Atg2的肌肉特异性表达以及高脂饮食通过ATGL/Sirt1/PGC-1α通路影响老年果蝇骨骼肌的年龄相关性退化

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Muscle-specific expression of Atg2 and high-fat diet influence age-related deterioration of skeletal muscle in aged drosophila via the ATGL/Sirt1/PGC-1α pathway

Atg2基因通过调控ATGL/Sirt1/PGC-1α通路及氧化脂质代谢延缓高脂饮食诱导的果蝇肌肉衰老，过表达Atg2可改善运动能力并降低死亡率，而敲低则加剧损伤。

　　

Jingfeng Wang|Nijia Meng|Dengtai Wen

鲁东大学，中国山东省烟台市264025

摘要

Atg2在调节衰老过程中起着至关重要的作用。自噬和溶酶体修复依赖于Atg2的脂质运输功能。目前尚不清楚肌肉中的Atg2基因如何抵抗高脂饮食（HFD）引起的骨骼肌老化相关损伤的分子机制。在这项研究中，我们通过构建Atg2^UAS/Mhc^Gal4系统，在果蝇中实现了肌肉Atg2基因的过表达和敲低。果蝇接受了为期三周的高脂饮食干预。研究结果表明，高脂饮食显著降低了果蝇的攀爬耐力和速度，下调了肌肉中的Atg2、Atg8a（LC3的哺乳动物同源物，也是自噬的标志物）、ATGL、Sirt1和PGC-1α基因的表达，并增加了MDA和TG的水平。敲低肌肉中的Atg2基因会加重高脂饮食引起的肌肉老化。相反，过表达肌肉中的Atg2基因可以防止高脂饮食引起的肌肉老化。因此，本研究结果表明，肌肉中的Atg2基因通过调控ATGL/Sirt1/PGC-1α通路、氧化平衡和脂质代谢，对骨骼肌抵抗高脂饮食引起的老化相关损伤至关重要。

引言

与年龄相关的肌肉退化伴随着身体残疾、跌倒相关伤害和死亡风险的增加，并且会因肥胖和代谢紊乱而加剧[1]。此外，高脂饮食（HFD）引起的肥胖可能以多种方式改变全身自噬的转录调控。热量过剩可能会减少自噬流量，导致全身出现多种负面效应。无论是由于热量过剩还是消耗，都会扰乱能量平衡，从而影响骨骼肌的自噬[2]。此外，HFD在启动线粒体功能障碍中起核心作用，而线粒体功能障碍的增加会导致肥胖患者的骨骼肌代谢受损[3]。因此，有越来越多的证据表明HFD可能会加速与年龄相关的肌肉衰老，但其机制尚不清楚。

Atg2蛋白在自噬体的形成中起着重要作用。例如，它参与自噬体膜的扩展和闭合，并通过与其他自噬相关蛋白（如Atg9）相互作用来促进自噬体的正常组装[4]。Atg2对于细胞内受损细胞器、错误折叠蛋白质及其他物质的降解和回收至关重要，细胞内环境的稳定以及正常的代谢功能也需要Atg2的参与[5]。某些神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）的发病机制可能与异常的细胞自噬有关。研究Atg2有助于理解这些疾病中的自噬紊乱，并为疾病的诊断和治疗提供新的靶点和思路。Atg2参与的溶酶体修复过程有助于维持细胞的生理平衡，确保细胞的正常生长、发育和存活[6]。Atg2介导的溶酶体修复使细胞能够更好地适应环境变化，并在细胞应对外部环境压力（如营养缺乏、低氧等）时增强细胞的韧性[7]。当溶酶体受损时，Atg2可以通过其脂质运输能力将胆固醇和磷脂酰丝氨酸从内质网运输到受损的溶酶体中，直接修复溶酶体膜并维持其完整性和正常功能[8]。溶酶体功能障碍与多种与年龄相关的疾病（如肌肉减少症和心血管疾病）密切相关。同样，Atg2的两个同源物Atg2a和Atg2b也参与了哺乳动物中的自噬过程[9]。了解Atg2在生物体内的作用机制对于开发这些与年龄相关疾病的新治疗方法非常重要。

Sirt1是一种依赖于NAD⁺的蛋白去乙酰化酶，它可以调节多种靶蛋白，并通过与多种转录因子的结合进行去乙酰化反应，从而促进线粒体的生成和氧化代谢[10, 11]。ATGL（脂肪甘油三酯脂肪酶）是一种在脂肪代谢中起重要作用的酶，它水解甘油三酯，将脂肪分解为脂肪酸和甘油，为身体提供能量来源。ATGL、Sirt1和PGC-1α在代谢调控中密切相关，ATGL可以调节Sirt1的活性并促进脂肪分解。同时，PGC-1α也与Sirt1相互作用，影响ATGL的表达和功能，进而对能量和脂质代谢起重要作用[12]。肌肉衰老和线粒体生成功能障碍密切相关[13]。细胞适应性和抗压能力取决于这两个过程之间的平衡[14]。如果这种平衡被打破，可能会对细胞造成损害，加速老年人的细胞凋亡[15]。然而，目前尚不清楚HFD是否通过影响ATGL/Sirt1/PGC-1α通路来加速与年龄相关的肌肉退化，以及肌肉中的Atg2是否可以通过这一通路对抗高脂饮食引起的肌肉衰老。

因此，作者进行了以下实验以确定Atg2基因和高脂饮食对与年龄相关的肌肉退化的影响。在这项研究中，选择了果蝇作为研究对象，因为它是一种经典的遗传学模型生物。首先，将具有正常肌肉Atg2基因表达的果蝇（Drosophila melanogaster）置于高脂饮食环境中。使用Atg2^UAS/Mhc^Gal4系统构建了肌肉Atg2基因差异表达的果蝇品系，并对其进行了高脂饮食干预。研究旨在探讨肌肉中的Atg2基因在高脂饮食条件下对果蝇肌肉退化的影响及其与ATGL/Sirt1/PGC-1α通路的关系，为针对高脂饮食和衰老引起的生物体功能下降的基因治疗提供理论基础和新见解。

实验部分

果蝇品系

使用的Atg2过表达品系为w1118；P{EP}Atg2EP3697/TM6B，Tb1，来自布卢明顿果蝇资源中心（美国，品系编号：17156）。Atg2敲低品系为P{KK100148} VIE-260B，来自维也纳果蝇资源中心（奥地利，品系编号：V108447）。Mhc^Gal4品系w*；P{Mhc-GAL4.K}2/TM3，Sb1（从布卢明顿果蝇资源中心购买，美国，品系编号：55133）[16, 17]。UAS/Gal4系统是通过杂交构建的。

衰老会损害运动功能和肌肉代谢，同时导致肌肉中的Atg2水平下降

与Pre-Atg2^UAS-OE/Pre-Atg2^UAS-RNAi相比，Atg2^UAS-OE/Atg2^UAS-RNAi组的攀爬耐力和速度显著降低（P<0.01）；（图1-JK；图3-JK）Atg2、Atg8a、ATGL、Sirt1和PGC-1α的表达水平显著下降（P<0.05或P<0.01）；（图1-ABCDE；图3-ABCDE）SOD活性水平显著降低，而MDA和TG水平显著升高（P<0.01）。（图1-FG；图2-B；图3-FG；图4-B）免疫荧光染色结果

讨论

果蝇的骨骼肌纤维在结构组织和代谢特征上与哺乳动物相似[31, 32]。然而，由于缺乏卫星干细胞和有限的肌肉修复能力，它们的肌肉会经历更明显的与年龄相关的退化[33, 34]。在果蝇的短暂寿命（大约60天）内，飞行、攀爬行为和运动功能的能力逐渐减弱[33, 34]。

结论

肌肉特异性过表达Atg2可以减轻高脂饮食引起的慢性肌肉损伤，延缓与年龄相关的骨骼肌退化，并降低死亡率。相反，在高脂饮食条件下特异性敲低Atg2会加剧肌肉组织损伤，加速与年龄相关的功能下降，并增加死亡率。Atg2缺乏与高脂饮食的结合会导致更严重的骨骼肌损伤。这些效应是通过以下途径介导的：

相关数据

所有相关数据均包含在论文及其支持信息文件中。

作者贡献声明

Jingfeng Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，方法学设计，实验实施，数据分析，概念化。Nijia Meng：项目监督，资金获取。Dengtai Wen：资源提供，项目管理，资金获取

附加信息

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

本工作得到了“优秀青年创新团队项目”（2025KYYWF-TD06）、“黑龙江省自然科学基金”（LH2023G005）以及黑龙江省基础研究运行基金（2023KYYWF-TD06）的支持。