蛋白质分解代谢物作为衰老生理学的血液生物标志物：狗衰老计划的新发现

《Aging Cell》：Protein Catabolites as Blood-Based Biomarkers of Aging Physiology: Findings From the Dog Aging Project

本综述系统阐述了狗衰老计划（DAP）精准队列中血浆代谢组学与衰老的关联研究。研究发现超过三分之一（约36%）的血浆代谢物与年龄显著相关，其中翻译后修饰氨基酸（ptmAA）作为新型衰老生物标志物尤为突出。研究通过整合全基因组测序（WGS）和临床数据，揭示了肾脏功能（通过血清肌酐和尿素氮BUN评估）介导了约50%的ptmAA年龄相关变异，首次在复杂自然环境中证实了蛋白质分解代谢与衰老生理的密切联系，为跨物种衰老生物标志物研究提供了重要范式。

　　

精准队列：狗衰老计划的研究核心

狗衰老计划（DAP）精准队列是本研究的基础，该队列从美国近50,000只登记犬中招募了976只伴侣犬，旨在代表犬类在年龄、遗传和地理环境上的广泛多样性。本研究分析了其中784只犬基线期的血浆代谢组数据。该队列包含49%的雌性和51%的雄性犬，绝大多数（83%）已绝育。这些犬只遍布美国50个州中的49个，生活在农村（21%）、郊区（60%）和城市（19%）等不同环境中。通过低覆盖度全基因组测序，研究人员在队列中识别出110个不同品种的遗传背景，其中43%的犬只为纯种犬（单一品种 ancestry ≥85%），57%为混种犬。精准队列中的犬只总体上非常健康，92%的犬主报告其宠物健康状况为“极好”或“很好”，没有犬只被报告为“差”或“极差”，这反映了该队列可能更倾向于健康衰老的研究。

靶向血浆代谢组学揭示复杂变异

研究采用靶向液相色谱-质谱（LC-MS）技术，对133种水溶性代谢物进行了分析。主成分分析（PCA）显示，前22个主成分（PCs）捕获了代谢组中60.3%的非随机变异。通过协方差分析（ANCOVA）评估了年龄、体重、性别、绝育状态、生命阶段、品种、禁食时间以及17项全血细胞计数（CBC）变量对代谢组变异的影响。这些变量共同解释了前22个PCs中6.0%至17.1%的变异。其中，体重对PC1的变异解释度最高（7.0%），而年龄对PC4的变异解释度为5.8%，且年龄与PC4呈强相关。值得注意的是，基于单核苷酸多态性（SNP）的遗传力（H_SNP）分析表明，遗传亲缘关系（通过遗传关系矩阵GRM估算）平均能解释每个PC中27%的变异（范围2.8%-61.2%），这远高于基于常见品种分类所能解释的变异程度。因此，在后续分析中，研究人员使用GRM作为随机效应来控制遗传亲缘性，以确保年龄对代谢物影响的估计不受遗传背景的混淆。

年龄对犬血浆代谢组的影响

在线性混合模型中控制多种协变量后，研究发现年龄对133种代谢物中的48种（约36%）有显著影响（错误发现率FDR ≤ 0.05）。这些年龄相关代谢物中，两类物质尤其引人注目：肉碱类和翻译后修饰氨基酸（ptmAA）。在面板检测的6种肉碱中，有4种与年龄相关，其中3种（如乙酰肉碱）在老年犬中含量更高，1种（γ-丁基甜菜碱）在老年犬中含量降低。在22种随年龄增长而增加的代谢物中，有8种是肉碱衍生物或ptmAA。

翻译后修饰氨基酸作为新型衰老生物标志物

ptmAA是本研究的关键发现。在检测的12种ptmAA中，有6种（50%）与年龄显著相关。其中，N-末端乙酰化（N-Ac）的苯丙氨酸、色氨酸、丙氨酸和谷氨酰胺在老年犬血浆中含量更高；而甲硫氨酸亚砜和羟脯氨酸在老年犬中含量降低。研究特别区分了ptmAA（已知仅来源于蛋白质分解）和可能由从头合成产生的“模糊型”修饰氨基酸（如焦谷氨酸、二甲基甘氨酸等）。分析发现，ptmAA的年龄效应（β_age）与其对应的未修饰氨基酸的年龄效应无关，表明ptmAA的变化独立于其前体氨基酸的代谢。更重要的是，在调整了年龄和其他协变量后，不同ptmAA之间的丰度呈显著正相关，这支持了存在一个共同的生理过程（即蛋白质分解代谢）驱动其整体变化的假说，而非各自独立的代谢途径。

探究翻译后修饰氨基酸来源的生理基础

为了探究ptmAA年龄关联的生理基础，研究首先考察了饮食的影响。基于犬主调查问卷的主要食物类别（如干粮、生食、罐头等）分析显示，虽然某些饮食类型（如商业生食和家庭烹饪）与少数代谢物（如S-甲基半胱氨酸）相关，但所有年龄相关的ptmAA均未受到主要饮食类别的显著影响。即使仅在以干粮为主食的653只犬的子集中进行分析，ptmAA的年龄关联依然显著，进一步排除了饮食类型作为主要驱动因素的可能性。

蛋白质分解代谢标志物与肾脏功能协同变化

鉴于肾脏在清除蛋白质和氨基酸代谢废物中的关键作用，研究转向考察肾脏功能指标。结果发现，临床常用的肾功能指标——血清肌酐和血尿素氮（BUN）——与多数ptmAA的丰度呈正相关（平均皮尔逊相关系数r分别为0.125和0.165），而与未修饰氨基酸则无显著正相关或呈负相关。这表明ptmAA的积累与肾功能变化密切相关。中介分析进一步揭示，血清肌酐和BUN分别介导了40%至67%的ptmAA年龄效应。例如，对于N-乙酰化氨基酸等，约一半的年龄相关升高可归因于肾功能的变化。此外，尿液比重（uSG）作为另一项肾功能指标，与羟脯氨酸水平相关，并介导了其18%的年龄效应。这些结果共同表明，老年犬血浆中ptmAA的升高，很大程度上是由于肾脏清除率（通过肾小球滤过率GFR估计，与血清肌酐负相关）下降所致。

讨论与结论：犬类模型在衰老研究中的价值

本研究在遗传和环境高度多样化的伴侣犬群体中，成功识别出与人类衰老代谢组相似的变化模式，特别是蛋白质分解代谢产物（ptmAA）的积累。研究优势在于利用了DAP精准队列的丰富多组学数据和真实世界环境，克服了传统实验室模型和单一品种研究的局限性。尽管存在幸存者偏差和志愿者偏差等横断面研究固有的限制，但结果更可能反映了健康衰老的代谢特征。ptmAA作为蛋白质分解的直接产物，其与年龄和肾功能指标的强关联，揭示了肾脏功能衰退是驱动衰老相关代谢变化的一个重要生理介质。酰基肉碱的变化则提示脂肪酸代谢可能也是犬类衰老的一个特征。羟脯氨酸的年龄相关性下降与肌肉降解（少肌症）的预期相反，其机制有待进一步研究。

总之，狗衰老计划通过精准队列的深度分子表型分析，为理解复杂环境中衰老的生理基础提供了独特视角。本研究首次在伴侣犬中大规模证实了ptmAA作为稳健衰老生物标志物的潜力，并明确了肾脏功能在其变化中的核心作用。随着DAP进入纵向研究阶段，这些基线发现将为追踪个体衰老轨迹、识别影响衰老速度的遗传和环境因素、以及测试抗衰老干预措施的效果奠定坚实基础，最终推动对犬类和人类健康衰老的更深入理解。