陈畅组绘制线虫禁食及过饱条件下精准氧化还原图谱

　　细胞氧化还原调控广泛参与细胞信号转导及细胞代谢过程。饮食限制能改善健康和生存状况，然而在不同饮食条件下，氧化还原平衡在不同细胞器和不同组织会发生怎样的变化并不清楚，导致代谢的氧化还原调控机制不明。因此，探索不同饮食条件下的精确氧化还原图谱具有重要意义。中国科学院生物物理研究所陈畅课题组与华东理工大学赵玉政课题组开展合作研究，于2023年6月12日在《Stress Biology》杂志发表了题为" Exploring the precision redox map during fasting-refeeding and satiation in C. elegans "的学术论文，绘制了线虫在禁食、再进食及饱食下的精准氧化还原图谱。

　　研究团队首先构建了12种表达氧化还原敏感探针的线虫品系：将响应H₂O₂的Hyperion探针和响应GSH/GSSG的Grx1-roGFP2探针分别特异表达在线虫的2种组织（体壁肌肉和神经元）和3种细胞器（细胞质、线粒体和内质网）中。然后将这12种线虫进行禁食、再进食及饱食处理，利用共聚焦显微镜进行氧化还原探针的成像及数据分析，绘制了H₂O₂及 GSSG/GSH在不同饮食条件下的相对水平的精准氧化还原图谱。研究发现：禁食使肌肉组织中线粒体H₂O₂水平增加，这与以往关于禁食下大鼠离体实验结果及线虫总体检测结果H₂O₂水平下降不同，更好地解释了禁食诱导线粒体未折叠蛋白响应延长线虫寿命的结果；而禁食特异提高神经元内质网GSSG/GSH水平，增加了内质网氧化力，也是首次发现。研究团队以前工作发现内质网还原应激加速衰老，增加内质网氧化力延缓衰老（Qiao et al, FRBM, 2022; Wang et al, PIBB,2022），该发现从内质网氧化力调控方面解释了禁食益处。研究首次发现在神经元中禁食条件下线粒体、内质网、细胞质中H₂O₂水平均降低，其生理意义值得进一步研究。再进食后，饮食限制引起的H₂O₂及GSSG/GSH的变化在体壁肌肉和神经元的大多数细胞器中被逆转。而在饱食状态下，首次精准发现H₂O₂水平在肌肉组织线粒体、内质网和细胞质及神经元内质网中均显著增加；而GSSG/GSH除了在线虫体壁肌肉的内质网中增加外，在两种组织的大多数细胞器中不变，为研究饱食代谢机制提供了新的线索。以往的研究大多集中在不同进食条件下总体的氧化还原的变化的体外研究上，而该工作是在体的氧化还原分子特异、细胞器特异、组织特异的不同进食条件下的精准氧化还原特性表征，为进一步研究代谢中的氧化还原机制和优化饮食策略提供了新的科学依据和思路。

图：线虫在禁食、再进食和饱食状态下的氧化还原图谱

　　中科院生物物理所陈畅研究员和华东理工大学赵玉政教授为本文的通讯作者；中科院生物物理所高级工程师乔新华、中科院生物物理所与西南医科大学联培生康璐、中科院生物物理所博士生时畅和叶傲君为本文的共同第一作者。感谢科技部国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项项目(B类)、国家自然科学基金委的资助。

　　文章链接：

　　https://link.springer.com/article/10.1007/s44154-023-00096-z

（供稿：陈畅研究组）