多胺通过调控蛋白质稳态重塑衰老肠道上皮再生能力

《Nature Cell Biology》：Polyamines sustain epithelial regeneration in aged intestines by modulating protein homeostasis

本研究针对衰老导致肠道上皮再生能力下降的机制，发现5-FU损伤后老年小鼠肠道出现蛋白质稳态应激并激活多胺代谢通路。通过蛋白质组学、代谢组学和功能实验证实，多胺通路激活可缓解衰老肠道再生延迟，而膳食限制后重喂养或直接补充多胺均能显著改善老年肠道再生能力，为衰老相关组织修复障碍提供了新的干预策略。

　　

随着全球人口老龄化加剧，组织再生能力衰退已成为老年健康面临的重大挑战。肠道作为人体更新最快的器官之一，其上皮细胞每3-5天就会完全更新一次，这种强大的再生能力由肠道干细胞维持。然而，衰老过程显著延缓了肠道上皮的再生速度，但其深层机制尚不明确。发表在《Nature Cell Biology》的最新研究揭开了这一谜题的关键环节——多胺代谢通路通过调控蛋白质稳态，在衰老肠道再生过程中扮演着重要角色。

研究团队采用5-氟尿嘧啶(5-FU)诱导的小肠损伤模型，系统比较了年轻(3-5月龄)和老年(22-26月龄)小鼠的肠道再生动态。5-FU是一种常用的化疗药物，通过抑制DNA复制和RNA合成影响核糖体功能，能有效模拟肠道黏膜炎损伤。研究发现，年轻小鼠在损伤后5天内体重和肠道结构完全恢复，而老年小鼠需要7天以上，显示出明显的再生延迟。

为深入解析再生延迟的分子基础，研究人员运用非标记数据非依赖采集(DIA)质谱技术，对损伤后不同时间点的肠道组织进行了蛋白质组学分析。结果显示，年轻小鼠损伤后出现典型的再生相关蛋白表达变化，包括转录翻译、脂代谢、免疫反应和细胞外基质组织等通路的重编程。而老年小鼠则表现出独特的蛋白质稳态(proteostasis)应激特征，包括19S蛋白酶体调节颗粒、分子伴侣复合物CCT、翻译起始因子(EIF1B、EIF2B1、EIF4A2)和自噬相关蛋白(ATG5、ATG7)等蛋白的动态变化异常。

尤为重要的是，研究发现了K48连接的多聚泛素化蛋白在老年小鼠损伤后第5天显著积累，这是蛋白质降解障碍的标志。同时，通过环己酰亚胺(CHX)干扰年轻小鼠的翻译延伸过程，成功模拟了老年小鼠的再生延迟表型，证实蛋白质稳态失衡是导致再生延迟的关键因素。

为区分细胞自主性与非自主性机制，研究建立了肠道器官样(organoid)培养体系。老年来源的肠道器官样对5-FU更敏感，再生能力显著降低，并重现了体内观察到的p62/SQSTM1积累等蛋白质稳态应激特征，表明衰老肠道上皮存在细胞自主性的功能缺陷。

代谢组学分析揭示了多胺代谢的关键作用。在损伤后第5天，老年小鼠肠道隐窝中多胺(包括亚精胺和精胺)水平显著升高，同时其下游效应因子EIF5A的hypusination修饰水平也相应增加。这种修饰对含有脯氨酸-脯氨酸等特殊基序的蛋白质翻译至关重要。研究发现，含有EIF5A依赖性翻译基序的蛋白质，如胶原蛋白(COL1A1、COL3A1)和原纤维蛋白(FBN1、FBN2)，在老年小鼠中呈现独特的动态变化，这些蛋白正是肠道组织修复所必需的关键组分。

功能验证实验证实了多胺通路的重要性。在老年小鼠中使用ODC1抑制剂DFMO，或通过遗传手段在年轻小鼠上皮细胞中条件性敲除Odc1基因，均显著延缓了5-FU后的肠道再生。蛋白质组学分析显示，ODC1缺失加剧了5-FU引起的蛋白质组变化，并影响了蛋白酶体和分子伴侣等蛋白质稳态网络组件。

引人注目的是，膳食干预能有效改善衰老肠道的再生能力。老年小鼠经过1个月30%膳食限制(DR)后，进行2天重喂养(RF)，显著提升了肠道隐窝中多胺水平和EIF5A hypusination修饰。这种干预不仅减轻了5-FU引起的体重下降，还促进了蛋白质合成和细胞增殖。更直接的是，口服补充亚精胺和精胺混合物，足以模拟DR+RF的益处，显著改善老年小鼠的肠道再生能力。

研究主要应用了以下关键技术：蛋白质组学分析采用非标记DIA质谱技术，代谢组学使用液相色谱-质谱联用(LC-MS)定量分析多胺及相关代谢物，功能研究结合了药理学抑制(DFMO)和遗传学模型(Odc1条件性敲除小鼠)，体外验证采用肠道器官样培养体系，再生能力评估通过组织学分析、免疫组化和蛋白质合成测定(嘌呤霉素掺入法)等多指标综合评价。

研究结果表明，衰老肠道上皮在损伤后激活多胺代谢是一种适应性反应，旨在缓解蛋白质合成增加带来的蛋白质稳态压力。多胺通过促进EIF5A hypusination修饰，优化含有特殊基序的蛋白质(如细胞外基质成分)的翻译效率，从而支持组织修复。这一发现不仅深化了对衰老相关再生障碍机制的理解，也为开发针对老年人肠道损伤的干预策略提供了新思路。

值得注意的是，虽然多胺补充在组织再生中展现出潜力，但其在肿瘤发生中的双重作用需要谨慎评估。研究提示，在特定时间窗口(如化疗后恢复期)进行多胺通路干预，可能最大程度发挥其促进再生而避免潜在风险的作用。

该研究由Alberto Minetti和Omid Omrani作为共同第一作者，Francesco Alessandro Ori和Alpaslan Tasdogan等作为共同通讯作者完成，研究团队来自德国莱布尼茨衰老研究所、美国麻省理工学院科赫研究所等多个国际知名机构。这项工作为理解衰老过程中组织再生障碍的分子机制提供了重要见解，并为开发相关干预措施奠定了理论基础。