《Biochimie》：The
Drosophila aryl hydrocarbon receptor ortholog,
spineless, modulates survival and reproduction
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本研究聚焦芳香烃受体（AhR）在衰老中的复杂作用，以果蝇AhR同源基因spineless（ss）为模型，探索其在寿命、应激抵抗及繁殖中的调控机制。研究人员通过构建ss低表达突变体，结合寿命分析、应激测试及繁殖力评估，发现ss缺失导致果蝇寿命缩短但早期死亡率降低，并对色氨酸代谢物（如色胺）的负面效应产生抵抗。结果表明，ss与哺乳动物AhR功能保守，介导了衰老过程中的“权衡”效应，为理解AhR在衰老及相关疾病中的角色提供了新线索。
衰老是一个涉及多种细胞机制和代谢通路的复杂生物过程。随着个体年龄增长，正常生理功能逐渐衰退，导致与年龄相关疾病的风险增加。尽管科学界已开始揭示衰老背后的机制并探索延缓衰老、延长健康寿命的干预措施，但许多与衰老相关的通路与芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）信号通路存在交互。AhR是一种在哺乳动物中高度保守的转录因子，在其他门类（如线虫和节肢动物）中也存在同源物。它既能被外源性异物激活，也能被内源性代谢物（尤其是色氨酸分解产物）激活，进而影响细胞色素基因表达和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）产生，可能导致过度氧化应激、DNA损伤和细胞死亡，对健康和寿命产生负面影响。
然而，关于AhR在衰老中的作用，目前研究结论并不一致。在线虫中，AhR同源基因ahr-1的突变有的显示能改善健康寿命和寿命，有的却导致寿命缩短；小鼠中AhR缺失个体会出现寿命显著缩短和繁殖缺陷；人类研究中则发现AhR表达在年轻个体和百岁老人中较高。这些矛盾结果提示AhR在衰老过程中可能扮演着复杂且具有组织特异性的角色，甚至表现出“拮抗性多效性”（antagonistic pleiotropy）——即早期有益、晚期有害的特性。为了更深入理解AhR在衰老中的作用，并厘清其在进化上的保守功能，研究人员将目光投向了模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）。果蝇基因组中含有一个AhR的同源基因，称为spineless（ss）。与哺乳动物AhR不同，ss的活性不依赖于配体，且不能结合某些外源配体（如二噁英），但其PAS-B结构域与哺乳动物同源物有约50%的相似性，提示它们在功能上可能存在保守性。近年来有研究提示，色氨酸衍生物（如吲哚-3-丙酸，IPA）可能通过ss延长果蝇寿命，但具体机制不明。因此，本研究旨在系统探讨ss对果蝇寿命、健康状态及繁殖力的影响，并检验其与色氨酸代谢途径的相互作用，以阐明AhR/ss在衰老表型中的进化保守角色。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用果蝇遗传学工具，使用了一个spineless（ss）基因的低表达突变体品系（w1118; PBac{WH}ssf07846），并通过qRT-PCR验证了其ss表达量降低超过50%。其次，通过大规模寿命实验（longevity assay）系统评估了不同基因型果蝇的生存曲线。第三，采用氧化应激（使用含过氧化氢食物）和饥饿应激实验，定量分析了果蝇在不同年龄段的应激抵抗能力。第四，通过繁殖力实验（fecundity assay）测量了后代数量和发育时间。此外，还利用攀爬实验（climbing assay）评估了神经肌肉功能，并通过体重测定和基因表达分析（检测vermillion、Cyp6g1等基因）探讨了潜在机制。所有统计分析均使用GraphPad Prism或R语言完成，生存数据分析采用了Cox比例风险模型。
3. 结果
3.1. 正常的ss表达水平是果蝇长寿所必需的，但会增加早期生命死亡率
基因表达分析证实，ss突变体果蝇的ss表达量显著降低（雌性p<0.05，雄性p<0.0001）。寿命实验显示，与野生型相比，ss突变体果蝇的寿命更短（雌性p=1.2×10-31，雄性p=1.8×10-6）。然而，通过计算年龄特异性死亡率发现，ss突变体在生命早期（约40天前）死亡率反而更低，生存优势更明显，尤其是在雌性中。
3.2. ss的低表达导致对应激源的抵抗力增强
在氧化应激实验中，10天和30天龄的ss缺失果蝇（无论雌雄）都比野生型更能抵抗氧化应激（10天：p<1.1×10-20；30天：p<3.85×10-4）。但在40天龄时，这种优势发生逆转，ss缺失果蝇的抵抗力反而更差（p<3.0×10-7）。在饥饿应激实验中，年轻（14天）的ss缺失果蝇也表现出更强的抗饥饿能力（雌性p=2.62×10-4，雄性p=0.0423）。有趣的是，在40天龄时，ss缺失雌性仍保持更强的抗饥饿能力（p=0.026），而雄性则显著变差（p=2.37×10-7）。
3.3. ss是高繁殖力和快速发育速度所必需的
繁殖力实验表明，ss缺失果蝇的后代数量显著低于野生型（p=7.12×10-7）。此外，从幼虫孵化、化蛹到成虫羽化的整个发育过程也显著延迟（p<1.7×10-5）。
3.4. ss突变体果蝇的神经肌肉功能似乎受到干扰
攀爬实验显示，在所有测试年龄，雌性ss低表达果蝇的神经肌肉功能都弱于野生型（p<0.043）。雄性ss突变体在45天龄前与野生型攀爬能力相似，但45天时也出现显著下降（p=0.0357）。体重测定发现，ss缺失雌性果蝇比野生型雌性更重（p=5.41×10-5），雄性则无差异。
3.5. ss的低表达与高剂量色氨酸和色胺的负面效应减弱相关
高剂量色氨酸（5 g/L）处理会缩短所有果蝇的寿命（p<1.5×10-22），但在雌性中，基因型与处理存在显著交互作用：色氨酸对野生型的负面影响比对ss突变体更严重（p=2.65×10-9）。高剂量色胺（2.98 g/L）处理也显著缩短寿命（p<1.2×10-39），同样在雌性中，ss突变体受色胺的影响更小（p=1.34×10-8）。基因表达分析发现，ss缺失果蝇中，果蝇色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）同源基因vermillion的表达降低。而此前研究认为受ss激活的细胞色素基因Cyp6g1的表达则未发生改变。
4. 讨论与结论
本研究发现，spineless（ss）基因表达降低的果蝇总体寿命缩短，但早期生命死亡率降低，且在年轻时对应激（氧化和饥饿）的抵抗力增强，但繁殖力下降。这支持了AhR/ss可能是一种具有“拮抗性多效性”的基因，即在生命早期促进生存和应激抵抗，但以牺牲繁殖力和晚期健康为代价。这一模式与在线虫和小鼠中观察到的AhR突变表型有相似之处，体现了该通路在进化上的保守性。
研究还发现，高剂量的色氨酸及其代谢物色胺会缩短果蝇寿命，但ss突变体对这些负面效应的敏感性较低。同时，ss缺失导致vermillion（TDO同源物）表达下调，这提示在果蝇中，ss可能像哺乳动物AhR一样，与色氨酸代谢途径存在交互，但其下游调控的细胞色素基因可能不同。这些结果表明，果蝇是研究AhR在衰老和健康中作用的可行模型，尤其是用于探索其与内源性代谢物的相互作用。
然而，本研究也存在一些局限，例如使用的ss突变体带有mini-white背景，可能影响色氨酸相关基因（与眼色相关）的表达；仅使用了单一高剂量的色氨酸/色胺；攀爬实验可能受ss突变体腿部发育异常的影响。未来研究需要在不同遗传背景下验证结果，并深入探索ss与色氨酸代谢物相互作用的细胞分子机制，以及导致早期获益和晚期损害的机制变化。
总之，本研究揭示了果蝇AhR同源基因spineless在调控寿命、应激抵抗和繁殖力中的关键作用，并初步阐明了其与色氨酸代谢途径的关联。这些发现增进了我们对AhR在衰老过程中复杂且保守功能的理解，为未来靶向AhR通路以干预衰老及相关疾病提供了新的理论基础和实验依据。该研究论文发表在《Biochimie》期刊上。
