长寿基因FOXO3对骨骼肌线粒体生物合成的调控及机制研究

FOXO3 is one of the few longevity genes replicated in human, but the specific mechanism is not clear. Our previous study found FOXO3 haplotype associated with longevity and metabolic status. The mRNA microarray and TEM suggested it was associated with increase of mitochondria in skeletal muscle and up-regulation of OXPHOS genes. Therefore, we hypothesized that FOXO3 variants may improve the mitochondria biogenesis (MtBG) in skeletal muscle, and ease the aging along with the sufficient energy supple, which might be the potential mechanism of FOXO3 in humans. This study intends to follow the translational medicine, which found clues from humans and validated in molecular, cellular, animal levels for mechanism, and returned to human for a systematic evaluation. Based on the established skeletal muscle resources, firstly, we compared the relationship between FOXO3 variants and skeletal muscle MtBG in younger and older subjects, respectively; Second, we try to study the mechanism in C2C12 cell line, by adenovirus transfection of different FOXO3 mutants and PGC1a inhibition by siRNA, and compare the change of MtBG and corresponding signals. Third, to further discuss whether the effect relies on ageing stages, we produce the knock-in mouse and conduct observations in this model. Finally, all the findings should be validated in human skeletal muscle and serum, combined with clinical metabolism and the change of cognitive function, which will be promising to provide new ideas and targets for disease control and prevention for your old age.

FOXO3是少数得到人群验证的长寿基因，但机制不清。我们前期发现FOXO3变异和长寿及代谢稳态相关，在经表达谱芯片和透射电镜发现FOXO3变异伴有骨骼肌线粒体增多和OXPHOS上调，据此提出假设，FOXO3变异可能通过改善骨骼肌线粒体生物合成（MtBG），增加衰老能量供应，是其在人群促进长寿的机制。本研究拟遵循转化医学思路从人群发现线索，经分子、细胞、动物探索机制，最后回到人体系统证实。基于已建立的人资源库，首先拟在老年和青年组中对比明确FOXO3变异与骨骼肌MtBG的关系；然后在C2C12细胞系中通过腺病毒转染FOXO3突变体并siRNA抑制PGC1a对比MtBG和相应分子变化；进而利用knock-in小鼠，研究不同衰老阶段下该效应的调控及机制；最后在人骨骼肌和血清中进行验证，结合临床代谢和认知功能的变化明确FOXO3变异机制对延长寿命作用的贡献，有望为老年疾病防治提供新的思路和靶点。

基于长寿人群挖掘长寿基因及相关机制是应对人口老龄化的重要研究领域，本项目1）首次基于已建立的人资源库探讨了确FOXO3变异与骨骼肌MtBG的关系，并且在C2C12细胞系和小鼠中研究其效应和机制；2）围绕FOXO3基因的表达、甲基化修饰等核心问题，综合探索线粒体生物合成、骨骼肌减少、相关骨骼肌生物合成和线粒体代谢关键代谢物（支链氨基酸BCAA等），在人体水平和衰老及长寿的内在联系，发现BCAA和长寿基因FOXO3之间存在潜在的生物学联系。FOXO3突变型携带的个体，糖脂代谢紊乱更多发生，代谢综合征的组分更多，而他们外周血循环水平BCAA的浓度相对更高；3）采用双组学技术（宏基因组联合非靶向血清代谢组）发现肠道菌群互作的循环代谢物，探索肠道微生态环境和健康长寿的交互作用，特征性发现血清代谢物随增龄显著变化，研究共获得365种血液代谢物，有103种物质随增龄显著增加或减少。血清代谢物随增龄变化特点：有约1/3的血清代谢物随增龄会发生变化，其中60岁-80岁间血液代谢物变化会加速变化，差异代谢物根据其增龄规律可分为6类；4）综合动物模型、数据库16S数据集，以验证宏基因组结果，进行国际trial的注册和宏基因组测序工作（Study of Microbiota in Longevity County, Yongfu (SoMiLY)），发现了长寿相关的细菌及其功能：肠道微生物组分析发现Firmicutes、Proteobacteria在不同年龄段有显著差别, Bacteroidetes显示出了随着年龄的增长出现下降的趋势，在我们样本中同样是分成了3种肠型，但是不同年龄段在不同肠型的比例显著不同。本项目资助下已在国内外期刊发表论文16篇,其中 SCI 收录 12 篇;获中华医学会科技进步二等奖1项，局级成果奖1项；获得相关专利授权2项;参与发布老年医学相关行业标准4项。此外，积累了大量衰老模型中的代谢组学、离子组学、血脂谱、基因组学数据，随后可以通过生物信息学进行不同层面的数据挖掘, 将对于维持生命和代谢稳态具有重要的生理意义， 以期为老年代谢性疾病防治提供新的思路和靶点。