原创 乐乐吖 梅斯学术 2023-02-17 20:10 发表于辽宁 体重控制不仅直接关系到人的外在形象，而且深刻且长远地影响着人体健康。改变营养摄入的质量或数量会改变基因表达和功能，而这些变化会进一步地影响健康状况。
即使热量摄入或饮食类型保持不变，限时进食也能够带来益处；而且在许多人类研究中，已经观察到了类似的健康好处。例如：改善血糖调节、运动能力、耐力、运动协调、睡眠、血压、肝脏甘油三酯、血脂、心脏功能和肠道健康，同时也有研究发现，限时进食可以降低肿瘤生长、癌症风险和神经退行性疾病严重程度。营养和进食干预可能会驱动多个组织内的反应，而多效性益处可能涉及组织间沟通。因此，了解这些干预措施在一整天时间内的整体影响是非常重要的。近日，来自美国的科学家发表了题目为“Diurnal transcriptome landscape of a multi-tissue response to time-restricted feeding in mammals”的研究论文，发现限时进食除了改善体重和心脏代谢健康指标，还深刻地影响基因表达。80%的基因在限时进食下表现出差异表达或节律性。时间限制饮食（time-restricted feeding, TRF）是一种新兴的行为营养干预策略，具有进食和禁食的饮食周期。已有研究表明，在动物和人类中，时间限制饮食在多个器官系统中都产生了多效性健康益处，但其中的分子基础尚不清楚。在本研究中，研究人员让小鼠接受等热量自由进食（ALF）或西方饮食的TRF，并在24小时内每2小时从22个器官和大脑区域采集的样本中检测基因表达变化，以便分析“TRF是如何影响基因表达”的。10周大的雄性C57BL/6J小鼠被圈养在18–21°C左右、湿度为40-60%的环境中，每天进行目视检查以确保动物的健康状况。小鼠生活环境为12小时光照:12小时黑暗循环。在前2周，所有小鼠可自由地进食常规食物；接着，被随机分配到自由进食组（ad libitum feeding, ALF）或限时进食组（TRF），每组开始时体重相等。小鼠按每笼4-5只分组饲养。从ZT13（Zeitgeber time 13）到ZT22，TRF组在黑暗活跃期有9小时可获得食物；TRF持续7周，每周监测食物摄入量和体重变化。最后，在24小时内每2小时处死每组2-3只小鼠，共收集了22个大脑区域和外周组织，并在解剖后1小时内快速冷冻。详情如下图：图注：展现TRF干预和样本收集的实验设置示意图，以及收集的22个组织列表。（来源：Deota, S., et al. 2023） 使用Thermo Scientific Infinity试剂测量甘油三酯和总胆固醇。通过ELISA对胰岛素和瘦素进行定量。使用Wako Diagnostics的Autokit 3-HB测量β-羟基丁酸。根据各个组织的标准化方法以及试剂说明书，从样品中提取总RNA。使用TruSeq Stranded mRNA试剂盒制备文库。对于大脑区域-杏仁核、弓状核等部位的组织，由于材料有限，将100 ng总RNA用于文库制备。最后，在Salk Institute的NGS核心设施或Novogene公司进行汇集并测序。使用FastQC 0.11.5版评估测序文库reads质量。使用STAR v2.5.3a将文库单独映射到mm10基因组。使用HOMER v4.10和mm10 UCSC基因组注释对所有外显子的基因表达水平进行量化。通过edgeR v3.26.7进行差异基因表达分析，使用Benjamini Hochberg方法对多个假设测试的差异表达结果进行校正。校正后设置p值≤0.05的FDR显著性阈值，以及logCPM>0的表达截止值。使用Network Analyst生成主成分分析（PCA）图。使用Morpheus从TMM标准化计数生成热图。使用R包uwot.对TMM标准化计数表按组织进行归一化（row scaled）。1,035个样本中的21,717个基因表达值作为UMAP的输入，生成4个成分。使用R包ClusterProfiler通过GO过度表达分析来识别聚类。为了识别大多数基因差异表达的较大聚类，对最大聚类内的基因进行了亚聚类和相似性识别。整体的分析流程如下图所示。图注：本研究中所执行不同分析的流程图。（来源：Deota, S., et al. 2023）使用R包Metacycle对每个组织的TMM标准化计数进行节律基因表达分析。meta2d_BH.Q值<0.05的转录物认为具有统计学意义。使用Metascape和WebGestaltR v0.3.1对基因本体生物学过程（GO BP）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路数据库进行功能注释。通过Benjamini–Hochberg调整了过度表达的显著性，控制错误发现率（false discovery rate）。使用Metascape生成通路和基因相互作用网络。使用PSEA识别注释通路的峰值阶段。使用g:Profiler将小鼠基因名称转换为人类直系同源名称。从分子特征数据库（MSigDB）下载更新的GO BP通路注释列表。用于RNA seq分析的肝组织样本送到Metabolon进行代谢产物分析。使用代谢产物集富集分析（MSEA）量化代谢产物的fold change和FDR。使用Metacycle包识别节律性代谢产物。使用Metaboanalyst进行了“时间序列+一个实验因素”分析。在至少一个组织中，近80%的基因在TRF下表现出差异表达或节律性。TRF诱导的进食-禁食周期，导致合成代谢和分解代谢基因的阶段整合，提高代谢灵活性，并导致多个组织中的营养代谢发生改变。这些变化的功能注释揭示了TRF的组织和通路特异性影响。1. TRF以组织特异性和多器官方式影响差异基因表达 2. TRF诱导全身基因表达和功能通路的节律性 3. TRF影响主要代谢器官的基因表达 4. TRF以组织特异性方式影响时钟基因表达 5. TRF通过差异代谢产物和节律代谢产物影响肝脏代谢 综上所述，TRF逆转了衰老的几个特征，从而降低了炎症水平、增加了自噬、改善了RNA和蛋白质稳态，从而增加了代谢通量。在小鼠中观察到的这些TRF影响，为未来的机制研究提供了关键基础，并有助于指导人类TRE干预措施，用于治疗各种疾病。此研究的局限性是转录组图谱仅为年轻的雄性小鼠，未来的研究还需分析性别和年龄对这些变化的影响。此外，进一步增加测序深度也可能会识别出受TRF差异影响的低表达基因。进行空间分辨率的单细胞转录组研究，还能进一步补充TRF转录组图谱，并确定细胞类型特异性的效应。参考来源： Deota, Shaunak, et al. "Diurnal transcriptome landscape of a multi-tissue response to time-restricted feeding in mammals." Cell Metabolism 35.1 (2023): 150-165. 授权转载等事宜请联系梅斯学术管理员 梅斯学术管理员微信：Wsp15190409831，备注学术转载
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