细胞代谢包含一个高度集成的复杂网络，支持生物体的发育、生长和繁殖。代谢物可以作为调节代谢流、表观遗传景观、基因调节网络以及营养和生长信号通路的信号分子。
内源性代谢物已成为动物长寿的关键调节子，包括各种氨基酸、α-酮戊二酸、亚精胺、己糖胺、胆汁酸、烟酰胺、大麻素、蛔虫苷等天然化合物。
多种长寿途径也保守调节代谢、营养感应和生长，胰岛素/IGF和mTOR信号的下调、线粒体呼吸的减少、饮食限制和生殖系统的激素信号可以重塑新陈代谢、蛋白质稳态、应激途径和免疫力，从而延长生存和寿命。
那么这些延长寿命的不同信号通路是否会汇集到一个共同的代谢途径呢？
这个共同机制将决定衰老和寿命！
2021年6月，Nature子刊中一篇文章揭示了叶酸循环就是关键！该文章利用无偏向性的非靶向代谢组学结合靶向代谢组学验证的方法，研究对象为衰老模式生物秀丽隐杆线虫。
采用高分辨质谱平台Q-Exactive Plus，对秀丽隐杆线虫野生型（WT）和四种长寿突变株：胰岛素/IGF信号缺陷型（daf-2）、饮食限制型（eat-2）、线粒体呼吸缺陷型（isp-1）、无胚系glp-1进行了非靶向代谢组学检测。以WT为对照，筛选显著差异代谢物，将p-adj＜0.05的代谢物上传至MetaboAnalyst（https://www.metaboanalyst.ca）进行通路富集分析。4个基因型共有富集的通路包括D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢，氨酰-tRNA生物合成，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成以及嘌呤代谢，反映了氨基酸和核苷酸代谢的共同一般调节。
在daf-2,eat-2,和isp-1中，显著上调的代谢物有几种氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸）。叶酸和甲硫氨酸代谢中间体下调（5甲基四氢叶酸，S-腺苷甲硫氨酸、二甲基精氨酸），而同型半胱氨酸增加。核苷酸及相关代谢物也失调（尿嘧啶、鸟苷、肌苷、cGMP、NMN、FAD）。此外，还发现磷酸苏氨酸、丙酰肉碱、犬尿氨酸、泛硫乙胺单磷酸酯、泛酸、磷酸葡萄糖胺、γ-谷氨酰半胱氨酸、硫胺素和2-氨基苯甲酸的变化。通过代谢物-蛋白互作网络分析，揭示了有机酸、支链氨基酸和叶酸代谢之间存在高度联系。
非靶代谢组分析显示，四分之三的长寿突变体中5 甲基四氢叶酸(5MTHF)显著降低，因此随后进行了靶向代谢组学定量验证叶酸（FA）及其衍生物。结果显示FA、THF和ML在daf-2、eat-2和isp-1中的含量增加了2 到4 倍，5MTHF和MN 降低2 倍，FO在3种突变体中降低。此外，glp-1突变体中的THF显著升高。这些结果表明叶酸通路的代谢物在多个长寿突变株中发生了广泛的量变，特别是5MTHF显著减少。
叶酸代谢相关基因dhfr-1和tyms-1调节寿命
接下来利用关键酶RNAi结合补充试验分析叶酸中间体的细胞内浓度，RNAi敲低dhfr-1、mel-32、mthf-1、dao-3、tyms-1和F38B6.4这些基因。结果显示，仅tyms-1i和dhfr-1i显著增加了平均寿命。接下来通过靶向代谢组测量了dhfr-1i叶酸循环中间体的水平。结果显示，FA积累，其下游中间体THF、5MTHF、MN、ML和FO降低。补充5-MTHF后，中间体代谢物几乎都恢复到正常水平，FA还是高水平，并且消除了dhfr-1i的寿命延长。结果表明低水平的5MTHF延长寿命。
5MTHF为蛋氨酸合酶（MS）提供必需的底物，并且是蛋氨酸循环中一碳单位的主要来源。使用靶向代谢组研究dhfr-1i和5MTHF喂养后蛋氨酸循环中间体的表达水平。结果显示，dhfr-1i导致蛋氨酸和S-腺苷蛋氨酸显著降低。dhfr-1i或补充FA导致同型半胱氨酸和腺苷-同型半胱氨酸的积累。补充5MTHF能显著恢复dhfr-1i蛋氨酸水平，降低同型半胱氨酸和S-腺苷高半胱氨酸水平。metr-1编码蛋氨酸合酶的同系物，诱导蛋氨酸限制。dhfr-1i和metr-1i敲低后诱导类似的转录组特征，并且dhfr-1i处理的动物在补充了5MTHF后，转录组可以恢复到对照水平，表明dhfr-1i诱导类似蛋氨酸限制的特异性基因响应。通过蛋氨酸补充实验说明了dhfr-1i通过蛋氨酸限制来延长寿命。后续对dhfr-1i有无补充5MTHF的两组进行了非靶代谢组检测分析，发现补充5MTHF后，甲硫氨酸亚砜、尿嘧啶、胸苷、精胺和能量代谢物质水平有所恢复，说明一碳代谢和其他代谢过程可能存在新联系。
先前长寿突变体的非靶代谢结果显示，daf-2和isp-1的5MTHF显著降低，因此作者推测补充5MTHF后突变体的寿命会减少。结果与预期一致，说明较低水平的5MTHF有助于突变体长寿。为了研究突变体中5MTHF水平低的原因，检测了其叶酸循环基因的mRNA表达，有趣的是dhfr-1和mtfh-1两个基因下调。DAF-16/FOXO转录因子是一种主要的长寿调节因子，其突变体抑制寿命延长。DAF-16响应减少的胰岛素/IGF或线粒体信号，由于上述dhfr-1受daf-2和isp-1调节，作者进一步想了解dhfr-1i寿命延长是否也表现出daf-16依赖性。结果表明dhfr-1响应胰岛素/IGF信号的降低而下调，但与daf-16无关，可能通过其他转录因子起作用。
dhfr-1影响蛋氨酸循环，其与daf-2都有长寿表型，那么daf-2突变是否也干扰了蛋氨酸代谢？通过靶向代谢组学解决这个问。结果显示，dhfr-1i和daf-2突变体导致同型半胱氨酸和腺苷-同型半胱氨酸显著高表达，S-腺苷甲硫氨酸和蛋氨酸低表达。胰岛素受体底物蛋白1（Irs1）是哺乳动物胰岛素/IGF信号（IIS）转导的关键介质，上述研究显示IIS降低改变了叶酸和蛋氨酸稳态，是否Irs1-/-小鼠模型也表现出稳态改变？因此通过靶向代谢组检测雄性Irs1-/-敲除小鼠脑和肝组织中的叶酸中间体。结果显示与daf-2突变体相似的特征。
综上所述，作者通过非靶向代谢组学和靶向代谢组学的技术方法，发现叶酸和蛋氨酸循环的调节是多种长寿途径的共同机制，并且其对胰岛素/IGF信号的调节在进化上是保守的，在人口老龄化的当今社会，该研究可能为广泛改善人类健康提供新方法！
参考文献
Annibal A, Tharyan RG, Schonewolff MF, Tam H, Latza C, Auler MMK, Antebi A. Regulation of the one carbon folate cycle as a shared metabolic signature of longevity. Nat Commun. 2021 Jun 9;12(1):3486. doi: 10.1038/s41467-021-23856-9. PMID: 34108489; PMCID: PMC8190293.