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为探究长期葡萄糖饥饿对酵母细胞寿命的影响，孟加拉国达卡大学研究人员开展相关研究，发现葡萄糖限制可延长酵母细胞寿命。这一成果为衰老、癌症和糖尿病研究提供新思路，推荐科研读者阅读12。
在生命科学的微观世界里，酵母（Saccharomyces cerevisiae）虽小，却蕴含着巨大的研究价值。它就像一把神奇的钥匙，为我们打开了探索细胞奥秘的大门。酵母的生命周期和细胞结构与高等真核生物有着诸多相似之处，而且在实验室里，它易于培养和操作，这使得它成为了遗传研究的理想模型生物。
随着研究的深入，科学家们发现，营养条件对细胞的生命活动有着至关重要的影响。其中，卡路里限制（Calorie Restriction，CR）在许多生物的寿命延长方面展现出了奇妙的效果。在酵母的世界里，当把培养基中的葡萄糖浓度从 2% 降低到 0.5% 时，就相当于给酵母实施了卡路里限制。细胞的新陈代谢与葡萄糖密切相关，葡萄糖的变化会影响细胞的生长速度、新陈代谢的节奏以及细胞内一些副产物（如活性氧物种）的产生。这些变化又和细胞的衰老有着千丝万缕的联系。
然而，在这个看似清晰的研究脉络中，却存在着许多待解之谜。长期的葡萄糖饥饿对酵母细胞的寿命到底有怎样的影响？它是通过怎样的机制来发挥作用的呢？为了揭开这些神秘的面纱，来自孟加拉国达卡大学动物学系遗传学和分子生物学分支等单位的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在了《Heliyon》期刊上，论文题目是《Yeast cells experience chronological life span extension under prolonged glucose starvation》。通过一系列严谨的实验，他们发现长期的葡萄糖限制能够显著延长酵母细胞的寿命，这一发现为衰老、癌症和糖尿病等领域的研究提供了新的思路和方向。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。在评估酵母细胞的寿命方面，他们采用了酵母细胞寿命分析实验，通过在标准和葡萄糖限制的培养基中培养酵母细胞，观察它们在静止期的寿命变化。在研究细胞的生长和增殖状态时，利用分光光度计测量细胞培养物的光密度（Optical Density，OD），以此来判断细胞的生长情况。对于细胞的自噬（一种细胞内的 “清理” 过程，能将细胞内的一些物质运输到溶酶体进行降解）和凋亡（一种程序性细胞死亡）情况，研究人员借助光学显微镜进行观察和分析。此外，为了研究线粒体 DNA（mtDNA）的相关特性，使用了荧光显微镜结合 DAPI 染色技术，还通过红霉素实验来测定 mtDNA 的自发突变率。
下面我们一起来看看研究人员通过这些方法都得到了哪些有趣的结果吧。
葡萄糖限制增强酵母细胞的寿命
研究人员进行了酵母细胞寿命分析实验，他们把 BY4743 菌株分别放在标准和葡萄糖限制的培养基中培养。经过 30 天的培养，惊喜地发现，在葡萄糖限制培养基中生长的酵母细胞，寿命明显延长（P<0.05）。在标准培养基中，第 2 天有 882 个菌落形成单位（Colony Forming Unit，CFU），到第 30 天，CFU 数量下降到 468，细胞存活率为 42.40%；而在葡萄糖限制培养基中，开始时有 813 个菌落，第 30 天还剩下 484 个，存活率达到了 55.239%。这表明降低培养基中葡萄糖的浓度，对酵母细胞来说就像是找到了 “长寿秘诀”，让它们能够活得更久。这一结果和之前的一些研究相呼应，之前有研究发现，卡路里限制可以通过调节细胞周期、维持细胞的静止状态等方式，延长酵母的寿命。线粒体在细胞的代谢过程、能量生产等方面起着关键作用，在衰老研究中备受关注。而且，真核细胞在通过卡路里限制诱导适应性自噬时，也有可能延长寿命。所以，研究人员推测，葡萄糖限制或许就是通过影响这些过程，来延长酵母细胞寿命的。
葡萄糖限制导致增殖速率较慢
为了了解葡萄糖限制对酵母细胞生长和增殖的影响，研究人员在标准和葡萄糖限制的液体培养基中培养酵母细胞，并通过测量 600nm 处的光密度来监测细胞的生长情况。结果发现，与标准培养基相比，在葡萄糖限制培养基中的酵母细胞，从一开始增殖速度就比较慢。OD 值在 0.586 到 1.621 之间波动。这就好比在一场比赛中，在葡萄糖限制培养基中的酵母细胞 “起跑” 就慢了一些，而且后续的 “奔跑” 速度也不如在标准培养基中的细胞。之前有研究指出，在富含葡萄糖的培养基中，酵母细胞在对数期发酵生长时增殖速度极快，但当葡萄糖耗尽，增殖速度就会大幅下降，细胞会进入一个平台期，随后是一个缓慢的氧化生长阶段。当葡萄糖不足时，细胞会暂时停止生长，调整代谢方式，从发酵代谢转变为呼吸代谢，之后再逐渐利用培养基中积累的乙醇生长。当乙醇含量也降低时，细胞就会停止分裂，进入静止期。在这个研究中，葡萄糖限制培养基中的酵母细胞增殖较慢，很可能就是因为它们经历了这样一系列的代谢调整。
长期葡萄糖饥饿引发显著的自噬体形成
自噬是酵母细胞在营养条件发生显著变化时启动的一个重要过程。研究人员为了探究长期葡萄糖饥饿对自噬的影响，将酵母细胞在标准和葡萄糖限制的培养基中分别培养 2 天和 25 天，然后在 100 倍光学显微镜下观察含有自噬泡的细胞。研究发现，在限制卡路里的情况下，也就是葡萄糖限制培养基中，含有自噬体的细胞数量比在标准培养基中要多。而且，培养 25 天的葡萄糖限制培养基中的细胞，形成的自噬泡数量更多。这就好像细胞在葡萄糖不足的情况下，开启了一场 “内部大扫除”，通过形成更多的自噬体来清理细胞内的物质。之前有研究表明，在营养丰富的环境中，Gcn5 会使 Atg8 乙酰化，从而抑制自噬；但在卡路里限制时，TOR 失活会促进 Gcn5 降解，降低 Atg8 的乙酰化水平，进而启动自噬过程。这个研究结果与之前的理论相符合，进一步证实了葡萄糖限制对自噬的促进作用。不过，自噬和细胞死亡之间的关系还比较复杂，虽然这个研究发现长期葡萄糖限制的细胞在第 25 天凋亡细胞较少，但自噬和不同类型细胞死亡之间的因果关系还存在很多不确定性，还需要进一步深入研究。
在葡萄糖限制培养基中生长的酵母细胞促进凋亡延迟
随着酵母细胞的衰老，它们会出现一系列变化，比如积累氧自由基、激活 caspase 以及出现凋亡迹象。研究人员通过吉姆萨染色实验来检测细胞凋亡的发生情况。他们发现，在两种培养基中，培养 2 天的酵母细胞核呈现粉红色，而培养 25 天的细胞核则呈现深紫色。根据相关研究，吉姆萨染色可以根据 DNA 的状态区分活细胞和凋亡细胞，凋亡细胞的核通常呈现紫色，而活细胞的核染成粉红色。这表明如果细胞在同一培养基中长时间培养而不补充营养，就会有一些细胞死亡，其余细胞也会出现凋亡核，即发生凋亡。为了更准确地衡量细胞死亡率，研究人员还通过计算 CFU 来进行分析。结果发现，在第 7 天和第 30 天，在葡萄糖限制培养基中生长的 BY4743 菌株细胞死亡率分别为 25.83% 和 44.72%，而在标准培养基中，第 7 天死亡率仅为 9.86%，但到第 30 天却急剧上升到 57.60%。这说明在标准培养基中的细胞在第 30 天死亡情况更严重，而葡萄糖限制培养基中的细胞凋亡速率较低，这也进一步支持了之前关于葡萄糖限制能延长酵母细胞寿命的结论。之前有研究指出，卡路里限制可以通过延迟凋亡细胞死亡来延长寿命，因为早期因饥饿死亡的细胞会增加剩余细胞存活和增殖的机会，而且在这种情况下，较高的 ROS 形成会增加体细胞突变的可能性，从而产生能够适应不断变化环境的遗传变异。
葡萄糖饥饿提高 mtDNA 丰度
研究人员利用 DAPI 染色技术和荧光显微镜来研究 mtDNA 的丰度和分布情况。他们发现，培养 25 天的细胞比培养 2 天的细胞含有更多的线粒体。而且，在葡萄糖限制培养基中培养 25 天的细胞，其线粒体数量最多。通过 ImageJ 软件分析得到的平均 CTCF 值也显示，葡萄糖限制培养基中培养 25 天的细胞荧光水平更高，这一差异具有统计学意义（P<0.05）。这表明葡萄糖限制能够促进线粒体的生成和分布。为了探究线粒体丰度增加的原因，研究人员假设 mtDNA 突变率和丰度之间可能存在关系，并进行了红霉素实验。结果发现，在标准 YPG 培养基中，酵母细胞的 mtDNA 突变率为 3.25615×10??，而在葡萄糖限制培养基中，突变率降低到 1.1327×10??，约为对照组的三分之一（P<0.05）。这说明卡路里限制与线粒体基因组突变有关，较低的 mtDNA 突变率可能是葡萄糖限制条件下线粒体丰度和分布增加的一个潜在原因。之前有研究在小鼠和大鼠中也发现，卡路里限制可以增加线粒体的数量，降低线粒体 ROS 的产生，有助于维持 mtDNA 的完整性，这与本研究的结果相互印证。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：葡萄糖限制条件可以正向调节酵母细胞的寿命。他们推测，葡萄糖减少对酵母细胞的生长增殖、凋亡、自噬以及 mtDNA 含量的综合影响，共同促进了酵母细胞寿命的延长。不过，在这项研究中，并没有对卡路里限制条件下与这些细胞过程相关的各种基因表达进行研究，这还需要进一步的探索。如果后续研究能够对这些方面进行深入验证，那么这项研究成果有可能为人类疾病的治疗策略开发提供新的方向。比如在衰老相关疾病、癌症和糖尿病等领域，或许可以从调节细胞的营养条件入手，找到新的治疗思路。这一研究就像一颗投入科研湖泊的小石子，虽然目前激起的涟漪有限，但未来有可能引发更大的研究浪潮，为生命科学领域带来更多的惊喜和突破。
