肥胖如何随年龄变化
近日，普林斯顿大学的Joshua D. Rabinowitz团队在Cell Metabolism杂志上发文，揭示了老龄小鼠呈现广泛代谢变化但主要代谢流得以维持。
作者系统性地分析了广泛使用的C57BL/6J小鼠，利用代谢组学和稳定同位素示踪技术研究与年龄相关的代谢变化。
结果
1.C57BL/6J小鼠循环代谢物水平随衰老发生广泛改变
作者对成熟年轻（3-6个月）与老年（21个月以上）小鼠进行了血液采样。通过液相色谱-高分辨率质谱法（LC-MS）对样本中170多种血清代谢物浓度进行了稳定定量。通过拟合线性模型评估了年龄及年龄×性别交互作用对这些代谢物丰度的影响。经错误发现率（FDR）校正后，约30%的代谢物呈现显著的年龄主效应，5%呈现年龄×性别交互效应。血糖仪检测结果证实衰老过程中血糖降低，酮体试纸显示酮体水平下降，这与LC-MS检测到的3-羟基丁酸和乙酰乙酸水平降低结果一致。循环甘油三酯浓度亦有所下降，但血清游离脂肪酸总量未随年龄发生显著变化，这与血清中两种最丰富的脂肪酸（棕榈酸与油酸）未随年龄改变的结果相符。与葡萄糖等循环代谢物水平受抑制形成对比的是，老年小鼠瘦素和胰岛素水平升高。一种可能的解释是：老年小鼠胰岛素分泌增加导致葡萄糖及其他循环代谢物水平降低。
2.老年小鼠的核心循环代谢通量基本保持不变
代谢物进出循环的通量反映了其全身生产情况，可通过输注稳定同位素标记形式的代谢物，并测量内源性代谢对输注示踪剂的稀释程度来测定。为探究核心代谢活动如何随衰老变化，作者将涵盖中心代谢的标记代谢物输注至植入导管、自由活动的年轻（3-6个月）与老年（21个月以上）野生型C57BL/6J小鼠体内。研究的示踪剂包括最高通量的循环碳载体：葡萄糖、乳酸、乙酸和甘油；以及其他主要循环代谢物，如棕榈酸、3-羟基丁酸、大多数氨基酸和牛磺酸。通量测量基于对所有小鼠以相同速率输注示踪剂（不计体重），并以每只小鼠为单位报告。值得注意的是，尽管葡萄糖、3-羟基丁酸、乳酸、丝氨酸及多种必需氨基酸的浓度在衰老过程中发生显著改变，但在整只小鼠水平上，这些代谢物的通量均未显示变化。实际上，在所有测量的核心通量（定义为大于100 nmol/分钟/只小鼠的循环通量）中，仅谷氨酰胺表现出显著变化，且这种变化随年龄逐步发生但幅度不大（在2岁龄时增加约30%）。
3.中心代谢通量在肥胖状态下的改变远甚于衰老
衰老的若干代谢特征与肥胖相似，例如体重增加和胰岛素抵抗。作者测量了年轻肥胖（ob/ob）小鼠（3-5个月，与年轻WT小鼠年龄匹配）的代谢物水平和循环通量（F_circ）。ob/ob小鼠缺乏瘦素导致极度摄食过量，引发肥胖及寿命缩短，因此无法分析其老年期代谢状况。如预期所示，ob/ob小鼠的葡萄糖和甘油水平升高，而老年小鼠则表现为葡萄糖下降且甘油无显著变化。与既往肥胖循环通量文献一致，年轻ob/ob小鼠的葡萄糖、乳酸和甘油通量较野生型小鼠高出50%-85%。ob/ob小鼠中亮氨酸和赖氨酸的通量亦增加，而缬氨酸和蛋氨酸则降低。其他在肥胖研究中较少关注的通量（如乙酸盐、酮体及其他氨基酸）在WT与ob/ob小鼠间无显著差异。这包括在衰老过程中升高但肥胖中无变化的谷氨酰胺通量。然而，作者确实观察到肥胖状态下牛磺酸通量显著增加，而衰老过程中则无此变化。
由此可见，衰老与肥胖引发不同的通量改变：肥胖改变了多种关键循环碳载体的通量，而衰老则选择性改变谷氨酰胺的循环通量。
上述分析表明，核心代谢物的循环通量在衰老过程中保持良好。具体而言，核心代谢通量在衰老中的变化程度小于肥胖。更重要的是，核心代谢通量的变化幅度小于相同代谢物的浓度变化。为量化评估，作者比较了衰老过程中通量对数倍比变化的绝对值与对应代谢物浓度对数倍比变化。通量在衰老过程中的保持程度显著优于浓度。对肥胖的相同分析显示浓度与通量变化程度无差异。进一步比较衰老（老年:年轻）与肥胖（ob/ob:WT）浓度对数倍比变化的绝对值，发现二者变化程度相近。最后通过通量分析发现，肥胖导致的通量变化显著大于衰老。
因此，核心代谢物的循环通量在衰老过程中保持良好，反映出代谢活动对年龄的根本稳健性。
4.中心代谢通量在肥胖中的变化比在衰老中更为显著
衰老的若干代谢特征，如体重增加和胰岛素抵抗，让人联想到肥胖。此外，肥胖是衰老过程中的一个重要合并症。考虑到衰老过程中通量变化有限，作者想知道肥胖是否会表现出类似的代谢通量保守性。
为探究此问题，作者测量了年轻肥胖（ob/ob）小鼠（3-5个月大，与年轻野生型小鼠年龄匹配）的代谢物水平和循环通量（F_circ）。ob/ob小鼠缺乏瘦素，因此严重过度进食，导致肥胖和寿命缩短，因此无法分析其老年期的代谢状况。正如预期，ob/ob小鼠的葡萄糖和甘油水平升高，而在衰老小鼠中葡萄糖下降且甘油不受影响。与先前关于肥胖中循环通量的文献一致，年轻ob/ob小鼠的葡萄糖、乳酸和甘油通量比年轻野生型小鼠高50%–85%。在 ob/ob小鼠中，氨基酸亮氨酸和赖氨酸的通量也增加了，而缬氨酸和蛋氨酸的通量则降低了。其他在肥胖中不常被研究的通量，如乙酸盐、酮体和其他氨基酸，在野生型和 ob/ob小鼠之间没有显著差异。这包括谷氨酰胺的通量，它在衰老过程中增加，但在肥胖中没有变化。然而，作者确实观察到在肥胖中牛磺酸通量显著增加，尽管在衰老中没有变化。因此，衰老和肥胖引起不同的通量变化：肥胖改变了几个最重要的循环碳载体的通量，而衰老则选择性地改变了谷氨酰胺的循环通量。上述分析表明，核心代谢物的循环通量随年龄增长而保持良好。具体来说，核心代谢通量在衰老过程中的变化小于在肥胖中的变化。此外，核心代谢通量的变化小于相同代谢物浓度的变化。为了定量评估这一点，作者比较了衰老过程中通量的对数倍比变化的绝对值与这些代谢物浓度的对数倍比变化。在衰老过程中，通量的保持程度显著优于浓度。对肥胖进行的相同分析显示，浓度变化与通量变化的程度没有差异。随后，作者比较了衰老（老年:年轻）和肥胖（ob/ob:野生型）之间浓度对数倍比变化的绝对值，发现衰老和肥胖的变化程度相似。
5.老年小鼠的谷氨酰胺通量升高
鉴于其在老年小鼠体内循环通量的独特增加，作者选择进一步研究谷氨酰胺代谢。循环中的谷氨酰胺是碳和氮的重要载体。其碳骨架以α-酮戊二酸的形式进入三羧酸循环，而其氮则用于驱动核苷酸合成和尿素循环。谷氨酰胺来源于宿主和膳食蛋白质的分解，以及通过谷氨酰胺合成酶的内源性生产，其中骨骼肌是主要的谷氨酰胺输出器官。为了解谷氨酰胺在年轻与老年小鼠体内的去向，作者使用双标记[U-¹³C, ¹⁵N]谷氨酰胺进行了额外输注实验。这些实验证实，在禁食和再喂食两种状态下，衰老过程中谷氨酰胺的 Fcirc 均升高。使用双标记示踪剂使作者能够追踪谷氨酰胺碳原子和氮原子的下游去向。作者发现进入循环α-酮戊二酸和柠檬酸的 ¹³C 标记略有增加，但葡萄糖或乳酸中没有此现象，这表明与年龄相关的谷氨酰胺循环通量增加与其通过三羧酸循环的分解代谢增加有关，而非通过苹果酸酶或糖异生途径被利用。
在衰老过程中，谷氨酰胺作为氮供体和三羧酸循环底物的利用均有所增加。
6.老年小鼠体内赖氨酸分解代谢为哌啶酸的过程增加
尽管许多氨基酸水平发生变化，但衰老过程中氨基酸通量保持得如此完好。由于这是循环氨基酸的主要空腹来源，当全身蛋白质分解代谢通量不变时，必需氨基酸的通量也就得以保持。然而，这些氨基酸被利用的"迫切程度"可能发生变化，从而影响其浓度或其潜在的下游去向。在血清代谢组学数据中，作者未见赖氨酸浓度有与年龄相关的变化，但作者注意到氨基己二酸水平下降，而哌啶酸水平上升，这两者均通过不同途径源自赖氨酸。氨基己二酸通过saccharopine途径生成，而哌啶酸则通过哌啶酸途径产生。鉴于它们血清丰度的变化，作者想知道赖氨酸分解代谢是否存在相关的转变。虽然老年小鼠的赖氨酸循环通量未发生改变，但作者发现老年小鼠体内来自赖氨酸的循环哌啶酸标记增加，同时氨基己二酸标记相应减少。作者进而探究哌啶酸的循环通量是否也相应改变。
因此，老年小鼠表现出赖氨酸分解代谢从 saccharopine 途径向哌啶酸途径的转变，同时循环赖氨酸水平或通量没有变化，但在许多老年组织中出现了赖氨酸耗竭。
7.老年小鼠的循环牛磺酸通量和浓度得以维持
牛磺酸是一种氨基磺酸，常被认为与衰老有关。 C57BL/6J小鼠和人类循环中的牛磺酸水平随年龄增长而下降，并且补充牛磺酸能够延长小鼠和猴子的寿命。作者对核心循环通量的系统分析显示，牛磺酸通量在ob/ob小鼠中增加了一倍以上，但在老年小鼠中没有变化。考虑到衰老过程中牛磺酸通量缺乏变化，作者重新审视了牛磺酸浓度是否随衰老而变化。作者的数据显示血清牛磺酸浓度并未因肥胖（ob/ob）或衰老而呈现任何差异。LC-MS测得的绝对浓度约为450µM，与参考值一致，而ELISA测得的浓度则低了超过两个数量级（低于1 µM）。牛磺酸水平在衰老过程中于多个组织内发生显著变化，在肝脏、肺和胰腺中增加，在眼睛、股四头肌和皮肤中减少，但减少的程度很小（低于10%）。由于牛磺酸本身得以维持，作者检测了是否有一个或多个牛磺酸相关代谢物在衰老过程中耗竭。饱和酰基牛磺酸（例如，N-棕榈酰牛磺酸）在某些组织中略有增加，在其他组织中则下降，而不饱和酰基牛磺酸（例如，N-油酰牛磺酸）在血清和组织中几乎普遍增加。在检测到的所有组织中（血清水平未检测到），亚牛磺酸的浓度均有所下降。
因此，在衰老过程中，亚牛磺酸水平下降，而牛磺酸代谢的大多数其他方面则得以维持或增加。
8.衰老诱导的代谢变化程度因组织而异
受牛磺酸和赖氨酸等代谢物在衰老过程中组织浓度发生变化（而其循环浓度未变）的启发，作者更广泛地分析了衰老组织的代谢组，总共覆盖了15种组织中超过400种小分子代谢物。在此背景下，有许多代谢物在所有组织中表现出一致性的变化。其他变化则仅存在于单一组织或一小部分组织中。
总体而言，大脑和肠道代谢组在衰老过程中高度保守，而眼睛、肾脏和皮肤代谢组的改变更为显著。在肌肉组织中，不易发生年龄相关性肌肉减少症的心脏、比目鱼肌和膈肌，其代谢变化程度远小于易发生肌肉减少症的股四头肌。鉴于在不同组织中观察到的代谢变异范围，作者想知道组织代谢组的变化在多大程度上反映了血清中发生的变化。为此，作者比较了血清与各组织中代谢组变化的幅度。作者发现血清中代谢物水平的变化通常大于组织中的变化，这表明组织代谢稳态机制在衰老过程中基本得以维持。
9.部分代谢物在大多数组织中发生广泛改变
作者接下来评估了每种代谢物在多少种组织中的水平会随年龄发生显著变化。作者将得到的分布直方图与一个二项分布进行了比较，该二项分布反映了假如代谢物水平改变是随机分布于不同化合物和组织中的预期分布；分析聚焦于在15个组织中至少有8个组织、且在两性中均被检测到的代谢物。实验观察到的分布强烈偏向二项分布的两端。作者重点关注了衰老敏感型代谢物，这些代谢物的丰度在至少7/15的受检组织中表现出显著的、方向一致（即均增加或均减少）的年龄相关性变化。
作者鉴定出19种代谢物涉及多种代谢途径，包括多不饱和脂肪酸、氨基酸、酰基甘氨酸和酰基牛磺酸。它们还进一步包括多个参与一碳代谢的氨基酸：丝氨酸、甘氨酸、苏氨酸和蛋氨酸，这些氨基酸的水平在衰老过程中均有所下降。
10.在核心代谢之外，代谢物水平的变化与通量变化相一致
上述分析鉴定出了一组对衰老敏感的代谢物，它们在各个组织中表现出强烈的全局一致性。这些代谢物包括4-羟基脯氨酸（源自修饰蛋白质残基，尤其是胶原蛋白的分解）、1,5-脱水葡萄糖醇、己酰甘氨酸和肉豆蔻酰肉碱（C14:0 酰基肉碱）。对于核心代谢物而言，浓度变化很少反映其潜在的通量变化。然而，对于赖氨酸分解代谢物哌啶酸来说，其水平升高反映了通量的增加。为了评估羟基脯氨酸、脱水葡萄糖醇、己酰甘氨酸和肉豆蔻酰肉碱是否也遵循同样的规律，作者获取了这些化合物的同位素标记形式，并将其输注至植入导管的年轻和老年小鼠体内直至达到稳态，以测量它们的循环通量。所有这些表现出全组织范围代谢物浓度变化的化合物，其通量也显示出相同方向的变化（脱水葡萄糖醇增加，其他则减少）。与核心代谢物的通量比其血清和组织浓度更为保守的情况相反，作者发现这些外围代谢物的通量变化幅度大于其平均丰度变化。