤的自然界中，人类的生命就像蜉蝣一样短暂。虽然我们不能变化为《逍遥游》中翱翔九天的鲲鹏，但以科学为工具，探索自然界中其他物种的长寿机制、不断筛选新的延寿方法，是进化赋予人类的独有智慧。
近日，一篇由《Aging Cell》期刊主编、密歇根大学病理学教授Richard Miller，以及哈佛医学院教授Vadim Gladyshev团队联合发表于顶级科研期刊Cell的论文，使用高通量数据筛选出41个哺乳动物物种之间共同的长寿与衰老分子机制，并发现了一种延寿效果可能超越雷帕霉素的mTOR抑制剂[1]。
这项研究一方面进行物种之间的横向对比，阐明了自然界中长寿物种之间共同的长寿分子机制；另一方面，从单一物种内部入手，揭示了已有的延寿干预措施如何起到延寿作用，为新型延寿措施的开发提供了宏观方法。
PART 1 北冥有鱼，其名为鲲：代谢与长寿的关系
通过物种之间的横向比较，科学家发现，哺乳动物的成年体重（adult weight, AW）与物种寿命之间存在很强的正相关关系。例如，伊特鲁里亚鼩鼱，体重1.8克，寿命为3.2年；而体重超过100吨的弓头鲸，最大寿命可以超过200岁[1]。
然而，物种的成年体重与寿命并不是严格的线性相关关系。有些物种的寿命比根据体重预期的要长得多，例如裸鼹鼠、勃兰氏蝙蝠和人类。这种可变的特征是在长期的进化中形成的，其中涉及到多种可能有助于物种长寿的机制[1]。
而在物种内部，体重通常与寿命呈负相关。所以靶向代谢途径的延寿干预方法，例如敲除生长激素受体（GHRKO）、延寿药物雷帕霉素、以及热量限制（CR）等，能够调节尿酸、NAD+、蛋氨酸等重要代谢生物标志物的水平，起到“一边减重，一边延寿”的效果。下面简要介绍上述3种代谢生物标志物与寿命的关系。
图注：尿酸、NAD+、蛋氨酸水平在物种间及物种内受到延寿干预措施的影响。图A-C绿色箭头表示物种内，蓝色箭头表示物种间。图F：小鼠肝脏中的NAD +浓度在长寿干预后显着增加。图I：编码NAD +合成酶1的Nadsyn1水平随长寿干预上调。
1.尿酸
尿酸是与寿命强相关的生物标志物之一。在物种间横向对比时，研究者发现长寿物种尿酸浓度均较高。
在哺乳动物中，尿酸盐通过尿酸酶（Uox）转化为尿囊素。在长寿物种（如裸鼹鼠）中，尿酸酶基因Uox的表达水平很低，而人类甚至不表达Uox基因[2]，说明长寿哺乳动物似乎通过抑制Uox的活性来积累尿酸。
2019年的一项研究表明，尿酸可清除过氧亚硝酸盐和羟基自由基，延长小鼠寿命和运动耐力，并减少中风小鼠的脑损伤[2]。
但是，过高的尿酸浓度也不利于延寿。比如本篇论文显示，小鼠的尿酸浓度随着延寿措施的干预而降低。另外，2012年，阿尔伯特爱因斯坦医学院的一项研究表明，德系犹太人的长寿家族史与较低的血清尿酸水平有关[3]。
2.NAD+
关于细胞中的重要能量代谢辅酶NAD+的研究结果，多数集中在小鼠物种内部，其水平高低受延寿干预措施的调节。
在小鼠中，NAD+水平随年龄下降并影响“长寿蛋白”SIRT1功能，而补充烟酰胺单核苷酸 (NMN) 或烟酰胺核苷 (NR) 可以改善小鼠模型的健康寿命[4-6]。小鼠肝脏中的NAD +浓度在长寿干预后显著增加[1]。
寿命延长还伴随着参与NAD+生物合成的基因的上调，包括Naprt、Nampt、Nmnat3，以及编码NAD+合成酶1的Nadsyn1。
3.蛋氨酸
最后，蛋氨酸降解产物L-胱硫醚（L-cystathionine）水平与小鼠寿命呈现负相关。该分子的消耗伴随着负责其转化为谷胱甘肽的基因（Cth、Gclc和Gss）的显著上调[7]。
另外，该途径还会导致硫化氢的产生，硫化氢会在经过热量限制（CR）后的小鼠体内积累，并有助于延长秀丽隐杆线虫的寿命[8]。然而，大量硫化氢对人体有害，所以在饮食中限制蛋氨酸的摄入是必要的。
PART 2 适千里者，三月聚粮：延寿干预措施总结
1.mTOR抑制剂KU0063794
另外，此研究似乎发现了一种比雷帕霉素效果更优的mTOR抑制剂。
研究者在25个月大的C57BL/6雄性小鼠饮食中添加10 ppm的KU0063794（一种人工合成的小分子药物，可特异性抑制mTORC活性，分子式如上[9]），发现此成分将老年小鼠的剩余中值寿命和最大寿命分别延长了32.6%和10.9%[1]。
并且，考虑到使用雷帕霉素会导致葡萄糖耐受不良，研究者对接受KU0063794治疗2个月的24个月大雄性小鼠进行了葡萄糖耐受试验，发现KU0063794不影响老年小鼠的葡萄糖耐量。
图注：葡萄糖耐量曲线
另外，论文还提供了KU0063794治疗对小鼠体重、步态速度、虚弱指数、皮毛和眼睛相关特征的改善情况数据，结果均较为显著[1]。
这些结果不仅说明KU0063794这种成分是潜在的有效mTOR抑制剂和延寿药物，更说明本实验使用的GeneQuery数据搜索工具能够有效地定位到与长寿和衰老的特征显著相关的基因表达改变，进而筛选出有效的延寿干预措施。
2.抑制氧化应激
通过对长寿相关基因表达改变（expression changes，ECs）的研究，研究者发现，Keap1基因敲除和小鼠肝脏慢性缺氧与延寿相关。
缺氧反应可防止与多种衰老相关疾病有关的线粒体功能障碍。研究表明，慢性缺氧可延长基因缺陷导致的遗传性线粒体疾病小鼠的健康寿命和寿命[10]。
KEAP1是抗氧化调节因子NRF2的抑制剂。KEAP1的功能丧失突变延长了黑腹果蝇雄性的中位寿命[11]，而 NRF2同源基因（SKN-1）的过度表达增加了线虫的平均寿命[12]。
总之，Keap1敲除和慢性缺氧会导致与种内长寿相关的基因表达改变产生，并且不会显著扰乱衰老或长寿物种的其他聚集性生物标志物，是延长健康小鼠寿命的良好候选方法。
时光派点评
物种之间和物种内部长寿分子特征的差异在于相应基因的进化时间和重要性。长寿物种的生物标志物富含进化上古老的、不耐受突变的基因，而延长寿命的干预措施主要影响耐受突变和拷贝数变异的年轻基因。
总体而言，在进化时间尺度上的长寿（即长寿物种的产生）是通过对调节初级损伤出现及积累速度的基本机制而实现的（即DNA修复和先天免疫反应的上调，以及IGF-1和PI3K-Akt通路的下调）[13]。
另一方面，大多数已有的延寿干预措施似乎是通过调节与代谢重塑相关的不太保守的成分（即氧化磷酸化、脂肪酸和氨基酸代谢的上调）和减缓因已经积累的损伤而引起的二次有害过程（即NF-κB、补体和凝血级联反应的下调）来运作的。
这两种机制可能代表了处理分子层面损伤的互补方式，并提供了探索同时针对两种长寿策略的抗衰疗法的工具。
通过这些长寿和衰老特征，本研究筛选出了几个可延长寿命和健康寿命的候选干预方法，包括慢性缺氧、肝细胞特异性Keap1基因敲除、KU0063794、AZD8055、GDC-0941 和抗坏血酸棕榈酸酯。其中，最佳候选药物之一KU0063794显著延长了老年 C57BL/6小鼠的寿命和健康寿命。
本研究结果表明，基于转录组学、代谢组学和表观基因组学的高通量数据研究可用于筛选有效延寿措施。期待KU0063794成分的更多延寿机制的挖掘。
参考文献：
[1]Tyshkovskiy, A., Ma, S., Shindyapina, A., Tikhonov, S., Lee, S., & Bozaykut, P. et al. (2023). Distinct longevity mechanisms across and within species and their association with aging. Cell. doi: 10.1016/j.cell.2023.05.002
[2]Cutler, R. G., Camandola, S., Feldman, N. H., Yoon, J. S., Haran, J. B., Arguelles, S., & Mattson, M. P. (2019). Uric acid enhances longevity and endurance and protects the brain against ischemia. Neurobiology of aging, 75, 159–168. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2018.10.031
[3]Lai, J. Y., Atzmon, G., Melamed, M. L., Hostetter, T. H., Crandall, J. P., Barzilai, N., & Bitzer, M. (2012). Family history of exceptional longevity is associated with lower serum uric acid levels in Ashkenazi Jews. Journal of the American Geriatrics Society, 60(4), 745–750. doi: 10.1111/j.1532-5415.2012.03902.x
[4] Gomes, A., Price, N., Ling, A., Moslehi, J., Montgomery, M., & Rajman, L. et al. (2013). Declining NAD+ Induces a Pseudohypoxic State Disrupting Nuclear-Mitochondrial Communication during Aging. Cell, 155(7), 1624-1638. doi: 10.1016/j.cell.2013.11.037
[5] Rajman, L., Chwalek, K., & Sinclair, D. (2018). Therapeutic Potential of NAD-Boosting Molecules: The In Vivo Evidence. Cell Metabolism, 27(3), 529-547. doi: 10.1016/j.cmet.2018.02.011
[6] Yoshino, J., Baur, J., & Imai, S. (2018). NAD+ Intermediates: The Biology and Therapeutic Potential of NMN and NR. Cell Metabolism, 27(3), 513-528. doi: 10.1016/j.cmet.2017.11.002
[7] Kabil, O., Vitvitsky, V., Xie, P., & Banerjee, R. (2011). The quantitative significance of the transsulfuration enzymes for H2S production in murine tissues. doi: 10.1089/ars.2010.3781
[8] Miller, D. L., & Roth, M. B. (2007). Hydrogen sulfide increases thermotolerance and lifespan in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(51), 20618–20622. doi: 10.1073/pnas.0710191104
[9]García-Martínez, J., Moran, J., Clarke, R., Gray, A., Cosulich, S., Chresta, C., & Alessi, D. (2009). Ku-0063794 is a specific inhibitor of the mammalian target of rapamycin (mTOR). Biochemical Journal, 421(1), 29-42. doi: 10.1042/bj20090489
[10] Balaban, R., Nemoto, S., & Finkel, T. (2005). Mitochondria, Oxidants, and Aging. Cell, 120(4), 483-495. doi: 10.1016/j.cell.2005.02.001
[11] Sykiotis, G., & Bohmann, D. (2008). Keap1/Nrf2 Signaling Regulates Oxidative Stress Tolerance and Lifespan in Drosophila. Developmental Cell, 14(1), 76-85. doi: 10.1016/j.devcel.2007.12.002
[12] Tullet, J., Hertweck, M., An, J., Baker, J., Hwang, J., & Liu, S. et al. (2008). Direct Inhibition of the Longevity-Promoting Factor SKN-1 by Insulin-like Signaling in C. elegans. Cell, 132(6), 1025-1038. doi: 10.1016/j.cell.2008.01.030
[13] Tian, X., Seluanov, A., & Gorbunova, V. (2017). Molecular Mechanisms Determining Lifespan in Short- and Long-Lived Species. Trends In Endocrinology &Amp; Metabolism, 28(10), 722-734. doi: 10.1016/j.tem.2017.07.004
