DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.12.008
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39842434
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Dunja Petrovic وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجينوميات والمواد النباتية والإجهاد التأكسدي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في آثار الإرجوثيونين (ET)، وهو ثيون/ثيول غذائي، على فترة الصحة والمرونة الأيضية في الكائنات الحية المسنّة. تُظهر الدراسة أن إدارة ET تؤدي إلى تمديد العمر الافتراضي وتحسين الحركة في *Caenorhabditis elegans*، إلى جانب تعزيز مقاومة الإجهاد وتقليل المؤشرات الحيوية المرتبطة بالعمر. في الفئران المسنّة، يعزز ET قدرة التحمل أثناء التمرين، وكتلة العضلات، والتوعية الوعائية، مما يتوافق مع زيادة مستويات NAD⁺ في أنسجة العضلات.
ميكانيكياً، يعمل ET كركيزة بديلة لإنزيم سيستاثيونين غاما لايز (CSE)، مما يعزز إنتاج كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والذي بدوره يزيد من بقاء البروتينات عبر أكثر من 300 هدف بروتيني. من الجدير بالذكر أن تنشيط إنزيم الغليسيرول-3-فوسفات ديهيدروجيناز السيتوزولي (cGPDH) من خلال بقاء البروتين هو مساهم رئيسي في الزيادة الملحوظة في مستويات NAD⁺. تشير نتائج الدراسة إلى أن التأثيرات المفيدة لـ ET تعتمد على CSE وcGPDH، مما يبرز أهمية إشارات H₂S وبقاء البروتين في توضيح تأثيرات ET. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات ET كعامل علاجي لمعالجة تدهور العضلات المرتبط بالعمر والاضطرابات الأيضية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات التي تطرحها الشيخوخة، وخاصة تدهور فترة الصحة والوظيفة الفسيولوجية، مما يؤثر بشكل كبير على أنظمة الرعاية الصحية على مستوى العالم. استجابةً لهذه القضية، هناك اهتمام متزايد بالمركبات الطبيعية ذات الإمكانيات العلاجية، ولا سيما الإرجوثيونين (ET)، وهو مركب ثيول موجود في مصادر غذائية مثل الفطريات والـ Actinomycetes. يتم نقل ET إلى الخلايا عبر الناقل OCTN1 (Slc22a4) وقد ارتبط بتعزيز الشيخوخة الصحية والمرونة الأيضية. بينما كان يُعتقد في البداية أنه يعمل بشكل أساسي كمضاد للأكسدة، تشير النتائج الأخيرة إلى أن آلية عمل ET قد تتضمن دوره كركيزة لإنزيم سيستاثيونين غاما لايز (CSE)، مما يعزز إنتاج كبريتيد الهيدروجين (H₂S) ويؤدي إلى تأثيرات خلوية مفيدة.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثير مكملات ET على فترة الصحة في الحيوانات المسنّة وتوضيح الآليات الأساسية. تشير النتائج إلى أن علاج ET يزيد من التنفس الميتوكوندري، وإنتاج ATP، ونمو الخلايا، إلى جانب ارتفاع مستويات NAD⁺، سواء في المختبر أو في الكائنات الحية. يتم توجيه هذه التأثيرات من خلال بقاء وتنشيط إنزيم الغليسيرول-3-فوسفات ديهيدروجيناز السيتوزولي (cGPDH)، مما يسهم في تحسين كتلة العضلات، والتوعية الوعائية، وخصائص خلايا العضلات الجذعية، وقدرة التحمل على جهاز المشي في الفئران المسنّة. تضع هذه الأبحاث الأساس لاستكشاف التطبيقات السريرية والإمكانات العلاجية لـ ET في مكافحة التدهور المرتبط بالعمر.
طرق البحث
في هذه الدراسة، لم يتم إنتاج أي مواد كيميائية جديدة، وقد قدم المؤلفون تفاصيل شاملة حول توفر البيانات. تم إيداع بيانات بروتيوميات مطيافية الكتلة (MS) في اتحاد بروتيوم إكسشين تحت معرفات مجموعة البيانات PXD051587 وPXD051609، بينما تتوفر بيانات RNA-seq عبر قاعدة بيانات BioProject برقم التعريف PRJNA1178314. الصور الأصلية للـ western blot والجل، إلى جانب البيانات غير المعالجة للرسوم، متاحة في البيانات S1. لم تقم الدراسة بالإبلاغ عن الشيفرة الأصلية، ولكن يمكن طلب معلومات إضافية لإعادة تحليل البيانات من جهة الاتصال الرئيسية.
تم دعم البحث من قبل مصادر تمويل متنوعة، بما في ذلك المجلس الأوروبي للبحث (ERC) تحت برنامج Horizon 2020 (رقم المنحة 864921)، والعديد من المنح الوطنية والدولية. تم توضيح الطرق التفصيلية، بما في ذلك النماذج التجريبية وتفاصيل الموضوعات، في قسم STAR+METHODS، الذي يشمل *C. elegans*، وخطوط الخلايا، وفئران ويستار، بالإضافة إلى طرق التحليل الكيميائي الحيوي والإحصائي. كما تم توفير قائمة شاملة من المواد الكيميائية والموارد والاختبارات التجارية الأساسية المستخدمة في التجارب، مما يضمن إمكانية التكرار والشفافية في منهجية البحث.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات المركب العضوي الكبريتي ET على العمر الافتراضي وفترة الصحة في *Caenorhabditis elegans* (C. elegans). أدى العلاج بـ 5 مليمول من ET من اليوم الأول للبلوغ إلى تمديد العمر الافتراضي الوسيط بنسبة 20% ± 2%. حتى عند تركيز مخفض قدره 450 مليمول، تأثرت كل من الأعمار الوسيطة والقصوى بشكل إيجابي. من الجدير بالذكر أن علاج ET حسّن الحركة ومقاومة الضغوط المختلفة في الديدان المسنّة، بينما قلل أيضًا من التفلور التلقائي المعوي المرتبط بالعمر وتراكم الدهون. من المهم أن هذه التأثيرات كانت مستقلة عن بكتيريا OP50 المستخدمة في التغذية، حيث لوحظت نتائج مماثلة مع البكتيريا المقتولة بالأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، أدى علاج ET إلى شبكة ميتوكوندريا أكثر استطالة، مما يتوافق مع زيادة الحركة.
كشفت التحليلات الإضافية أن التأثيرات المفيدة لـ ET لم تكن مرتبطة بتغيرات كبيرة في النسخ الجيني أو البروتيوم للديدان، مما يشير إلى أن التعديلات بعد الترجمة قد تكون مسؤولة. على وجه التحديد، زاد علاج ET من مستويات البقاء (PSSH) في أكثر من 300 بروتين، وخاصة تلك المعنية بوظيفة الميتوكوندريا وتوازن الأكسدة والاختزال الخلوي. كما حددت الدراسة إنزيم سيستاثيونين γ-لايز (CSE) كإنزيم رئيسي يساهم في إنتاج كبريتيد الهيدروجين (H₂S) من ET، مما يعزز تأثيراته المفيدة. تم إظهار أن ET يرتبط بموقع النشاط الخاص بـ CSE، مما يعمل كركيزة بديلة ويسهل زيادة إنتاج H₂S، المعروف بتحسين مقاومة الإجهاد التأكسدي. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن ET يعزز العمر الافتراضي وفترة الصحة في *C. elegans* من خلال آليات تتضمن بقاء البروتين وإنتاج H₂S.
المناقشة
توضح قسم المناقشة في ورقة البحث الآليات الكامنة وراء التأثيرات المفيدة للإيثيل ثيوسلفات (ET) من خلال سلسلة من التجارب التي أجريت على *C. elegans*، وخطوط خلايا الثدييات، ونماذج الفئران. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لإنزيم سيستاثيونين γ-لايز (CSE) في توضيح تأثيرات ET، وخاصة قدرته على إنتاج كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، وهو أمر أساسي للمرونة الأيضية. إن غياب CSE يلغي الفوائد الوقائية لـ ET، مما يبرز أهمية إشارات H₂S في تعزيز طول العمر وفترة الصحة. من الجدير بالذكر أن ET يعزز بقاء البروتين، وهو تعديل يحمي السيستين من الأكسدة المفرطة ويرتبط بزيادة مقاومة الإجهاد.
علاوة على ذلك، تكشف الدراسة أن التأثيرات المفيدة لـ ET ليست فقط نتيجة خصائصه المضادة للأكسدة، بل يتم توجيهها بشكل كبير من خلال بقاء إنزيم الغليسيرول-3-فوسفات ديهيدروجيناز السيتوزولي (cGPDH)، الذي ينظم توازن NAD⁺/NADH. يبدو أن هذا التعديل يعزز نشاط cGPDH، مما يؤدي إلى زيادة مستويات NAD⁺، الضرورية لعملية الأيض الخلوي وطول العمر. تقترح الأبحاث أن ET قد يكون أكثر فعالية من العوامل التقليدية المسبقة لـ NAD⁺، مما يعزز كتلة العضلات، والتوعية الوعائية، والقدرة البدنية العامة في النماذج المسنّة. تضع هذه النتائج الأساس للتحقيقات المستقبلية في الإمكانيات العلاجية لـ ET في الحالات المرتبطة بالعمر والاضطرابات الأيضية، وخاصة من خلال المصادر الغذائية التي يمكن أن تعزز تناول ET.
القيود
تعترف الدراسة بعدة قيود تتعلق بفعالية ET (كعامل علاجي) في تعزيز فترة الصحة لدى البشر. من الجدير بالذكر أن التأثيرات المفيدة لـ ET قد تتناقص في الأفراد الأكبر سناً بسبب انخفاض تعبير إنزيم سيستاثيونين γ-لايز (CSE) المرتبط بالشيخوخة. لمعالجة ذلك، يقترح المؤلفون أن الجمع بين ET ومactivators تعبير CSE قد يمثل استراتيجية علاجية قابلة للتطبيق. بالإضافة إلى ذلك، قد تعيق وجود الطفرات الجينية في بعض الأفراد التي تؤدي إلى تعطيل جزئي أو كامل لـ CSE فعالية مكملات ET، مما يحد من فوائدها المحتملة.
علاوة على ذلك، يثير تراكم ET داخل الخلايا مخاوف بشأن خطر الوصول إلى عتبة سامة لإنتاج كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والتي تعتمد على كل من كمية ET المستهلكة ومستويات تعبير CSE. تؤكد هذه العوامل على الحاجة إلى اعتبار دقيق للتنوع الفردي والجرعة في التطبيقات المستقبلية لـ ET لتعزيز فترة الصحة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.12.008
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39842434
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Dunja Petrovic et al.
Primary Topic: Genomics, phytochemicals, and oxidative stress
Overview
The research investigates the effects of ergothioneine (ET), a dietary thione/thiol, on healthspan and metabolic resilience in aged organisms. The study demonstrates that ET administration leads to lifespan extension and improved mobility in Caenorhabditis elegans, alongside enhanced stress resistance and a reduction in age-associated biomarkers. In aged rats, ET enhances exercise endurance, muscle mass, and vascularization, correlating with increased levels of NAD⁺ in muscle tissue.
Mechanistically, ET serves as an alternative substrate for cystathionine gamma-lyase (CSE), promoting the production of hydrogen sulfide (H₂S), which in turn increases protein persulfidation across over 300 protein targets. Notably, the activation of cytosolic glycerol-3-phosphate dehydrogenase (cGPDH) through protein persulfidation is a key contributor to the observed increase in NAD⁺ levels. The study’s findings indicate that the beneficial effects of ET are dependent on CSE and cGPDH, underscoring the significance of H₂S signaling and protein persulfidation in mediating ET’s actions. These results highlight ET’s potential as a therapeutic agent for addressing age-related muscle decline and metabolic disturbances.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the challenges posed by aging, particularly the decline in healthspan and physiological function, which significantly impacts healthcare systems globally. In response to this issue, there is a growing interest in natural compounds with therapeutic potential, notably ergothioneine (ET), a thiol compound found in dietary sources like fungi and Actinomycetes. ET is transported into cells via the OCTN1 (Slc22a4) transporter and has been associated with promoting healthy aging and metabolic resilience. While initially thought to function primarily as an antioxidant, recent findings suggest that ET’s mechanism of action may involve its role as a substrate for cystathionine gamma-lyase (CSE), enhancing hydrogen sulfide (H₂S) production and leading to beneficial cellular effects.
The study aims to investigate the impact of ET supplementation on the healthspan of aged animals and to elucidate the underlying mechanisms. The results indicate that ET treatment increases mitochondrial respiration, ATP production, and cell growth, alongside elevated NAD⁺ levels, both in vitro and in vivo. These effects are mediated through the persulfidation and activation of cytosolic glycerol-3-phosphate dehydrogenase (cGPDH), which contributes to improved muscle mass, vascularization, muscle cell stemness, and treadmill endurance in aged rats. This research lays the groundwork for further exploration of ET’s clinical applications and therapeutic potential in combating age-related decline.
Methods
In this study, no new reagents were generated, and the authors provided comprehensive data availability details. The mass spectrometry (MS) proteomics data have been deposited in the ProteomeXchange Consortium under dataset identifiers PXD051587 and PXD051609, while RNA-seq data are accessible via the BioProject database with ID PRJNA1178314. Original western blot and gel images, along with unprocessed data for figures, are available in Data S1. The study did not report original code, but additional information for data reanalysis can be requested from the lead contact.
The research was supported by various funding sources, including the European Research Council (ERC) under the Horizon 2020 program (grant No. 864921), and multiple national and international grants. Detailed methods, including experimental models and subject details, are outlined in the STAR+METHODS section, which encompasses C. elegans, cell lines, and Wistar rats, as well as biochemical and statistical analysis methods. A comprehensive list of reagents, resources, and critical commercial assays used in the experiments is also provided, ensuring reproducibility and transparency in the research methodology.
Results
In this study, the effects of the organosulfur compound ET on the lifespan and healthspan of *Caenorhabditis elegans* (C. elegans) were investigated. Treatment with 5 mM ET from day 1 of adulthood resulted in a significant median lifespan extension of 20% ± 2%. Even at a reduced concentration of 450 mM, both median and maximal lifespans were positively affected. Notably, ET treatment improved mobility and resistance to various stressors in aged worms, while also reducing age-related intestinal autofluorescence and lipid accumulation. Importantly, these effects were independent of the OP50 bacteria used for feeding, as similar outcomes were observed with UV-killed bacteria. Additionally, ET treatment led to a more elongated mitochondrial network, which correlates with enhanced motility.
Further analysis revealed that the beneficial effects of ET were not linked to significant changes in the transcriptome or proteome of the worms, suggesting that posttranslational modifications might be responsible. Specifically, ET treatment increased levels of persulfidation (PSSH) in over 300 proteins, particularly those involved in mitochondrial function and cellular redox homeostasis. The study also identified Cystathionine γ-lyase (CSE) as a key enzyme that mediates the production of hydrogen sulfide (H₂S) from ET, enhancing its beneficial effects. ET was shown to bind to the active site of CSE, acting as an alternative substrate and facilitating increased H₂S production, which is known to improve resistance to oxidative stress. Overall, the findings suggest that ET enhances lifespan and healthspan in C. elegans through mechanisms involving protein persulfidation and H₂S production.
Discussion
The discussion section of the research paper elucidates the mechanisms underlying the beneficial effects of ethyl thiosulfate (ET) through a series of experiments conducted on C. elegans, mammalian cell lines, and rat models. The findings emphasize the critical role of cystathionine γ-lyase (CSE) in mediating ET’s effects, particularly its ability to produce hydrogen sulfide (H₂S), which is essential for metabolic resilience. The absence of CSE negates the protective benefits of ET, highlighting the importance of H₂S signaling in promoting longevity and healthspan. Notably, ET enhances protein persulfidation, a modification that protects cysteines from hyperoxidation and is linked to increased stress resistance.
Furthermore, the study reveals that ET’s beneficial effects are not solely attributable to its antioxidant properties but are significantly mediated through the persulfidation of cytosolic glycerol-3-phosphate dehydrogenase (cGPDH), which regulates NAD⁺/NADH homeostasis. This modification appears to enhance cGPDH activity, leading to increased NAD⁺ levels, which are crucial for cellular metabolism and longevity. The research suggests that ET may serve as a more effective agent than traditional NAD⁺ precursors, promoting muscle mass, vascularization, and overall physical endurance in aged models. These findings lay the groundwork for future investigations into ET’s therapeutic potential in age-related conditions and metabolic disorders, particularly through dietary sources that could augment ET intake.
Limitations
The study acknowledges several limitations regarding the efficacy of ET (a therapeutic agent) in enhancing healthspan in humans. Notably, the beneficial effects of ET may diminish in older individuals due to a decline in cystathionine γ-lyase (CSE) expression associated with aging. To address this, the authors suggest that combining ET with CSE expression activators could represent a viable therapeutic strategy. Additionally, the presence of genetic mutations in some individuals that lead to partial or complete inactivation of CSE may hinder the effectiveness of ET supplementation, limiting its potential benefits.
Moreover, the accumulation of ET within cells raises concerns about the risk of reaching a toxic threshold for hydrogen sulfide (H₂S) production, which is contingent upon both the quantity of ET consumed and the levels of CSE expression. These factors underscore the need for careful consideration of individual variability and dosage in future applications of ET for healthspan enhancement.