2022年9月20日，西湖大学吴连锋团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports在线发表了以"Early-life vitamin B12 orchestrates lipid peroxidation to ensure reproductive success via SBP-1/SREBP1 in Caenorhabditis elegans" 为题的最新研究。该研究报道了生命早期维生素B12（简称B12）影响生物体成年期代谢与生殖特征的现象，及其跨时空调控作用的分子机制。
B12是生物体必需的一种微量营养素，在婴幼儿和青少年的发育活跃阶段，B12缺乏的现象较为常见。近期研究发现，母亲妊娠期B12的不足会诱发子代产生胰岛素抵抗、脂质代谢异常等代谢紊乱，提示在人群中生命早期B12的缺乏可能会导致成年后代谢疾病的发生，然而其具体发生机制尚不清楚。David Barker博士根据大量流行病学的研究就提出过“健康与疾病的发育起源（Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD）”假说：当子宫环境不利时，如营养元素缺乏条件，胎儿在发育过程中则需要预测和适应性地调控基因表达以减少不利环境的影响。这种适应性的基因调控往往被认为是表观遗传学调控，其影响可能一直延续到出生后，最终导致成年后疾病的发生。基于该假说，联合国营养执行委员会也提出:“生命早期1000天”（妊娠到出生后2岁）是干预成年期慢性病发生的关键窗口期。遗憾的是，目前DOHaD假说还缺少强有力的实验证据支撑，因此“生命早期1000天”的概念也还没得到足够的重视与推广。
本研究中，研究者在两种B12缺乏的秀丽隐杆线虫（简称线虫）模型（饮食诱导的B12缺乏野生型线虫和核激素受体nhr-114/HNF4突变体）中，观察到生命早期B12的缺乏会导致成年线虫脂质水平升高和生殖能力显著下降的现象，该现象支持DOHaD假说。通过给不同发育阶段B12缺乏的线虫回补B12，研究者发现，只有在生命早期发育阶段补充B12，线虫的脂肪水平和生殖能力才能表现为正常。由此证实，生命早期 B12 决定了线虫成年期脂质含量和生殖水平，且该效应存在一个重要的时间窗口。在分子机制的解析中，研究者发现，阻断甲硫氨酸循环会激活固醇调节元件结合蛋白SBP-1/SREBP1，引起线虫的脂质水平显著升高，证实甲硫氨酸循环-SBP-1/SREBP1信号通路参与了B12跨时空调控生命体代谢与生殖的过程。同时，研究者通过脂质组学分析和大量功能性实验证实，生命早期B12缺乏使得内源性长链多不饱和脂肪酸水平升高，造成机体毒性脂质过氧化物的累积，进而诱发了生殖细胞的铁死亡，导致了线虫的生殖缺陷。基于对该现象发生机制的理解，研究者进一步探究了SBP-1/SREBP1蛋白、长链脂肪酸不饱和化基因构成的信号轴和铁死亡是否可能作为发育后期逆转相关紊乱发生的靶标，以实现成年期疾病治疗的目标。结果证实，在发育后期利用RNA干扰技术阻断SBP-1/SREBP1和脂质合成通路，或者向线虫补充铁死亡抑制剂，都可以部分挽救B12缺乏线虫生殖缺陷，提示这些途径有望成为相关成年期代谢疾病的治疗靶标。
综上所述，本研究发现生命早期B12的缺乏会导致成年期脂肪水平增加，毒性脂质累积，引发生殖细胞的铁死亡，最终造成线虫生殖能力下降的现象。同时，研究者综合利用化学遗传筛选、基因表达图谱分析和功能性实验等方法，鉴定出了一系列的关键信号分子，并证实这些遗传元件有望作为发育后期逆转或治疗早期B12 缺乏引起的成年期肥胖或生殖缺陷的靶标。该研究受到国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室及浙江省生长调控及转化研究重点实验室的资助支持。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请吴连锋研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
既然在人和哺乳动物中，已发现生命早期因素决定成年期健康与疾病的现象，为什么还选择线虫为模式生物来做相关的研究？
吴连锋研究员：
虽然相关现象在人或其它高等动物中已有报道，但其发生机制还远不清晰。此类现象的发生具有跨时空的特点，因此在人或哺乳动物中研究该过程及机制会十分漫长，需要耗费大量的时间和金钱，期间掺杂的影响因素也难以预料和控制。另外，在哺乳动物系统中很难通过高通量筛选、大量高效基因编辑和药物筛选的方式进行分子机制的探究。相较而言，线虫具有遗传操作简单、培养条件可控、成本低廉等优点，早已被广泛应用于人类疾病的研究，极大促成了包括细胞凋亡与RNAi等多项诺贝尔奖级研究工作的诞生。我们在线虫体系中阐释了，生命早期B12缺乏会导致成年后脂代谢和生殖功能的异常及其发生机制，我们发现的相关信号通路在线虫和高等动物中高度保守，相信会为接下来相关领域的基础与临床探究提供理论参考。
CellPress：
看您的研究方向主要集中在二甲双胍作用机制的探究，是什么样的机会让您团队关注到了生命早期维生素B12对生殖的调控作用？
吴连锋研究员：
可以说是个意外的发现，本研究源于我们五年前的一个多维度非靶向的药物遗传学筛选，筛选旨在探索包括二甲双胍在内的14种已被报道可改善生殖紊乱的化合物与生殖功能必需基因间的交互作用。二甲双胍通常是治疗2型糖尿病的一线药物选择，还有治疗多囊卵巢综合征（当前非常常见的生殖内分泌疾病，发病原因尚不清楚）的功效。遗憾的是，二甲双胍发挥功效的机制至今还是个谜。我们通过高通量筛选发现，有4个诱导生殖缺陷的RNAi在一定程度上可以被不同的药物所挽救，其中表型最明显的是nhr-114/HNF4的RNAi，其不育表型近乎完全被B12所逆转。此外，我们还发现B12可以以剂量依赖性的方式挽救nhr-114/HNF4突变线虫的生殖异常表型，很低浓度的B12的处理就可以使该线虫生殖能力完全恢复，这些结果表明B12水平与nhr-114/HNF4缺失线虫的繁殖能力之间存在很强的联系。我们的后续研究证实，nhr-114/HNF4突变线虫是一种天然存在的B12缺乏模型。利用该模型，使得我们有机会首次揭示生命早期B12跨时空调控成年期健康状况的分子机制。
CellPress：
维生素B12作为一种人体必需的微量营养素，它在生物体内的多少或功能稳态是如何调节的？
吴连锋研究员：
我们利用基因图谱分析和大量功能性实验证明，生命早期B12通过甲硫氨酸循环影响SBP-1/SREBP1的活性进而调控后期代谢特征的稳定。甲硫氨酸循环-SBP-1/SREBP1信号轴参与生命早期B12影响成年线虫的脂肪含量和生殖水平的过程。我们发现SBP-1/SREBP1在响应甲硫氨酸循环活性的同时，还可以通过调节nhr-114/HNF4的表达调控机体B12的水平，进而维持线虫体内B12的代谢稳态。这种对特异的稳态调节，使线虫在B12缺乏或过量条件下均具有很好的缓冲或平衡能力以更好地存活。
CellPress：
生命早期维生素B12缺乏会导致线虫“铁死亡”的发生，这一发现有什么意义？
吴连锋研究员：
铁死亡自其概念2012年被提出以来，一直受到生物医学领域的广泛关注，是癌症等疾病成因与治疗研究的热点之一。遗憾的是，目前报道的铁死亡现象大多来自于人为诱导的细胞或个体实验条件，生理条件下的铁死亡研究还鲜有报道。在探索生命早期B12影响成年期性状的分子机制过程中，我们发现了生命早期B12缺乏会使内源性长链多不饱和脂肪酸水平累积，引起线虫脂质过氧化水平升高，诱发了生殖细胞的铁死亡，将为未来探究生理条件下铁死亡发生及调控的机理提供重要模型。
CellPress：
请问本研究为“健康和疾病的发育起源学说”的机制探索与概念推广，会提供怎样的指导？
吴连锋研究员：
我们的研究在分子层面首次揭示了B12缺乏导致的成年期代谢紊乱具有早期起源特征，相关作用通路有望成为成年期代谢紊乱和不育等疾病的治疗靶标，将为临床指导孕期和儿童时期的营养摄入提供理论支持，也为肥胖、2型糖尿病、多囊性卵巢综合征等可能具有早期起源特征的代谢疾病的基础与临床研究提供新的思路。
CellPress：
请问您团队下一步的研究重点将会放在哪里？
吴连锋研究员：
基于该研究的结果，我们接下来的研究将致力于解决以下几个关键问题：除肥胖和生殖外，生命早期B12还参与了线虫或哺乳动物成年后的哪些性状决定；B12是如何通过一碳代谢调控SBP-1/SREBP1功能的；甲硫氨酸循环-SBP-1/SREBP1与铁死亡的关系是否具有保守性；健康与疾病发育起源的分子网络等。
作者介绍
吴连锋
研究员
吴连锋，论文通讯作者，西湖大学研究员，博士生导师。2010年毕业于中国科学院生物物理所，获理学博士学位。2011年至2017年，在哈佛大学医学院麻省总医院从事博士后研究。2017年9月加入西湖大学，全时开展研究。目前，以第一作者或通讯作者身份，已在Cell、Trends in Endocrinology and Metabolism、Cell Reports、The Journal of Immunology等国际主流学术期刊上发表多篇SCI论文。
吴连锋课题组综合运用分子生物学、遗传学、代谢组学等方法，在细胞及模式动物（线虫、小鼠）水平研究代谢与衰老相关疾病发生发展的分子机理，及相关病症治疗策略的研发。主要研究内容包括但不限于：1）健康与疾病发育起源的分子机制探究；2）生物体能量代谢紊乱发生分子遗传机制的研究；3）衰老的遗传基础研究及衰老相关标志物的发现；4）抗2 型糖尿病药物二甲双胍的作用机制及其类似药物的研发。
秦申璐
博士研究生
秦申璐，论文第一作者。2017年毕业于浙江大学获医学硕士学位，同年进入西湖大学与复旦大学博士联培项目，师从吴连锋研究员。目前在吴连锋课题组从事“健康与疾病发育起源”的机制研究。
相关论文信息
▌论文标题：
Early-life vitamin B12 orchestrates lipid peroxidation to ensure reproductive success via SBP-1/SREBP1 in Caenorhabditis elegans
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)01216-5
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111381
转自：“解说科研项目”微信公众号
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