眼睛是感受光的重要器官，通过眼睛，我们欣赏日升月落，感受昼夜转变。同时，眼睛中的许多重要过程也会受到昼夜节律的调节。以前已有研究表明，眼睛的健康与全身的健康状况存在关联。
饮食限制是目前在多种模式动物中验证过的最为有效的改善健康状况和延长寿命的方法之一，并且限制饮食会影响昼夜节律。但饮食、眼睛健康、昼夜节律与寿命之间的联系尚未被揭示。
2022 年 6 月 7 日，来自美国巴克衰老研究所 Pankaj Kapahi 团队，在 Nature Communications 上发表了题为 Dietary restriction and the transcription factor clock delay eye aging to extend lifespan in Drosophila Melanogaster 的研究性论文，首次证明了果蝇的饮食、昼夜节律、眼睛健康和寿命之间的联系，意外地发现眼睛在影响寿命方面也起着重要作用，揭示了眼睛功能如何适应饮食限制以延长寿命。
改变核心生物钟基因 CLK，会加速视觉衰老，诱导全身免疫反应，并缩短寿命，而受到饮食限制的果蝇可以免受光感受器激活的寿命缩短影响。相反，通过使视紫红质突变或将果蝇置于持续黑暗中来实现光感受器失活，延长了以高营养饮食饲养的果蝇的寿命。
研究内容
饮食限制会增强昼夜节律功能，并以依赖 CLK 的方式延迟视觉衰老
2016 年，Kapahi 的实验室在 Cell Metabolism 上发表的研究表明，限制饮食的果蝇除了延长寿命外，还具有显著的昼夜节律变化。此后，他们想更深入地研究限制饮食影响了哪些增强昼夜节律功能的过程，以及昼夜节律是否在饮食限制的延长寿命中发挥作用。
为了了解在非限制饮食的果蝇与限制饮食果蝇中，哪些基因以昼夜节律的方式振荡。研究人员对 Canton-S 野生型果蝇进行了一系列微阵列实验，这些果蝇被安置在明暗 12:12 小时内，在任一时间饲养高酵母（5%; ad libitum, AL）饮食或低酵母（0.5%; DR）饮食，并进行转录本分析。
研究者 Hodge 立即注意到有许多基因既对饮食有反应，又在不同的时间点表现出有节奏的起伏。然后他发现，在饮食限制下被激活最多的节律基因似乎都来自眼睛，特别是来自光感受器，这是眼睛视网膜中将光信号转导到化学信号的特殊神经元。
为了确定分子时钟是否介导了限制饮食中光转导基因的表达增强，研究人员建立了在果蝇头部泛神经元过表达核心时钟因子 CLK 显性负性表达的模型（nCLK-Δ1），随后确定了分子时钟 CLK 介导果蝇中许多与眼睛相关的转录调控，并研究了饮食和 CLK 如何随着年龄的增长影响视觉功能。他们首先通过趋光性试验发现，果蝇的正趋光性随着年龄的增长而下降，而限制饮食减缓了随年龄增长的正趋光性下降，限制饮食改善趋光性反应的能力依赖于 CLK 的功能。
趋光性试验测量的是对光线的行为反应，他们随后通过对眼睛进行细胞外电生理记录 (视网膜电图，ERG)，以评估饮食和 CLK 是如何随着年龄的增长直接影响光感受器功能的。研究结果同样表明，改变生物钟相关基因，则会加速视觉衰老，而限制饮食以依赖 CLK 的方式发挥作用，以延缓果蝇中光感受器的老化。
CLK 突变体驱动全身免疫反应并缩短寿命
研究报道与年龄相关的组织稳态下降伴随着免疫反应和炎症的升高。有趣的是，研究者发现在 nCLK-Δ1 果蝇头部中上调的基因显著富集了免疫和抗菌体液反应。与非限制性饮食相比，在限制饮食的果蝇中抗菌蛋白 AMP 表达降低；然而，nCLK-Δ1 和 nCLK-Δ2 的表达提高了 DR 上的 AMP 表达。
考虑到慢性免疫激活和加速衰老之间的强烈联系，研究人员测量了果蝇的寿命。nCLK-Δ1 和 nCLK-Δ2 果蝇的寿命都显著缩短。
饮食限制可防止因光感受器应激而导致的寿命缩短
由于饮食限制延迟了视觉衰老，并促进了参与光感受器稳态（即光适应、钙处理）的基因的节律性表达，因此他们研究了光照、饮食和寿命之间的相互关系。将 w1118（白眼）果蝇安置在 12:12 光暗周期或持续黑暗中。发现在持续的黑暗中，非限制饮食果蝇的寿命延长，而限制饮食的果蝇寿命不受影响。
研究者在视紫红质突变的果蝇中进行了生存分析，以检测不同光感受器亚型的激活如何影响不同饮食条件下的寿命。与观察到的全身免疫反应减少一致，视紫红质突变果蝇的寿命也更长。此外，研究人员使用光遗传学方法来研究慢性光感受器激活是如何影响在 AL 或 DR 饲养果蝇的存活率。光受体的光遗传激活大大降低了 AL 果蝇的寿命，而 DR 果蝇的寿命不受影响。
这些数据支持一种模型，即限时饮食保护果蝇免受光感受器应激导致的寿命缩短，因为慢性的光感受器激活会降低 AL 饲养的果蝇的存活率，而对用 DR 饲养的果蝇几乎没有影响
眼睛特异的 CLK 输出基因调节寿命
接下来，研究者试图确定眼睛中的 CLK 输出基因是否会影响与年龄相关的视力衰退和寿命。首先，将光感受器富集基因表达的年龄相关变化与 DR 与 AL 差异表达的基因进行了比较。在 ZT 0 和 ZT 时，一半以上随年龄下调的富含光感受器的基因在 DR 上也上调。然后，对该基因列表进行子集化，只选择其表达随年龄下调和在 DR 上调的转录本，并检查它们在 nCLK-Δ1 果蝇头中的表达如何变化。从该分析中，研究者确定了 Gβ76c、retinin 和 sun 作为在 ZT 0 和/或 ZT 12 的 nCLK-Δ1 果蝇头中显著下调的基因。
在果蝇眼中特异性敲除这 3 个基因，发现果蝇的趋光性反应降低，寿命缩短。这些发现表明，DR 和 CLK 共同作用于眼睛特异性昼夜节律基因的调节。此外，这些观察结果支持了之前的研究结果，即 DR 的寿命延长需要功能性生物钟，并确定 CLK 输出基因作为果蝇眼睛衰老和寿命的饮食依赖调节因子。
总结
本研究结果表明，禁食不仅能改善视力，而且眼睛实际上在影响寿命方面也起着重要作用。饮食限制在光感受器中的神经保护作用似乎是通过转录因子 CLK 介导的，它促进参与抑制光毒性细胞应激的基因的节律振荡。
「盯着电脑和手机屏幕，暴露在光污染下直到深夜，对生物钟来说非常令人不安。它搞砸了对眼睛的保护，这可能会产生超出视力的后果，损害身体和大脑的其余部分。」通讯作者 Pankaj Kapahi 说。
关于眼睛在生物体的整体健康和寿命中的作用，还有很多需要了解的地方，包括眼睛如何调节寿命，以及相同的效果是否适用于其他生物体？最大的问题就是这项工作是否适用于人类，即哺乳动物中的光感受器会影响寿命吗？
本文第一作者 Brian A. Hodge 表示，「可能没有果蝇那么明显，因为果蝇的大部分能量都集中在眼睛上。但由于光感受器只是特定的神经元，我认为更强的联系是昼夜节律功能在神经元中的作用，尤其是在饮食限制的情况下，以及如何利用这些来维持整个衰老过程中的神经元功能。一旦研究人员了解了这些过程是如何工作的，他们就可以开始靶向分子时钟来减缓衰老，那时人类可以通过饮食、药物或是生活方式的改变来激活眼睛内的生物钟来帮助维持视力」。
题图来源：站酷海洛
参考文献：
Hodge, B.A., Meyerhof, G.T., Katewa, S.D. et al. Dietary restriction and the transcription factor clock delay eye aging to extend lifespan in Drosophila Melanogaster. Nat Commun 13, 3156 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30975-4
