间歇性禁食逆转非洲青鳉鱼肠道衰老中的基因表达模式与干细胞活性下降

时间：2025年9月24日

来源：Aging Cell

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本综述系统探讨了衰老过程中肠道干细胞（ISC）活性下降的机制，并揭示间歇性禁食（IF）通过维持外周生物钟基因（如per1、per3）、干细胞生态位标志物（如acat2）及营养吸收相关基因（如apoa1、ctsl1）的成年期表达水平，显著改善年龄相关的肠道功能衰退。研究结合形态学测量、组织学和转录组学方法，证实IF可逆转衰老导致的ISC周期延长（从54小时增至76.6小时）和肠道表面积减少，为饮食干预延缓肠道老化提供了关键证据，且其发现与哺乳动物肠道黏膜高度相似，具有重要转化价值。

1 引言

胃肠道在一生中承担营养供应与处理的核心功能，其独特的形态和功能特性要求黏膜上皮保持高细胞更新率。哺乳动物的肠道再生源于位于隐窝的肠道干细胞（ISC），其通过不对称分裂维持自我更新并分化为所有上皮细胞类型，这一过程受到LGR5⁺快速分裂细胞和HOPX⁺慢周期细胞等群体的调控。然而，鱼类等变温脊椎动物缺乏隐窝结构，其ISC以簇状形式存在于固有层下方的生态位中，稳态机制尚不明确。

衰老伴随细胞、组织和器官功能下降，营养限制被证明可对抗年龄依赖性效应并延长寿命，但衰老和营养对单个器官的影响知之甚少。非洲青鳉鱼（Nothobranchius furzeri）作为寿命最短的脊椎动物衰老模型，经历与哺乳动物类似的退化过程，包括老年食物摄入减少，是纵向研究的理想系统。间歇性禁食（IF）在青鳉鱼中促进健康状态和长寿，且饮食干预在啮齿类中增强ISC活性和分化潜能，尤其通过诱导脂肪酸氧化程序改善ISC功能。本研究通过整合形态学、组织学和转录组学方法，在青鳉鱼整个生命周期研究年龄和营养对肠道保存的影响，重点分析对应人类新生儿期、青春期、成年期和老年期的阶段。

2 结果

2.1 肠道大体解剖结构与无胃鱼类一致

青鳉鱼肠道代表无胃鱼类典型结构，缺乏胃腺和括约肌，由前肠（AI，具宽腔肠球）、中肠（MI）和后肠（PI）组成，胆总管在第一个弯曲前注入。PI呈现红褐色， horseradish peroxidase摄取和cathepsin L1（ctsl1）表达证实其类似结肠功能。解剖结构个体间变异主要见于第二肠弯曲形状，影响总肠管长度。

2.2 肠道与体生长在老年期解耦

体长终生增长但老年速率减缓，而肠管长度、直径和重量在成年期（13周）前显著增加，之后显著下降，主要因第二弯曲形状改变。肠表面积计算显示老年期减少，伴随老年鱼体重下降，提示营养吸收面积减少可能导致体重减轻和运动减少等年龄现象。

2.3 青鳉基因组缺乏胃特异性功能基因

基因组筛查证实无胃特性，缺乏胃蛋白酶原（pga、pgc）、质子泵（atp4a、atp4b）、 mucin相关因子（tff1）和内在因子（gif）基因，与斑马鱼和青鳉类似。胃脂酶（lipf）基因在全肠管表达，无区域特异性。

2.4 前肠比其余肠管更弹性，符合食物贮存功能

Brillouin光散射（BLS）显微光谱测定显示前肠弹性模量显著低于中后肠，损失切线（tan(δ)）值更低，表明前肠作为食物贮库的机械特性保留，但缺乏真正胃的其他特征。

2.5 青鳉胃肠道组织学

黏膜通过褶皱和褶皱间区（IFR）增大表面 area，缺乏隐窝、环状皱襞和黏膜肌层。 enterocytes显示典型刷状缘，微绒毛长度从前向后递减。杯状细胞丰富，缺乏潘氏细胞和杆状细胞。亚细胞形态沿轴变化，AI和MI含小而暗 apical空泡，近MI-PI连接处和PI具大亮空泡，类似斑马鱼溶酶体丰富 enterocytes。基底膜下方固有层含α-SMA⁺肌成纤维细胞，可能参与生态位信号。

2.6 沿肠管存在功能多样性

RT-PCR和qRT-PCR显示营养吸收基因表达异质性：apoa1表达向前递减，ctsl1和fabp6在后肠显著富集，ctsd和lipf全肠表达。ctsl1在 segment 5和6间显著增加，与形态边界相关，功能异质性类似斑马鱼和青鳉。

2.7 周期肠上皮细胞核仁大小是长寿标志

核仁大小在IFR最大，沿褶皱减小，顶端再次增大。 rRNA和核糖体蛋白检测证实核糖体含量变化，与营养吸收因子（如apoa1）表达递增相关。老年期全肠上皮rRNA含量显著减少，蛋白合成全局下降。IFR核仁大小在新生儿期最大，成年后恒定，老年减小，百岁动物（>30周）IFR核仁显著更小，提示分裂活性与寿命负相关。

2.8 褶皱间区（IFR）驱动肠上皮再生

PCNA染色显示增殖局限于IFR，老年期向褶皱扩展。 EdU注射系列证实细胞更新始于IFR，迁移向褶皱顶端， apoptosis优先发生在顶端。分化细胞SA-βGal阳性，提示衰老与终末分化相关，伴随核仁大小减小。

2.9 肠道干细胞（ISC）以簇形式存在于IFR

采用BrdU和EdU双标记示踪 label-retaining cells（LRCs），发现ISC偏好定位IFR，非均匀分布而是成簇出现，与增殖细胞（可能为TA群体）混杂。ISC簇大小和细胞数终生无显著变化，但老年期定位向褶皱偏移。

2.10 上皮更新动态在老年期减缓

ISC周期时间计算显示成年约50小时，老年延长至76.6小时，表明再生能力下降。老年死后组织学未见严重黏膜损伤，提示组织更新有效至死亡，肠稳态非寿命限制因素。

2.11 饮食限制减轻年龄依赖性肠道基因表达变化

RNASeq分析显示年龄相关差异表达基因（DEGs）：老年AL vs成年AL有282基因，老年IF vs成年IF有368基因，老年IF vs老年AL有569基因。IF下老年鱼基因表达更接近成年鱼，GO分析显示生物钟基因上调和营养吸收基因下调在IF组缓解。

2.12 年龄依赖性肠道生物钟基因表达变化在IF队列改善

外周生物钟基因（clockb、bmal1、bmal2、cry1、cry2、csnk1d、per1、per2、per3、rora、tim）表达在老年AL组显著变化，IF组老年鱼保持成年水平。cry1、per2、per3表达最高，节律紊乱与老化相关。

2.13 营养吸收和细胞功能因子的年龄依赖性改变在IF队列减轻

手动选择基因集显示IF维持成年表达水平，涉及营养吸收（apoa1、apoeb、mtp、npc1l1、scarb1等）、染色质和DNA损伤响应（ctcf、H3.3、hdac1、hp1等）、线粒体功能（acss2、ATP- synthase、cyt-c等）、核仁功能和核糖体组装（eif5、mTOR、npm、sirt1、ubf等）、细胞周期和死亡调控（cdk1、cycB、cdkn1a、myc等）。

2.14 细胞分化和肠上皮干性相关因子年龄依赖性变化在IF老年鱼接近成年水平

上皮细胞标志物（如fabp6、rbp2、muc2、chgb、pYY）和ISC及生态位标志物（如aldh1a2、hopx、notch2、sox9b、tert、acat2）在IF下保持成年表达。lgr5表达低且无变化。Wnt和Notch通路因子（如wnt2b、fzd2、znrf3、dll4）显示饮食依赖性差异表达，与ISC增殖和分化平衡相关。qRT-PCR验证acat2老年表达下降，ascl1a、rspo1、rspo3、sox9b无显著下降。