MEK抑制剂trametinib靶向抑制Ras/MAPK信号可减轻高糖饮食诱导的TAG积累并延长果蝇寿命且依赖AKH

《iScience》：Pharmacological protection from a sugar-rich diet through inhibition of Ras/MAPK signaling

　　

富含糖饮食的摄入通过过量产生和储存三酰甘油（TAGs）对健康产生不利影响并降低预期寿命，导致代谢功能障碍。在此，研究人员在果蝇（Drosophila）中表明，使用高特异性MEK抑制剂trametinib对Ras/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号进行药理学抑制，可通过减少TAG积累、恢复TAG组成并提高存活率，减轻高糖饮食的若干有害效应。值得注意的是，Ras/MAPK活性是糖摄入升高所诱导转录反应所必需的，包括胰高血糖素样激素Akh的表达。研究人员进一步证明，脂动激素（AKH）对于trametinib在高糖条件下的保护效应至关重要。总之，研究人员的发现支持Ras/MAPK信号是膳食糖与代谢功能障碍之间的重要联系，并表明其药理学抑制可将过量糖摄入与不良代谢后果解偶联。

研究背景与问题：近几十年膳食糖消费急剧增加，添加糖约占全球总热量摄入的8%。高糖饮食与肥胖、糖尿病、某些癌症、心血管疾病及加速衰老相关。过量膳食糖促进从头脂肪生成，增加糖酵解通量，产生大量丙酮酸和随后乙酰辅酶A，作为脂肪酸合成前体；糖响应转录程序驱动脂肪生成基因表达，增加三酰甘油（TAGs）产生和储存，尤其在非脂肪组织导致脂毒性和代谢稳态受损。鉴于人们不愿改变饮食习惯，将膳食糖摄入与TAG储存解偶联的干预可能减轻高糖饮食代谢负担，但需更好理解分子通路。Ras/丝裂原活化蛋白激酶（Ras/MAPK）信号与关键营养感知通路如胰岛素/IGF-1信号（IIS）互作，参与高糖代谢反应；高糖可增强Ras/MAPK激活，通路或下游效应子ERK失调影响脂代谢，但其直接作用不清。果蝇（Drosophila）是研究膳食糖与机体健康相互作用的重要模型，高糖诱导高血糖、胰岛素抵抗、脂积累、心脏功能障碍和生存降低。研究人员因此以果蝇研究药理学抑制Ras/MAPK能否减轻高糖饮食有害效应。

关键技术方法：实验以成年雌性黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）wDah为背景品系；wDah由w¹¹¹⁸回交至1970年采集于Dahomey（今贝宁）的野生型Dahomey，携带Wolbachia pipientis。其他品系包括Actin5C-GeneSwitch（Act-GS）、bmm¹（brummer，启动脂滴脂解的关键脂肪酶之一）、UAS-Acc、UAS-SREBP和Akh^[A]，多来自Bloomington Drosophila Stock Center或致谢，并回交至wDah背景。研究人员将食物蔗糖从5%（w/v，1×）提高至40%（w/v，8×）建立高糖饮食，加入15.6 μM trametinib。关键技术包括寿命分析、Western blot检测磷酸化ERK与总ERK、TAG和糖原生化测定、Nile red脂滴成像、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）脂质组学、RNA测序（RNA-seq）、定量逆转录PCR（RT-qPCR），以及bmm、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、固醇调节元件结合蛋白（SREBP）和Akh遗传操作。

研究结果：
1. Trametinib降低ERK磷酸化并在正常和高糖饮食下延长寿命。Western blot显示trametinib在1×和8×糖条件下均降低磷酸化ERK/总ERK比值。高糖使中位寿命约降低55%；trametinib在两种饮食均增加中位寿命。Cox比例风险分析显示糖浓度和trametinib处理均显著影响生存，无显著交互，表明效应在两种饮食一致。结论：trametinib有效抑制ERK激活并改善正常与高糖条件下生存。

2. Trametinib减弱高糖饮食下增加的TAG储存。高糖对照果蝇全身体糖原和TAGs均升高；trametinib不影响糖原，但特异降低高糖饮食果蝇TAGs，并减少正常和高糖饮食成虫脂肪体脂滴尺寸；摄食率在高糖下降低，但对照组和trametinib组相当，故TAG变化不能由摄食差异解释。遗传操作显示bmm突变、ACC或SREBP过表达不能阻止trametinib延长寿命和降低TAGs，表明其有益代谢效应不依赖经典脂解或脂生成通路。结论：trametinib阻止高糖相关脂质肥大，经替代调节过程起作用。

3. 脂质组学分析揭示trametinib暴露后磷脂和TAG变化。LC-MS/MS从全果蝇鉴定347种脂质，分属5类；TAGs占脂质组>97%，磷脂酰胆碱（PCs）和磷脂酰乙醇胺（PEs）合计约2%。主成分分析（PCA）显示trametinib处理使1×和8×糖饮食脂质组明显分离。总TAGs归一化丰度无总体差异，但单个TAG种变化：高糖增加偶数链脂肪酸（FA）并减少奇数链FA；trametinib在高糖下大多逆转这些FA链长效应，在正常糖下主要减少奇数链FA。结论：trametinib不改变总TAG丰度，而改变TAG中FA链长组成，且依赖饮食糖含量。

4. 转录组分析trametinib暴露后基因表达变化。RNA-seq显示正常糖下trametinib仅引起很少基因差异表达；高糖饮食本身有1,181个基因差异调节，而高糖下trametinib引起2,781个基因差异表达。高糖响应基因与高糖+trametinib中反向调节基因高度显著重叠，得到677个Ras/MAPK依赖性糖响应基因；基因本体（GO）富集显示肌肉结构和收缩功能、膜兴奋性调节及神经肽激素活性等。高糖上调的神经肽基因包括Akh、Mip、Nplp1、Dms、Dh31、itp、sNPF和Pdf，trametinib逆转这些表达。结论：Ras/MAPK激活是高糖诱导大部分转录程序所需，涉及肌肉重塑和神经内分泌信号。

5. AKH有助于trametinib在高糖饮食下的有益效应。RT-qPCR证实Akh mRNA在正常糖下不受trametinib影响，高糖下升高，而trametinib使其恢复到正常糖水平。Akh突变体中，trametinib仍在正常糖下延长寿命，但在高糖下不能延长寿命，也不能降低TAGs；正常糖下Akh功能缺失引起的TAG升高可被trametinib降低。结论：AKH活性是高糖下trametinib降低TAG积累和延长寿命所必需，但对正常糖饮食下trametinib的寿命效应并非必需。

讨论总结：讨论指出，高糖饮食促进代谢疾病，减少其代谢负担有助改善健康结局。研究证明果蝇中trametinib药理学抑制Ras/MAPK可减轻高糖饮食若干有害后果；该通路进化保守，研究人员认为在哺乳动物中抑制Ras/MAPK也可能对高糖饮食提供代谢益处。Ras/MAPK是正常饮食下重要长寿调节因子，trametinib在果蝇和小鼠均延长寿命；本研究显示高糖代谢挑战下也带来生存益处，并伴随TAG储存减少。trametinib在两种饮食均减弱Ras/MAPK活性，表现为ERK磷酸化降低；高糖下全果蝇pERK增加不显著，研究人员认为ERK激活可能空间受限，先前在幼虫脂肪体中观察到高糖诱导pERK升高。研究仅聚焦雌性，因先前发现trametinib寿命效应存在性别二态；雄性在高糖代谢压力下是否同样受保护未知。trametinib高糖下代谢效应特异于脂质，不影响糖原；TAG水平和脂滴尺寸恢复至正常糖水平，脂质组显示TAG组成而非总丰度大幅改变，高糖增加偶数链FA、减少奇数链FA，trametinib逆转这些变化；FA链长和组成重塑可影响脂滴动态、稳定性和动员，以及脂质衍生信号分子。类似变化曾归因于饮食依赖的肠道菌群组成改变：高糖耗竭总肠道共生菌，肠道细菌产生奇数链FA，因此糖依赖的奇数到偶数链转变可能由菌群驱动；trametinib可能通过改变肠道菌群恢复高糖下TAG补体。此前还报道trametinib正常饮食下保护肠道生理，减少上皮异型增生和肿瘤形成。trametinib影响TAG储存和寿命并非经经典脂解或脂生成通路，bmm缺失或ACC、SREBP过表达不能阻止其效应；转录组中ACC或SREBP直接靶基因如FASN、ACS、Men或CG6295无明显变化。正常饮食下trametinib转录变化极少，提示生理效应可能由转录后机制介导；先前果蝇研究显示trametinib损害RNA聚合酶III活性，小鼠中通过不依赖转录的伴侣介导自噬降低脂生成酶活性。高糖下许多糖响应基因被trametinib反向调节，表明Ras/MAPK活性是糖响应转录程序重要部分，Ras/MAPK抑制产生营养状态依赖的细胞反应。高糖下被逆转的基因包括代谢活跃神经肽激素，其中Akh编码果蝇中哺乳动物胰高血糖素功能类似物；AKH在高能量需求时从心侧体释放，主要作用于脂肪体动员储存能量包括TAGs。Akh功能缺失足以阻止trametinib高糖下降低TAG和延长寿命，而正常饮食下trametinib仍延长Akh突变体寿命，说明AKH需求具代谢情境特异性。先前研究显示AKH通过CaMKII依赖途径激活ERK促进过氧化物酶体糖异生；基于此，研究人员提出ERK也可能作为上游调节AKH依赖性系统反应，提示新的双向AKH-ERK信号轴。研究局限性包括：trametinib全身药理抑制不能确定Ras/MAPK在哪些组织贡献高糖代谢效应，未来需组织特异性遗传操作；实验均在成年雌性果蝇进行，雄性或性别特异性未明。

研究结论翻译：总之，研究人员的发现支持Ras/MAPK信号是膳食糖与代谢功能障碍之间的重要联系，并表明其药理学抑制可将过量糖摄入与不良代谢后果解偶联。研究人员的数据强调Ras/MAPK信号与代谢的神经内分泌调节之间的重要相互作用，并提示内分泌信号调节可能是Ras/MAPK抑制重塑对膳食糖过量代谢反应的重要机制。靶向该信号轴可能因此被用于提供一种治疗策略，以减轻与过量糖消费相关的代谢负担。