研究发现 | 年龄依赖性DNA甲基化导致脂质代谢功能障碍加速衰老

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导读

表观遗传改变和代谢功能障碍是衰老的两个标志。然而，在哺乳动物中，它们是如何调节衰老的仍然是未知的。在这里，我们研究了ELOVL脂肪酸延长酶2（Elovl2），这种基因的表观遗传改变与年龄预测相关，它通过调节脂质代谢促进衰老。我们应用人工智能来预测ELOVL2的蛋白质结构及其与底物的相互作用。Elovl2功能受损会干扰脂质合成，增加内质网应激和线粒体功能障碍，导致细胞和生理水平上的关键衰老表型。此外，线粒体活性的恢复可以挽救由人视网膜色素上皮（RPE）细胞中Elovl2缺乏引起的年龄相关性黄斑变性（AMD）表型;这表明人类和小鼠都有保守的机制。综上所述，我们揭示了导致衰老的表观遗传代谢轴，并说明了基于AI的方法在结构功能研究中的重要性。

论文ID

原名：Lipid metabolism dysfunction induced by age-dependent DNA methylation accelerates aging

译名：年龄依赖性 DNA 甲基化导致的脂质代谢功能障碍加速衰老

期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy

IF：18.187

发表时间：2022.05

通讯作者：朱健康,李伟,周琪,张康

通讯作者单位：南方科技大学&中国科学院动物研究所&澳门科技大学

实验设计

实验结果

1. DNA甲基化增加及Elovl2基因的表达降低与生物衰老相关

我们和其他研究已经报道了人类和小鼠中的一组基因，其DNA甲基化水平与生理衰老状态相关;因此，这些基因可以作为生物年龄的预测因子。与以前的报告一致，我们的研究表明脂质储存、脂肪酸代谢和脂质发生相关基因在基因本体（GO）分析中揭示了高度相关的预测基因。我们分析了顶级预测因子的基因列表，在顶级预测因子基因中，Elovl2位点显示出与生物年龄最显著的相关性（图1a）。为了研究年龄相关基因与衰老过程之间的机制联系，我们建立了人类和小鼠模型。在人类体外细胞模型和小鼠体内模型中证实了类似的与年龄相关的DNA甲基化模式。通过使用人成纤维细胞模型，我们在老年人成纤维细胞中检测到Elovl2上DNA甲基化的显著增加以及Elovl2表达水平下降（38个传代）（图1b）。接下来，我们在不同年龄的不同小鼠组织中检查了Elovl2基因内的CpG岛：第一内含子中的CGI-I1，第3，第4和第8外显子中的CGI-E3，E4和E8。我们发现，在129/sv菌株中，脑和肝脏中CGI-I1，E3，E4和E8的DNA甲基化显著增加（图1c）。此外，qPCR分析表明，129/sv小鼠中Elovl2的表达水平随着年龄的增长而降低；我们从ICR小鼠菌株中也观察到了一致的结果。这些结果表明，Elovl2位点在人成纤维细胞模型和小鼠模型中都显示出DNA甲基化增加和表达降低的保守模式。

图1 Elovl2是一种代谢基因，是衰老的标志物

a，基因DNA甲基化与衰老之间的相关性；b，人成纤维细胞中Elovl2的MeDip-qPCR和qPCR；c，129/sv小鼠的大脑和肝脏中Elovl2的内含子1（CGI-I1）CpG岛上的DNA甲基化水平；d，在有或没有过氧化氢（H2O2）下的β-半乳糖苷酶（β-GAL）染色；e，qPCR显示正常人成纤维细胞和H2O2处理过的细胞衰老标志物的转录变化；f，Elovl2在H2O2处理的人成纤维细胞中的MeDip qPCR结果；g，伴或不伴H2O2处理对人成纤维细胞的共免疫沉淀结果；h，免疫印迹显示 H2O2诱导的DNAMT积累是CHD4依赖性的；i，在用450nm激光照射的细胞的DNA损伤位点上招募CHD4和5mC。对照组30个细胞中有26个显示CDH4和5mC共定位到γ-H2A.X位点，而iCDH4组30个细胞中有28个没有CDH4和5mC积累到γ-H2A.X位点。

2.Elovl2的DNA甲基化调控细胞衰老和DNA损伤修复过程

接下来，我们研究了衰老过程中的环境因素如何影响Elovl2的DNA甲基化。有人认为，DNA损伤是衰老最重要的驱动因素之一。之前的研究显示，染色体结构解旋酶DNA结合蛋白4（CHD4）是核小体重塑和组蛋白脱乙酰化（NuRD）复合物的关键成分，在介导癌细胞DNA损伤修复的基因沉默中起着核心作用。我们假设与年龄相关的DNA甲基化也可能是由DNA损伤及其修复过程介导的。我们使用过氧化氢（H2O2）处理的人成纤维细胞作为衰老模型。H2O2处理（100μM/24小时）之后，人成纤维细胞的衰老标志物显著增加（图1d，e）。该表型与高传代数（30-40传代）细胞中的衰老基因表达模式一致。此外，我们在H2O2处理过的细胞中观察到Elovl2的DNA甲基化增加（图1f），表明DNA甲基化发生在H2O2处理过的细胞中和高传代数细胞（图1d）。接下来，我们研究了CHD4是否可以与DNA甲基转移酶（DNMT）和染色质抑制修饰剂相互作用，从而介导H2O2处理的成纤维细胞中异常的DNA甲基化。免疫沉淀试验表明，CHD4是NuRD复合物的关键成分，在H2O2处理后与DNMTs相互作用（图1g）。蛋白质印迹进一步表明，DNMTs与染色质的结合是由H2O2促进的（图1h），但CHD4敲低后被抑制，表明H2O2诱导的DNMTs聚集到染色质是由CHD4介导的。此外，我们在激光诱导的DNA损伤后60分钟的损伤部位检测到内源性CHD4，γH2a.X，和增加的5mC信号，CHD4敲低时这些信号显著降低（图1i），表明CHD4在DNA甲基化中起着核心作用。接下来，我们比较了H2O2治疗之前和之后的人成纤维细胞中Elovl2的表达。在单独DNMT基因敲除组中，H2O2处理后Elovl2的表达显著降低，但在CHD4基因敲除组中，Elovl2的表达没有显著降低，这表明仅敲除DNMT基因不会阻止H2O2诱导的Elovl2沉默，因为其他表观遗传修饰物，如组成H3K9me3的G9a，也可以被CDH4招募；另一方面，敲低CHD4显著增加了H2O2处理之后Elovl2的表达水平。这表明CHD4在DNA甲基化和进一步下调Elovl2的转录活性方面具有关键作用。总体而言，这些结果表明，与年龄相关的DNA甲基化可能在DNA损伤时由NuRD复合物介导。

3.基于AI预测ELOVL2蛋白的3D蛋白结构及其与底物的相互作用

目前，PDB 数据库中没有可用于 ELOVL2 的复杂结构。ELOVL家族有七个成员，其中ELOVL7的结构已经解决。为了识别ELOVL蛋白之间共享的潜在共同结构特征并获得对其功能的广泛见解，我们使用基于AI的方法来预测这些蛋白的3D蛋白质结构，以及它们与PUFA底物结合的复合物。我们的AI模型KeystoneFold预测的每个ELOVL蛋白的结构与RoseTTAFold和AlphaFold2预测的结构非常相似（图2a）。我们的预测还表明，7种ELOVL蛋白采用了与7个跨膜结构域非常相似的结构（图2b），形成核心催化区域。为了确定负责其底物结合的域，我们应用分子动力学建模来评估和比较PUFA与ELOVL2的潜在相互作用（图2c）。我们的AI模型预测了ELOVL2和PUFA的核心活动位点之间的相互作用。

图2 ELOVL2的预测结构

a，KeystoneFold，RoseTTAFold和AlphaFold2预测的ELOVL2结构；b，KeystoneFold预测的ELOVL1-7的结构；c，脂质底物PUFA的结合方式通过分子对接（表示为蓝色和橙色棒）来预测。

4. Elovl2缺失导致小鼠衰老表型的形成显著加速

以往关于Elovl2功能丧失的研究主要局限于小鼠生殖发育和脂质代谢，然而，年龄相关的表型尚未得到充分研究。为了检查Elovl2在衰老过程中的功能，我们用CRISPR-Cas9技术生成了Elovl2敲除小鼠。我们总共生成了40只 Elovl2+/−和84只Elovl2−/−小鼠。在Elovl2−/−小鼠，32只小鼠在第3个外显子中59 bp缺失，从而产生终止密码子。蛋白质印迹显示Elovl2在Elovl2−/−小鼠中完全耗尽。我们的实验是在这些59-bp缺失小鼠上进行的，因为无论性别或品系如何，Elovl2+/−和 Elovl2−/−小鼠都不育。这可能是由不同的敲除条件和不同的饮食补充方法引起的。在我们的研究中，严格定义了非PUFA牛奶和用于幼崽或成年小鼠的非PUFA饮食成分，以防止食物摄入中PUFA的消耗。然后，我们检查了8个月生长后的关键老化参数。Elovl2−/−年轻小鼠显示出一系列衰老加速表型，包括毛发减少（图3a），骨密度降低（图3b），耐力和肌肉力量下降。此外，旷场行为测试显示Elovl2−/−小鼠表现出与野生型老年小鼠（WT-O，20个月大）相似的探索行为减少和焦虑增加（图3c）。此外，莫里斯水迷宫测试表明，Elovl2−/−小鼠的学习和记忆能力显著下降。此外，Elovl2−/−小鼠寿命比野生型小鼠短得多，在129/sv和ICR背景中，10个月大时小鼠的死亡发生率要早得多。这表明Elovl2缺乏会导致Elovl2−/−小鼠的寿命严重缩短。在局部组织生理水平的Elovl2−/−小鼠和WT-O小鼠中也检测到与衰老相关的组织病理学表型（图3e）。这些结果表明，小鼠中缺乏Elovl2在多个方面导致衰老表型的发生显著加速。

图3 Elovl2的缺失导致小鼠严重加速衰老表型和代谢功能障碍

a，（8个月）Elovl2敲除小鼠的毛发减少；b，显微计算机断层扫描（micro-CT）显示小鼠股骨的骨体积/总体积（BV/TV）和小梁厚度（Tb.Th.）；c，旷场测试结果为129/sv小鼠的不同组；d，野生型129/sv和ICR与Elovl2敲除小鼠的生存曲线；e，苏木精和曙红染色和肝组织的病理切片分析；f，129/sv小鼠肝脏，大脑和血浆中脂肪酸物种的热图；g，肝脏油红O（ORO）染色；h，超声检查结果；i，葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT）结果。

5.缺乏Elovl2会扰乱脂质和能量代谢

接下来，我们研究了Elovl2缺乏是否可以通过干扰代谢来加速衰老。考虑到Elovl2在20:C至28:C19长链脂肪酸的延长酶脂质代谢中起着关键作用，我们对其进行了脂质组学分析。含有少于20个碳的脂肪酸显著积累，并且在WT-O和−/−Y小鼠的血浆中都存在PUFA缺乏的趋势。短链脂肪酸的积累在ICR的WT-O和−/−Y小鼠中都更为明显，但在129菌株中则不然，这表明可能存在遗传效应。在所有肝脏，大脑和血浆中发现-/-Y的PUFA（如DHA）显著减少，然而，WT-O中仍残留相对较少量的DHA（图3f）。我们注意到−/−Y小鼠的整体脂肪酸组成比WT-O小鼠更异常，这表明老年小鼠的ELOVL2仍有功能。虽然我们没有检测到脂肪酸，但据报道，ELOVL2敲除也增加了脂肪酸的含量。使用油红O染色，我们观察到WT-O和−/−Y小鼠肝细胞中脂肪酸的大量积累（图3g）。此外，在WT-O和−/−Y小鼠中我们通过超声检查检测到脂肪性肝炎表型（图3h）。在临床实践中，这些变化可能导致肝脂肪变性，然后导致脂毒性和胰岛素抵抗。鉴于此，我们进行了葡萄糖耐量试验和胰岛素耐量试验。我们在−/− Y小鼠中观察到显著的葡萄糖耐量和胰岛素抵抗表型（图3i）。这一结果与先前的一项研究一致，该研究报告Elovl2的转录活性与胰岛素分泌密切相关。总的来说，这些结果表明Elovl2缺乏小鼠发生了严重的代谢功能障碍。

6.补充PUFA的饮食可以部分减少Elovl2敲除小鼠的衰老表型

了解到缺乏Elovl2会减少PUFA的合成后，我们接下来研究了膳食补充PUFAs是否可以完全抑制加速衰老表型。与对照组相比，膳食补充PUFAs（鱼油）略微改善了−/−Y小鼠肝脏中的脂肪酸积累并改善了生理葡萄糖代谢平衡，但不足以完全恢复（图3g，h）。旷场行为试验表明，膳食补充PUFAs可导致衰老表型略有改善。此外，PUFAs的膳食补充剂并不能缓解与衰老相关的组织病理学表型。这些结果表明，缺乏Elovl2对衰老的贡献不仅仅是通过膳食PUFA的缺乏而发生的。

7.缺乏Elovl2导致小鼠慢性炎症和成体干细胞衰竭

成体干细胞对于维持组织功能和体内平衡至关重要。研究者已经发现，代谢在维持成体干细胞库方面起着关键作用。最近，Oishi报道了脂质代谢（特别是PUFAs合成）在免疫反应中起着关键作用。PUFAs如DHA和二十碳五烯酸，作为炎症抑制剂的前体，可以调节炎症。考虑到这一点，我们假设−/− Y小鼠可能会产生广泛的慢性炎症。

图4 Elovl2的消耗导致慢性炎症，细胞衰老和成体干细胞衰竭

a，通过ELISA测量的血液中炎症因子水平；b，TNF-α和MCP-1的蛋白质印迹；c，肝脏的Masson染色；d，用上皮祖细胞标志物染色的毛囊和肠。

事实上，我们对血液样本的分析显示，−/− Y和WT-O小鼠的炎症因子水平显著增加（图4a）。我们还检查了肝脏炎症的状态，发现WT-O和−/−Y小鼠的MCP1和TNF-α水平显著增加（图4b）。众所周知，慢性炎症导致组织纤维化和内源性干/祖细胞储库的耗尽。基于此，我们观察到肝脏纤维化增加（图4c）。此外，我们检测到毛囊（CK15）和肠道（LGR5）中干细胞群的显著损失（图4d）。

接下来，我们通过磁共振成像检查了大脑皮层和海马体结构，结果揭示了−/−Y和WT-O小鼠的异常。RNA-Seq分析还显示−/−Y小鼠大脑中表达谱异常和功能基因表达模式受损。这些结果表明，缺乏Elovl2的组织中因内源性或外源性炎症刺激导致慢性炎症，干细胞衰竭和组织功能丧失，进而导致表型老化。

8.RNA-seq分析表明，Elovl2消耗损害了各种代谢和衰老相关途径

为了确定Elovl2丢失在导致衰老中的分子机制，我们对WT-Y和−/−Y小鼠的肝脏和脑部样品进行了RNA-Seq分析。与先前研究中报告的老年小鼠基因上调相比，这些基因也在我们的−/−Y小鼠中富集（图5a）;下调基因显示出一致的模式。我们发现−/−Y小鼠的表达特征与高脂肪饮食的小鼠相似，这证实了Elovl2消融导致脂肪酸积累。接下来，我们将其与WT-Y小鼠相比，在−/−Y小鼠的肝脏中鉴定了1867个差异表达基因（p值<0.05），其中1084个基因上调，783个基因下调。GO富集分析表明，脂肪酸/脂质代谢、细胞对胰岛素刺激的反应、线粒体功能和未耦合的蛋白质反应被错误调节（图5b）。值得注意的是，我们发现ER应激相关基因被上调（图5c），这与先前的一项研究报告一致，即脂毒性可能导致ER应激。众所周知，脂质毒性和ER应激都会损害线粒体功能。事实上，我们发现线粒体功能相关基因，例如参与脂肪酸β氧化过程和胰岛素受体信号通路的基因被下调，而线粒体非耦合蛋白反应（UPRmt）-和糖酵解相关基因上调（图5c）。与RNA-Seq数据一致，qPCR也显示出相同的表达模式。此外，我们还分析了大脑和肝脏中差异表达的重叠基因，发现121个重叠基因下调，304个重叠基因上调。在这些上调的重叠基因中，DNA修复细胞对DNA损伤刺激的反应在基因肿瘤学分析的顶部呈现，这表明ELOVL2敲除小鼠的脑和肝脏组织中都有共同的衰老状态。

图5 Elovl2缺乏导致内质网应激和线粒体功能障碍

a，−/−Y样本中差异表达基因的富集基因集；b，与WT-Y小鼠相比，在−/−Y中富含上调或下调基因的基因本体；c，与WT-Y小鼠相比，−/−Y小鼠中衰老相关途径中基因的表达模式；d，HSPA5染色的肝脏；e，ER应激标志物的蛋白质印迹；f，海马XF线粒体应激测试；g，海马XF糖酵解试验。

9.脂质代谢受损导致ER应激反应和线粒体功能障碍

线粒体以多种方式参与衰老过程，例如能量产生，活性氧（ROS）的产生和UPRmt.此外，线粒体有助于细胞衰老状态引起的变化。因此，根据我们的RNA-seq数据分析和先前报告的线索，我们假设缺乏Elovl2会促进衰老，从而引发ER应激和线粒体功能障碍。

为了验证我们的假设，我们测量了肝脏组织中的ER应激水平和线粒体功能。在WT-O和−/−Y小鼠中ER应激标记物上调，例如HSPA5，磷酸化的EIF2α（p-EIF2α），p-ERN1和ATF6（图5d，e）。然后，我们使用安捷伦Seahorse XF细胞线粒体压力测试，直接测量WT-O和−/−Y小鼠原代肝细胞的耗氧率（OCR）来研究线粒体功能的关键参数。对于基础呼吸，我们发现−/−Y小鼠的OCR显著增加（图5f，1），加入寡霉素未降低OCR，表明未耦合呼吸的发生率增加（图5f，2）。这些结果表明−/−Y小鼠中存在缺氧介导的线粒体功能障碍，这也可能是由多余的脂肪酸引起的。

可以预见的是，在添加FCCP后，−/− Y小鼠的线粒体最大呼吸水平较低（图5f，3）。此外，我们发现−/−Y小鼠的糖酵解活性增加（图5g），而在癌细胞和衰老细胞中都观察到代谢从氧化磷酸化到糖酵解的转变，称为Warburg效应，它也在我们的RNA-seq数据中被鉴定出来。

慢性ER应激和线粒体功能障碍的后果之一是细胞水平的氧化损伤。使用各种检测手段，我们发现在线粒体（线粒体超氧化物的MitosOX）和细胞核（DNA氧化损伤γ-H2AX）中都发生了氧化损伤，影响了蛋白质（AOPP），脂质（MDA）和RNA（8-OHG）的代谢。正如预期的那样，抗氧化酶被过度活化（GSH-PX，CAT，T-SOD和TAC）。值得注意的是，在这种严重的氧化损伤下，我们在−/−Y和WT-O小鼠中检测到更高的细胞衰老标志物。

总之，Elovl2的缺失可能导致细胞水平的短链脂肪酸积累，ER应激和线粒体功能障碍。

10.人RPE细胞中Elovl2缺乏诱导AMD表型

我们之前的结果表明，Elovl2的消耗导致小鼠中枢神经系统的退行性表型。我们假设潜在的退行性作用也可能是由ELOVL2缺乏症在视神经系统中诱导的。年龄相关性黄斑变性（AMD）是一种眼部疾病，可以模糊中央视力。当衰老导致黄斑受损时，就会发生这种情况。在我们之前的研究中，我们发现Elovl2敲除小鼠的眼睛中类似AMD的表型显示视网膜不同层的细胞衰老信号增加和视觉功能丧失（数据未显示）。这些表型与Chen等人最近发表的一篇论文一致，其中AMD表型由Elovl2突变小鼠中的drusen和其他标记物确认。鉴于此，我们接下来研究了Elovl2消融是否可能导致人类细胞中的AMD表型。我们通过慢病毒将shRNA递送到人类原代RPE细胞（由健康供体产生）来开发Elovl2敲低RPE细胞系（KE）。正如预期的那样，Elovl2的敲低导致细胞衰老（图6a）和增殖受损（图6b）。我们还检测了KE细胞中SASP标记物的上调，包括P53、P21、IL-1b和IL-639（图6c）。我们发现许多衰老和AMD标志物在KE细胞的RNA和蛋白质水平上都增加。这些结果表明，具有SASP表型的AMD模型可以由人类RPE细胞中Elovl2的缺乏产生。

图6 由人RPE细胞中Elovl2的耗竭诱导的AMD表型

a，β-半乳糖苷酶染色在人RPE细胞上，无需治疗（对照）或Elovl2敲低（Elovl2 KD）；b，细胞倍增时间分析；c，空白和KE细胞中衰老和AMD标志物的蛋白质印迹；d，空白和KE细胞中衰老和AMD标志物的qPCR结果；e，基因在ER应激和细胞衰老相关途径中的表达模式；f，基因本体在RPE细胞中上调基因中富集；g，mitoSOX染色结果；h，用烟酰胺（Ni）与VEGF和Aβ抗体处理的空白和KE RPE细胞的免疫荧光。

如上所述，缺乏Elovl2导致脂肪酸积累，从而引发慢性ER应激和线粒体功能障碍。因此，我们假设这些损伤也发生在Elovl2缺陷诱导的人类AMD模型中。事实上，从RNA-seq分析中，我们发现KE细胞中慢性ER应激和细胞衰老显著增加（图6e）。此外，GO项分析显示了KE细胞中的线粒体功能障碍;与线粒体功能相关的基因，例如控制NAD生物合成过程和凋亡线粒体变化的基因，受到失调（图6f）。此外，我们检测到线粒体中氧化损伤的积累（图6g），这反映了KE细胞中严重的氧化损伤。在小鼠和人类细胞模型中，Elovl2缺乏导致慢性ER应激和线粒体功能障碍引起的氧化损伤增加。

线粒体异常是神经元功能障碍的早期驱动因素。据报道，NAD前体烟酰胺（维生素B3）恢复线粒体功能既具有预防性保护作用，又可以作为对青光眼的干预措施，青光眼是一种导致视力丧失的神经退行性疾病，特别是在老年人中。为了进一步确认线粒体的恢复是否可以减少Elovl2敲除的RPE细胞中的AMD表型，我们用烟酰胺（Ni）处理Elovl2敲低RPE细胞。在KE细胞培养过程中用Ni处理显著逆转了细胞衰老基因的异常表达并减少了线粒体功能障碍，从而导致AMD标志物显著降低（图6h）。总之，这些结果表明，线粒体功能的恢复可以改善由Elovl2消耗引起的AMD表型。

表观遗传改变是衰老的标志之一。衰老与DNA甲基化水平之间的内在关系是在20世纪60年代后期建立的;然而，直到最近，数百个CpG位点的DNA甲基化与生物年龄之间的相关性才被精确地表述。我们和其他人的研究已经证明，特定基因位点的DNA甲基化可以用作人类和小鼠生物衰老的准确生物标志物。DNA甲基化对这些CpG位点的作用是目前讨论的热点。在我们之前的报告中，我们确定了一系列衰老标志物;其中一些标记基因参与脂质代谢。Elovl2是主要控制脂质代谢及与糖尿病密切相关的基因，是与衰老最相关的基因。Slieker等人声称ELOVL2是一种独特的与年龄相关的DNA甲基化标记，然而，随后的一份报告显示，ELOVL2不是一种独特的通用衰老标志物，并且有更多的CpG位点/基因在许多不同的细胞/组织中随着年龄的增长而持续改变。其中一些映射到Wnt和谷氨酸受体信号通路中的基因，随着年龄的增长而改变至少十种不同的细胞/组织类型。这一观察也表明，Wnt途径在衰老中具有潜在的重要作用，因为Wnt途径在衰老过程中对维持成体干细胞库有密切的贡献。

衰老相关DNA甲基化是如何发生的目前尚不清楚。细胞损伤在启动表观遗传基因沉默方面起着关键作用。转录抑制因子可以在DNA损伤发生后不久立即招募以沉默该部位的转录。染色质沉默是为了确保损伤修复过程所必需的。同时，随后的异常DNA甲基化在此过程之后保留下来。在这里，我们表明NuRD复合物在细胞氧化损伤期间或DNA双链/单链断裂后这些年龄相关位点上的DNA甲基化调解中起关键作用。然而，随机DNA损伤诱导DNA甲基化的机制仍然需要未来更多的研究。

Elovl2是一种重要的衰老标志物，在长链的脂肪酸延长中起着关键作用。以前的研究表明，Elovl2也通过小鼠模型中的全基因组关联研究与糖尿病相关。这支持了Elovl2是代谢和衰老之间关键环节的观点。在这里，我们研究了Elovl2是否首先在转基因小鼠模型中对衰老起到了功能性作用。虽然人类和小鼠的寿命有很大不同（特别是最长寿命差异很大），但理论寿命曲线的形状，通常被认为是生物体健康的代表，在物种之间非常一致。几篇综述论文很好地显示了人类和小鼠共享的保守表型和衰老机制，其中一些甚至在包括酵母，蠕虫和苍蝇在内的物种中非常一致。事实上，Lopez-Otin等人已经将这些保守的衰老特征归类为一组9个“衰老标志”，其中跨越了从酵母到人类的进化距离。衰老的9个已知特征如下：基因组不稳定，线粒体功能障碍，失调的营养感知，蛋白质平衡丧失，表观遗传改变，细胞衰老，干细胞衰竭，细胞内通路改变和端粒损耗。利用这一优势研究动物模型中的衰老机制是非常有价值的。在这项研究中，我们使用CRISPR-Cas9来进行Elovl2敲除。与之前的报告相比，我们的研究中发现Elovl2敲除小鼠中有显著加速的衰老表型和九个衰老标志的许多特征，这表明其在衰老过程中的关键作用。此外，Elovl2和其他家庭成员的结构尚未完全揭示。随着AI在结构生物学中的快速应用，我们使用KeystoneFold模型，结合RoseTTAFold和AlphaFold2方法，来预测ELOVL2的结构。成功描述ELOVL2和其他ELOVL家族的蛋白质结构可以帮助我们从不同的角度更好地理解脂质合成过程。

脂质合成需要基于ER的正常功能，即Elovl2的位置。除脂质合成外，ER还执行与蛋白质的合成、折叠和运输有关的重要功能。以前有报道称，游离脂肪酸在ER中的积累会损害ER功能，导致未折叠或错误折叠的蛋白质负荷和慢性ER应激的发生率增加。Elovl2消融后PUFA合成的减少导致脂肪酸合成的代偿性增加，这可以通过ER中PUFAs脂肪酸前体的积累和线粒体能量代谢的变化来影响细胞代谢稳态。ER应激也与胰岛素抵抗和线粒体功能障碍有关。

线粒体是细胞的动力源，通过呼吸和调节细胞代谢在产生能量方面发挥着突出作用。Elovl2缺乏诱导代谢从三羧酸循环到糖酵解的转变，这种效应产生更具反应性的氧化物质（ROS），在细胞、组织和器官中引起氧化应激，并且还充当炎症反应的信使。此外，PUFA对于炎症的消退至关重要。除此之外，在Elovl2敲除时，脂肪酸显著积累，包括花生四烯酸。由于花生四烯酸的积累也可能导致炎症发生，并产生PGE2，因此PGE2可能参与Elovl2敲除时的炎症发生。在Elovl2敲除的背景下，一系列组织中的生理炎症，细胞衰老和成体干细胞衰竭显著增加。根据这些生理变化导致衰老表型的观点，我们在Elovl2敲除小鼠的眼睛中发现了AMD样表型，其表现为视网膜不同层中细胞衰老信号的增加，RPE层的破坏及视觉功能丧失。这些表型与Chen等人最近发表的一篇论文一致，其中AMD表型由Elovl2突变小鼠中的drusen和其他标记物确认。接下来，我们证实了这种表观遗传-代谢-衰老轴也存在于人类中。在人类原代RPE细胞中，AMD标记物水平的增加与内质网应激、线粒体功能障碍和细胞衰老的累积相似。烟酰胺恢复线粒体活性大大降低了Elovl2敲低人RPE细胞中AMD标志物的水平。

我们的结果表明，表观遗传变化会改变衰老过程中的代谢，并帮助我们更好地理解了表观遗传和衰老代谢过程背后的分子机制。代谢功能障碍是年龄相关性表观遗传改变的效应因素。同时，代谢功能障碍也可以成为导致表观遗传相互变化的介质。代谢如何调节年龄相关性表观遗传改变的机制仍有待进一步研究。

https://www.nature.com/articles/s41392-022-00964-6

来源：基因谷

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