热量限制——近年来流行于减肥人士、健康达人之间，即通过禁食等方式让机体“保持饥饿感”、限制卡路里摄入。这与中医传统养生方式——“辟谷”，不谋而合。《山海经》载有“食气”之民，后有“食气者神明而寿”的传说，《庄子·逍遥游》亦载有：“不食五谷，吸风饮露”。这种不吃食物只喝水，在一定时间内断食的方法，可以清除体内垃圾，促进新陈代谢，排出毒素，改善人的体质，治疗疾病。在多种模式生物身上已被证明具有减轻体重、控制血糖、延缓衰老、延长寿命的效果。
那辟谷究竟是如何达到养生效果的呢？研究发现这与5 ' -腺苷单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）密切相关。
AMPK是代谢稳态的关键控制者，可以感知细胞葡萄糖水平和能量状态，以分层时空方式调节。即在饥饿、卡路里限制等生理状况下，糖酵解酶醛缩酶不与果糖-1,6-二磷酸(FBP)结合，而是发出信号激活溶酶体AMPK。AMPK被激活，直接磷酸化多个靶点来抑制合成代谢和刺激分解代谢，从而减少ATP的消耗并刺激ATP的产生以维持能量稳态。除此之外，AMPK在增加糖酵解、促进自噬、促进氧化磷酸化和最大化ATP生产效率中发挥关键作用。AMPK的多效性表明其在延缓衰老、长寿、治疗代谢性疾病方面起到重要作用。
厦门大学的林圣彩院士团队与邓贤明团队合作，在5000种化合物中筛选醛缩酶抑制剂，发现了Aldometanib，中文译名辟谷精。这一化合物可以阻止FBP与v-ATP酶相关的醛缩酶结合，模拟葡萄糖饥饿的细胞状态，并通过与葡萄糖饥饿相关的溶酶体AMPK激活途径发挥生理作用，可能具有治疗人类代谢紊乱的潜力。相关研究成果发表在Nature子刊——《Nature Metabolism》（中科院1区，IF=20.8），题为“The aldolase inhibitor Aldometanib mimics glucose starvation to activate lysosomal AMPK.”。
首先，为了筛选具有醛缩酶抑制活性的化合物，建立了一种以醛缩酶为靶标的药物筛选策略——无细胞酶测定系统。以醛缩酶的酶活性作为读数，并通过FBP转化为磷酸三糖过程中产生的NADH在340 nm处的吸光度变化来监测（图1）。基于上述方法，从化合物库（5000种）中筛选出一种1,3-二取代咪唑衍生物作为初步目标，满足抑制醛缩酶至少50%活性的标准。经过结构优化，最终得到具有最佳的抑制活性的Aldometanib（图2 a），其半最大抑制浓度(IC50)值约为50 μM（图2 b）。
体外实验结果表明，在人胚胎肾细胞（HEK293T）、小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）、小鼠原代肝细胞以及小鼠原代骨骼肌细胞中，Aldometanib富集于溶酶体，推断可能与pH环境有关。当细胞中Aldometanib浓度≥5 μM时即可通过溶酶体途径，仅抑制溶酶体中的醛缩酶，依赖于溶酶体途径及相关因子(TRPVs、v-ATPase、Lkb1 (Stk11)、Axin (Axin1)或Lamtor1)特异性激活溶酶体AMP（图2-3）。接下来在C57BL/6小鼠和ZDF大鼠两种啮齿动物模型中测定了Aldometanib对AMPK激活的影响。而体内实验表明Aldometanib给药剂量为每公斤体重2mg，主要富集于啮齿类动物的肝脏、骨骼肌、脂肪组织、心脏和肾脏中。此外，在肝脏或肌肉敲除Lamtor1的小鼠中，Aldometanib对AMPK的激活在各自的组织中被取消（图2）。
图4 Aldometanib产生葡萄糖假饥饿以激活溶酶体AMPK
Aldometanib处理的细胞中糖酵解略有增强，细胞能量状态稳定，可以模拟模拟葡萄糖饥饿的细胞状态。质谱数据和分子对接结果推测出Aldometanib作用于AMPK的机制：通过与存在于醛缩酶活性中心的与FBP结合的关键残基Lys230结合直接占据醛缩酶的活性中心，从而阻断FBP。结合前面Aldometanib在溶酶体中富集并激活AMPK的结果，总结来说，在饥饿和卡路里限制期间，Aldometanib通过内在细胞信号传导特异性激活AMPK的溶酶体库，感知葡萄糖生理下降的途径：高糖条件下，糖酵解中间体FBP通过关键残基K230占据醛缩酶；低糖条件下，醛缩酶变得无占用，并抑制阳离子通道TRPV，后者随后破坏前者与v- atp酶的结合，并抑制v- atp酶。Aldometanib结合醛缩酶K230阻止FBP的结合，模拟低糖状态。抑制的v-ATPase及其相关调节因子为AXIN/LKB1提供对接位点，导致溶酶体上AMPK的激活（图4）。
接下来研究团队在小鼠和线虫等模型上验证了Aldometanib的疗效：
图5 Aldometanib降低正常小鼠(野生型和肌肉特异性 Ampkα敲除(α-MKO)小鼠)和肥胖小鼠的血糖
结果显示，无论饮食正常、血糖正常的小鼠，还是高脂饮食的肥胖小鼠，短期服用Aldometanib具有降糖效果，能够直接促进葡萄糖吸收从而显著降低空腹血糖、提高胰岛素改善葡萄糖耐量，而不会刺激胰岛素分泌（图5）。事实上，Aldometanib治疗后，肌肉组织中TBC1D1的磷酸化被促进(图3d和扩展数据图5d)，肌肉对2-脱氧-d-葡萄糖(2-DG)的摄取也显著增强。小鼠肌肉特异性敲除AMPK (AMPKα1和AMPKα2)可消除Aldometanib的降血糖作用，显示肌肉AMPK在降低血糖中的突出作用。
②Aldometanib减轻脂肪肝和非酒精性脂肪性肝炎
接下来，研究者确定了Aldometanib在缓解脂肪肝方面的作用。每天两次Aldometanib，可显著降低db/db小鼠、hfd诱导的肥胖小鼠和hfd诱导的肥胖大鼠的肝脏甘油三酯水平，抑制脂肪生成率。给药1个月后肥胖小鼠的体重、脂肪量和体脂率显著减少（图6）。对于肥胖小鼠来说，Aldometanib能够降低食物摄入量、促进腹股沟白色脂肪褐变、增加每日平均能量消耗、减少肠道脂肪吸收。
图5 Aldometanib减轻非酒精性脂肪性肝炎
非酒精性脂肪性肝炎(NASH)是一种进行性脂肪肝，可发展为肝损伤，并可导致肝硬化和肝细胞癌。研究者发现每天两次Aldometanib给药1个月可以显著缓解肝纤维化，显著抑制NASH小鼠中肝细胞凋亡率，肝纤维化水平和肝脏炎症反应和巨噬细胞的浸润。除此之外，Aldometanib显著降低NASH小鼠血清丙氨酸转氨酶(ALT)和碱性磷酸酶(ALP)活性，减缓肝损伤。肝脏特异性敲除AMPK损害了Aldometanib减轻小鼠糖耐量和NASH的所有作用。因此肝脏AMPK是Aldometanib缓解脂肪肝的作用所必需的（图7）。
最后，本研究发现Aldometanib能够延长线虫和小鼠的寿命，这与AMPK的激活和TORC1的抑制有关（图8）。在秀丽隐杆线虫模型，Aldometanib（10 μM）可以激活AMPK，而不会升高AMP水平，平均寿命从18岁显著延长至26天。除此之外Aldometanib处理后线虫咽泵率、氧化应激抗性和产卵量(繁殖能力)显著增强，野生型线虫的NAD+水平提高，线粒体与核DNA的比例(mtDNA:nDNA)、17个线粒体基因的基因表达和线粒体呼吸速率显著增加。敲除AMPKα2、AXIN或LAMTOR2的线虫同源基因aak-2、axl-1或lmtr-2，都消除了Aldometanib对延长寿命的影响。结果表明Aldometanib延长线虫寿命，增强线粒体功能依赖于AMPK。
为全面评价Aldometanib延长寿命的作用，研究者又验证其对小鼠寿命的影响。进一步研究发现在Aldometanib处理后的老年(1岁)小鼠中（100 μg ml−1），骨骼肌AMPK被激活，而AMP水平没有升高，寿命显著增加(雄性小鼠7.4%，雌性小鼠7.7%)，跑步距离、持续时间和握力也显著增加。长期服用无明显副作用无明显的副作用（如心肌肥大）。
本研究发现一种新能够通过模拟饥饿和热量限制（间歇性禁食、辟谷）状态作用于醛缩酶抑制剂——Aldometanib（辟谷精），通过阻止醛缩酶与果糖-1,6-二磷酸结合产生伪饥饿信号来间接激活AMPK，避免了全面激活AMPK带来的潜在副作用。研究团队利用细胞、线虫、小鼠等模型在体内和体外验证其作用机制和功效，证明Aldometanib能发挥降血糖、治疗脂肪肝、延长寿命、减缓衰老的作用。
厦门大学医学与生命科学学院生命科学学院，细胞应激生物学国家重点实验室的张宸崧教授，李梦琪副教授等为该论文的共同第一作者，林圣彩院士与邓贤明教授为该论文的共同通讯作者。
原文地址：https://doi.org/10.1038/s42255-022-00640-7
