基于代谢组学的果蝇衰老过程性别差异及黄芩醇提物抗衰老活性研究

发布时间：2020-05-14 03:45

【摘要】：选题依据:衰老同时伴随着多种慢性疾病的频发,是人类生活所必将经历的阶段。近年来,由于全球人口老龄化加剧,衰老人群数量逐年增多,人们对于延缓衰老,延长健康寿命的渴望也越来越强烈。尽管人类科学技术水平飞速发展,至今也依然不能够全面的阐释衰老的内在机制。代谢组学是依靠先进的分析技术平台,获取机体内源性小分子代谢物的信息,从机体代谢物的角度出发,分析阐释机体内已发生的一系列生物学事件,当前对于代谢组学的研究已经逐步的应用到各种复杂疾病中,这对于衰老研究同样是一个契机。在我国,很早以前就发现了黄芩的药用价值,并且目前我国黄芩现有的资源量比较大,应用比较广泛。当前已有研究表明黄芩具有多种药理活性其中就包括清除自由基、抗氧化以及神经保护等,除此之外还有研究表明黄芩能够改善机体多种抗氧化作用酶的活性,可能具有抗衰老的药理作用。课题组前期采用D-半乳糖致大鼠衰老模型,结合代谢组学的研究方法评价黄芩抗衰老活性,在此研究基础上,课题组引入果蝇自然衰老模型。果蝇具有寿命短、易饲养、成本低、实验操作简单等多种优势,目前也是衰老研究中常用的一种模式生物,但以模式生物果蝇为研究对象结合代谢组学的研究方法进行衰老以及衰老过程中性别差异的研究目前还不多见,以模式生物果蝇为研究对象结合代谢组学的研究方法对黄芩抗衰老活性进行评价的研究目前还未见报道。目的:以模式生物果蝇为研究对象结合代谢组学的研究方法对衰老以及衰老过程中的性别差异进行探索;以果蝇自然衰老模型结合代谢组学的研究方法评价黄芩抗衰老的活性。方法:1.将同一批次果蝇样本在同一条件下分别饲养至生长过程中的3d、15d、30d、45d四个生长阶段,并分别收集每个阶段的果蝇组织样本进行1H-NMR代谢组学分析,进而动态监测果蝇代谢轮廓及内源性代谢产物在其生长过程中的3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段的变化规律。首先,结合无监督模式的主成分分析(Principal component analysis,PCA)以及有监督模式的偏最小二乘判别分析(Partial least squares-discrimination analysis,PLS-DA)对果蝇3d、15d、30d、45d四个生长阶段代谢轮廓变化规律进行分析。其次,分别以聚类热点图及折线图两种形式对果蝇组织部分代谢物在3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段的变化情况进行统计,并计算代谢物随年龄变化的相关系数,分别筛选出雌雄果蝇随年龄变化相关的内源性代谢产物,再综合雌雄果蝇两种性别,取其共有的随年龄变化相关的内源性代谢产物作为果蝇与衰老相关的代谢标志物。最后,对所筛选出来的代谢物进行代谢通路的富集,寻找与果蝇衰老相关的代谢通路。2.以代谢组学的研究方法分别对果蝇生长过程中的3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段,每个阶段中雌雄果蝇之间代谢轮廓的差异进行分析。首先,以PCA以及PLS-DA对雌雄果蝇代谢轮廓的差异进行模式判别之后,结合正交-偏最小二乘判别分析(Orthogonal signal correction filtered partial least squares discrimination analysis,OPLS-DA)以及“S-plot”分别寻找3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段引起雌雄果蝇组间差异的代谢物。然后,综合3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段分析,筛选出雌雄果蝇之间在3d、15d、30d、45d四个代表性的生长阶段一直存在且雌性含量始终高于(或低于)雄性含量的差异代谢物为与雌雄果蝇之间性别差异相关的代谢物,而那些既与性别差异相关又与衰老相关的代谢物即为与衰老过程性别差异相关的代谢标志物。最后,对与衰老过程性别差异相关的代谢标志物进行代谢通路富集,寻找雌雄果蝇之间与衰老过程性别差异相关的代谢通路。3.在初步了解果蝇衰老过程中代谢变化规律的前提下,以果蝇寿命研究及代谢组学研究方法分别对黄芩抗衰老活性进行评价。首先,以添加有不同浓度黄芩提取物(包括0.1g/L、1g/L、5g/L三个浓度梯度)的给药组培养基饲养果蝇,并以空白培养基饲养的正常供应为相应的对照,使其均在同样的培养条件下进行。统计分析黄芩提取物对果蝇平均寿命及最高寿命的影响。然后以3d龄果蝇为正常对照组,以空白培养基培养的30d龄果蝇为衰老模型组,以黄芩给药培养基培养的30d龄果蝇为衰老给药组,以代谢组学的研究方法结合多元统计分析黄芩对果蝇体内代谢物的调节作用。最后对黄芩可调节的果蝇体内代谢通路进行富集。结果:1.果蝇代谢轮廓分析结果显示雌雄果蝇代谢轮廓在3d、15d、30d、45d的变化情况不同。PCA及PLS-DA分析均表明:雌性果蝇3d、15d、30d、45d的代谢轮廓彼此分开,可见从3d到45d一直在发生显著变化;而雄性果蝇代谢轮廓30d和45d彼此靠近并和3d、15d彼此分离,可见雄性果蝇代谢轮廓从3d到15d再到30d一直在明显的改变,但是30d到45d时代谢轮廓的变化就不再明显,这可能是由于雄性果蝇在30d已经进入衰老阶段所致。果蝇代谢物变化情况分析结果显示雌雄果蝇之间代谢物在3d、15d、30d、45d的变化情况的部分异同点如下:(1)雌雄果蝇之间部分代谢物(如:甲硫氨酸、葡糖糖等)随年龄变化的变化趋势完全一致,仅仅是代谢物含量在雌雄果蝇之间有差异(雌雄果蝇相同点);(2)在雌性果蝇部分代谢物中(如:异亮氨酸、缬氨酸、丙氨酸、酪氨酸等)从3d到30d存在着一个含量的上升或持平阶段,但在雄性果蝇中则不存在这样的现象(雌雄果蝇不同点);(3)几乎所有的代谢物同一生命阶段在雌雄果蝇之间都存在着含量的差异,并且大部分表现出在雄性显著低于雌性(雌雄怎样的不同)。通过对雌雄果蝇综合分析发现,与衰老相关的代谢标志物包括:isoleucine,valine,alanine,glutamine,succinate,methionine,glycine,cysteine,tyrosine,tryptophan,phenylalanine,histidine,xanthine和DMA。其主要涉及到的代谢通路有:氨基酸的合成及代谢、三羧酸循环及嘌呤代谢等。除此之外部分代谢物的变化还暗示着衰老过程伴随着线粒体功能的紊乱。2.雌雄果蝇代谢组学研究表明雌雄果蝇代谢轮廓在3d、15d、30d、45d这四个代表性的生命阶段均存在显著差异。找到了果蝇与衰老过程性别差异相关的代谢标志物包括:isoleucine,valine,methionine,phenylalanine,cysteine,succinate和DMA。主要涉及到的代谢通路有氨基酸的生物合成及代谢和三羧酸循环等途径。除此之外部分代谢物含量在雌雄果蝇之间的差异还暗示着果蝇线粒体功能存在的性别差异。3.果蝇寿命实验表明黄芩提取物能够同时延长果蝇(雌性和雄性两种性别)的平均寿命和最高寿命,其中黄芩提取物1g/L和5g/L给药组能够显著延长雌性果蝇的平均寿命和最高寿命,黄芩提取物5g/L给药组能够显著延长雄性果蝇的平均寿命和最高寿命。代谢组学的研究结果表明黄芩能够调节衰老果蝇体内isoleucine,valine,acetate,glutamine,phenylalanine,cysteine,glycine,succinate,lactate和glucose等代谢物的含量,并可能改善线粒体功能损伤进而发挥延长寿命的药理活性。结论:1.果蝇代谢组学研究表明衰老过程中雌雄果蝇代谢轮廓及代谢物的变化规律有所不同。雄性果蝇可能在30d就进入衰老状态,而雌性果蝇可能要更晚。通过代谢组学研究结合雌雄果蝇两种性别更加全面的筛选出了14个衰老相关代谢标志物及衰老相关代谢通路。2.本研究采用代谢组学研究方法及多元统计分析方法筛选出7个与衰老过程性别差异相关的代谢标志物及相关的代谢通路,这为衰老过程性别差异相关的进一步研究提供了有效地研究思路和方向。3.黄芩提取物能够显著延长果蝇(雌性和雄性两种性别)的平均寿命和最高寿命,并通过代谢组学的研究方法寻找到黄芩可调节的果蝇体内的代谢物及其相应的代谢通路。4.通过对果蝇生长过程的代谢组学研究结果表明果蝇衰老过程伴随着线粒体功能的损伤;对果蝇衰老过程性别差异的代谢组学研究表明线粒体功能可能存在性别差异;对黄芩抗衰老活性的代谢组学研究表明黄芩可能通过修复线粒体功能的损伤从而发挥延长果蝇寿命的药理活性。
【图文】：

应用现状,果蝇,代谢组学,抗衰老

基于代谢组学的果蝇衰老/衰老过程性别差异及黄芩抗衰老活性研究种衰老动物模型出现的次数都相对稳定。可见近年里一型进行衰老相关研究。其中线虫、果蝇、快速老化小鼠年里每年都在 100 篇文献以上。

果蝇,应用现状,衰老模型,线虫

五年来各种衰老动物模型出现的次数都相对稳定。可见近年里一直在有科老动物模型进行衰老相关研究。其中线虫、果蝇、快速老化小鼠以及果蝇多，近五年里每年都在 100 篇文献以上。图 2.1 衰老动物模型的科研应用现状线虫 23%；B 果蝇 20%；C 快速老化小鼠 19%； D 恒河猴 14%；E 酵母 13%；F衰老模型 7%；G 斑马鱼 4%）
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R285.5

【参考文献】