近年来，支链氨基酸代谢及其调控由于其广泛且深刻的疾病关联性，成为研究焦点。同时，衰老作为生命科学领域的研究热点，亦备受关注。在此背景下，“支链氨基酸代谢+衰老”的组合会给我们带来什么新的课题设计思路呢？

今天我们将分享一篇于24年1月份发表在Advanced Science的文章《支链氨基酸累积为衰老相关分泌表型提供燃料》，希望能给大家带来不一样的灵感~

【文章题目】：支链氨基酸累积为衰老相关分泌表型提供燃料

【发表期刊】：Advanced Science

【影响因子】：IF=15.1（中科院1区）

【发表日期】：2024.1

一、研究背景

BCAA作为重要的信号分子可激活细胞生长和代谢调节因子mTORC1。

BCAAs摄入量与延长寿命相关，但在衰老过程中BCAA内在的变化仍未可知。

衰老细胞在衰老和炎症组织中积累，它们主要通过与衰老相关的分泌表型（SASP）来驱动与年龄相关的和炎症表型。

衰老细胞如何改变氨基酸的代谢以及这些改变如何影响衰老仍未可知。

二、技术路线

三、研究结果

1. 细胞衰老期间BCAA代谢的改变

在之前的研究中，作者发现表皮生长因子受体（EGFR）信号抑制可导致体外正常人支气管上皮细胞（NHBE）衰老和体内的过早衰老。通过构建细胞衰老模型，并进行转录测序，作者在图1a~b的结果中发现，在细胞衰老过程中，氨基酸的代谢和转运的通路发生了显著的变化；并且他们确定SLC6A14是表达上调最多的基因之一，相反，BCAT1在诱导衰老时显著下降。基于相关研究背景，作者假设SLC6A14的表达升高和BCAT1的减少对衰老细胞代谢产生相互影响，导致细胞内BCAAs增加。

为了证明这一点，图1c~d显示作者在衰老细胞模型中验证了这些基因的变化。另外又使用3种独立方法在人类IMR90成纤维细胞中诱导衰老，图1e~j两两分别对应的方法是过度表达致癌基因HRasV12（带有G12V突变的HRas原癌基因）、用DNA损伤诱导剂依托泊苷处理，以及复制性耗竭。最终实验证明BCAA转运蛋白SLC6A14/SLC6A15蛋白高表达，BCAA转氨关键蛋白BCAT1蛋白低表达。综上，这些数据表明BCAAs的输送表达、BCAAs的转氨机制参与多种细胞的衰老进程。

2. 抑制BCAA积累可阻断SASP

为了评估BCAAs代谢在细胞衰老中可能的功能作用，作者首先使用shRNA抑制SLC6A15的表达，并使用多种衰老细胞模型评估衰老的建立。而在图2a、2b、2d中发现，SLC6A15的敲除对细胞周期无影响，这正如IMR90成纤维细胞中的检测结果——p16高表达、LaminB1减少、SA-β-Gal阳性。另外，他们注意到IL-6、IL-8的表达受到了抑制。这说明SLC6A15的敲除对细胞周期阻滞没有影响，但显著抑制了SASP因子的产生。

图2c、2e进一步的实验表明，BCAT1高表达同样减少了SASP相关因子的表达，但对细胞周期相关无影响。综上，这些数据表明在多种细胞衰老模型中，无论是抑制BCAA转运还是激活BCAA转氨作用，都会抑制SASP进程。

3. BCAA调节因子通过激活mTORC1信号通路推动SASP因子的产生

为了确定BCAAs介导SASP产生的分子机制，作者首先使用酶学分析方法检测了衰老细胞中的BCAA水平。图3a~c的多种激酶分析证明BCAA的水平在多种衰老细胞中高表达。此外，图3d~e表明SLC6A14高表达、BCAT1低表达可以提升BCAA的水平。相反，图3f~g显示沉默SLC6A15、过表达BCAT1可以降低BCAA的水平。这些结果共同验证了，通过SLC6A转运体提高对BCAAs的摄取和降低BCAT1的分解代谢，两者都能增加衰老细胞中BCAA的水平。

紧接着，作者研究了SLC6A15和BCAT1在衰老细胞中是否影响mTORC1信号通路。图3h~i结果显示，沉默SLC6A15或者过表达BCAT1抑制了mTORC1信号通路的激活，且发生在衰老开始的时候。

为了进一步确认mTORC1是否在SLC6A15和BCAT1下游发挥作用，作者敲除了DEPDC5蛋白（mTORC1途径的一个抑制性组分），以重新激活mTORC1。图3j~k结果显示，降低mTORC1通路抑制剂后，尽管沉默SLC6A15或过表达BCAT1，挽救mTORC1信号通路也可恢复多个显著SASP因子的表达。总之，这些数据表明衰老细胞中SLC6A15表达升高和BCAT1表达降低通过BCAA-mTORC1信号通路控制SASP的建立，如图3l所示。

4. 在果蝇中上调BCAA转运蛋白诱导与年龄相关的表型

为了研究BCAAs代谢变化对衰老过程的影响，作者选择了寿命较短、与哺乳动物在细胞衰老和衰老过程中共享保守信号通路的果蝇。在图4a~b的实验中，作者测试了通过Gal4/UAS系统在成年果蝇中过表达dSlc6a15-a/b对果蝇衰老的影响。此外，图4c~f显示，过表达任意一种转运蛋白能使果蝇的生命周期缩短，并导致老年果蝇攀爬能力的下降；同时，dSlc6a15a/b蛋白过表达引起细胞衰老标志，其中包括周期蛋白依赖性激酶抑酶的上调（dp21），以及炎症细胞因子Upd2的表达增加。

值得关注的是，图4g显示，与GFP过表达的对照果蝇相比，老年转基因果蝇过度表达BCAA转运体的抗菌肽表达量大幅增加。综上，这些数据表明增加BCAA转运缩短果蝇寿命，并在机体水平上诱导衰老和与衰老相关表型。

5. 阻断BCAA积累可减轻小鼠肝脏衰老相关炎症反应

为了研究BCAA调节因子对哺乳动物系统中衰老相关炎症反应的影响，作者利用已建立的致癌基因诱导的衰老模型来研究衰老小鼠肝细胞的免疫介导清除。图5a~b显示的是通过敲低SLC6A15和过表达BCAT1来降低细胞内BCAA水平，同时通过NRasV12（NRas原癌基因带有G12V突变）的过表达诱导衰老。然后，分别收集第6天和第12天的细胞来评估BCAA代谢对SASP基因效应和衰老细胞免疫清除情况的影响。

如预期那样，图5c~d表明，NRasV12激活引起肝细胞衰老，导致炎症因子量快速增加，第6天的数据显示SASP组成部分在对照组中高表达，并伴随着大量的CD45免疫细胞聚集；相反，在SLC6A15低表达或BCAT1过表达时，SASP因子显著减少，且免疫细胞聚集较少。这些数据说明，即使BCAA积累受阻，衰老仍可以由癌基因诱导，但SASP因子的产生将受阻。同样地，在第12天时，相比于对照组，实验组的NRasV12阳性细胞显著减少。以上综合说明了，在体内，BCAA水平的升高是与衰老相关的炎症反应和衰老细胞的免疫清除所必需的。

四、文章小结

本研究发现了一种将BCAA代谢的内在改变与细胞衰老和SASP联系起来的新机制，这两种机制都有助于机体衰老和炎症相关疾病。BCAA代谢的改变驱动SASP是由BCAA转运蛋白SLC6A14/SLC6A15的强大激活以及细胞衰老时分解代谢酶BCAT1的下调介导的，导致衰老细胞内BCAA水平升高。这进而激活mTORC1，以建立完整的SASP程序。转基因果蝇模型进一步表明，同源BCAA调节因子参与了果蝇细胞衰老和年龄相关表型的诱导，表明该代谢途径在衰老过程中具有进化保守性。最后，通过实验阻断BCAA积累可减轻小鼠衰老模型中的炎症反应，突出了调节BCAA代谢治疗年龄相关疾病和炎症性疾病的治疗潜力。

五、相关国自然中标项目分享