隨著全球人口老齡化加劇，理解衰老的本質并尋找延緩衰老的策略已成為生命科學領域的核心挑戰之一。衰老被定義為生物體生理完整性和功能的進行性喪失，是老年相關疾病的主要風險因素。近年研究表明，細胞衰老是機體衰老的一個明確標志，衰老細胞的積累在衰老進程中扮演著關鍵角色。有趣的是，衰老的進程與細胞代謝紊亂，特別是葡萄糖和脂質代謝的失調密切相關。然而，與葡萄糖和脂質代謝相比，我們對衰老細胞中氨基酸代謝狀態及其影響的了解要少得多，尤其是關于谷氨酰胺代謝在衰老和細胞衰老中的作用和影響，更是知之甚少。

谷氨酰胺是人體內最豐富的游離氨基酸，是許多生物體主要的碳源和氮源。它的分解代謝對于維持生命至關重要，其第一步由谷氨酰胺酶1（GLS1）催化，通常被稱為谷氨酰胺分解。這一過程將谷氨酰胺轉化為谷氨酸和銨離子，產物隨后進入支鏈代謝反應網絡。谷氨酰胺分解常被賦予抗氧化和抗衰老的潛力，這主要基于補充谷氨酰胺在提高體內谷胱甘肽（GSH）水平和緩解氧化應激方面的有益作用。然而，支持谷氨酰胺分解具有抗衰老潛力的證據并不足夠堅實。例如，反復的研究表明，在老年個體或患有衰老相關疾病的個體的衰老細胞和組織中，谷氨酰胺水平并未降低。此外，在老年背景下的人類和小鼠組織中，觀察到了谷氨酰胺分解增強及其下游代謝物（如谷氨酸、銨離子和α-酮戊二酸）水平升高。這些發現強烈表明，有必要從谷胱甘肽合成和三羧酸循環之外的視角，全面探索谷氨酰胺分解在衰老過程中的影響。

為了厘清谷氨酰胺分解與衰老之間錯綜復雜的關系，并探究其背后的分子機制，一組研究人員在《Signal Transduction and Targeted Therapy》上發表了一項深入研究。他們依次考察了衰老特異性狀態下谷氨酰胺分解代謝的狀態、谷氨酰胺及其分解在衰老進程中的作用，以及它們對精氨酸生物合成-mTORC1通路的影響。

研究人員綜合運用了多種關鍵技術方法來驗證其假設。在細胞水平，他們建立了過氧化氫（H₂2O₂）和阿霉素（ADR）誘導的應激性早衰模型，以及人成纖維細胞（hFB）的復制性衰老模型。在動物水平，他們利用了自然衰老的果蠅和小鼠，以及過氧化氫應激誘導的加速衰老果蠅模型。通過液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）平臺對細胞和水溶性代謝物進行了非靶向和靶向代謝組學分析。為了探究功能，他們采用了多種干預手段限制谷氨酰胺分解，包括低谷氨酰胺培養基培養、使用谷氨酰胺酶抑制劑（DON和CB-839）以及小干擾RNA（siRNA）敲低GLS1基因。在果蠅中，他們構建了GLS基因的RNA干擾（RNAi）敲低品系，并進行了壽命、攀爬能力、腸道通透性（Smurf表型）等分析。在小鼠中，他們使用了腺相關病毒9型（AAV9）介導的argi-nosuccinate lyase（ASL）基因敲低。此外，研究還運用了多種分子生物學技術，包括SA-β-gal衰老染色、蛋白質免疫印跡（Western Blot）檢測蛋白表達與磷酸化、實時定量聚合酶鏈式反應（RT-qPCR）檢測基因表達、免疫熒光檢測蛋白共定位、流式細胞術和TUNEL染色檢測細胞凋亡，以及基于RFP-GFP-LC3串聯蛋白的自噬流檢測。

通過代謝組學分析，研究人員發現在過氧化氫誘導的衰老細胞中，147種檢測到的代謝物里有88種上調，7種下調。值得注意的是，大多數α-氨基酸被上調。KEGG通路富集分析進一步強調了α-氨基酸代謝的重要性，排名前30的富集通路中有19條與氨基酸相關。在由這19條α-氨基酸相關通路中的74種代謝物構建的網絡中，谷氨酰胺是中心性最高的代謝物，揭示了衰老細胞中氨基酸代謝，特別是谷氨酰胺代謝發生了顯著改變。

研究證實，在三種不同的衰老細胞模型中，谷氨酰胺的消耗率均高于其增殖對應細胞。同時，谷氨酰胺酶1（GLS1）蛋白水平和總體GLS活性在衰老細胞中均上調。谷氨酰胺分解的直接產物谷氨酸和銨離子在衰老細胞中也顯著升高。這些發現證明了衰老細胞中谷氨酰胺分解上調，研究人員將這種代謝狀態定義為“高活性谷氨酰胺分解”。在自然衰老的果蠅、過氧化氫應激的果蠅以及27月齡老年小鼠的腎臟、脾臟和肌肉組織中，GLS活性也顯著高于年輕對照組。這些結果共同表明，高活性谷氨酰胺分解是從小鼠和人類衰老成纖維細胞到衰老果蠅和小鼠等多種衰老模型中保守的代謝狀態。

通過低谷氨酰胺培養基培養、使用GLS抑制劑（DON、CB-839）或敲低Gls1基因來限制谷氨酰胺分解，均能顯著降低衰老細胞中SA-β-gal陽性細胞的比例和p16蛋白的表達，并抑制衰老相關分泌表型（SASP）因子的表達。在果蠅中，敲低Gls基因（GLS-KD）可顯著延長其中位壽命和最大壽命，提高攀爬能力，減少Smurf表型，并降低炎癥因子egr（果蠅中Tnf的同源基因）的表達。同樣，在過氧化氫應激的果蠅中使用GLS抑制劑處理，也能改善其存活率和健康span指標。這些體內外實驗結果表明，限制谷氨酰胺分解對衰老和老化進程具有抑制作用。進一步研究發現，這種緩解作用主要依賴于其對衰老誘導過程的阻斷，而非促衰老細胞凋亡的“溶衰”效應。

mTORC1在衰老細胞中被已知為異常激活。研究發現，GLS抑制劑DON和siGls1能顯著降低衰老細胞中p70/S6K和4EBP1的磷酸化水平，并減少mTOR與溶酶體膜蛋白LAMP2的共定位，表明mTORC1活性降低。同時，這些處理增強了自噬流（表現為紅色LC3斑點增加和p62積累減少）。相反，高濃度谷氨酰胺補充能特異性誘導衰老細胞（而非增殖細胞）中p70/S6K磷酸化顯著增加。這些結果證明，衰老細胞中的高活性谷氨酰胺分解顯著促進了mTORC1的異常激活，而抑制谷氨酰胺分解則可降低mTORC1活性并增強下游自噬流。

為了解高活性谷氨酰胺分解連接mTORC1激活的分子級聯，研究人員進行了新一輪代謝組學分析，重點關注與谷氨酰胺分解-精氨酸生物合成軸相關的代謝物。他們發現，在衰老細胞中上調、且可被GLS抑制劑CB-839下調的代謝物中，包含精氨酸及其兩個前體物質——天冬氨酸和瓜氨酸。定量分析顯示，衰老細胞中精氨酸水平升高，并可被CB-839處理降低。同樣，在自然衰老和氧化應激的果蠅體內，精氨酸及其生物合成前體的水平也升高，而DON處理或敲低Gls基因可降低其水平。這些結果強調了高活性谷氨酰胺分解與精氨酸生物合成上調之間的內在聯系。

功能實驗證實，在谷氨酰胺分解被DON抑制的條件下，補充谷氨酸加氯化銨、天冬氨酸加瓜氨酸、或直接補充精氨酸，均可增強mTORC1的激活。相反，敲低精氨酸生物合成通路中的關鍵酶（GOT2、OTC、ASS1、ASL）則會抑制mTORC1活性。在老年小鼠的腎臟、脾臟和肌肉組織中，精氨酸水平更高，p70/S6K磷酸化水平也更高。通過AAV9介導在小鼠骨骼肌中敲低Asl基因，可有效降低組織內的精氨酸水平和p70/S6K磷酸化。這些體內外結果強調了谷氨酰胺分解驅動的精氨酸生物合成在mTORC1激活中的關鍵作用。

長期用高濃度的谷氨酰胺、谷氨酸加銨離子、天冬氨酸加瓜氨酸或精氨酸處理增殖細胞，可增加細胞的SA-β-gal染色和SASP表達，表明其促進了衰老。相反，敲低Asl基因可減少過氧化氫應激細胞中的衰老標記。在果蠅中，食物補充谷氨酰胺或精氨酸會縮短其壽命。這些發現證明，高活性谷氨酰胺分解提升的精氨酸生物合成對衰老進程至關重要。

CASTOR1是已知的精氨酸傳感器蛋白。研究發現，敲低CASTOR1可減弱DON和siGls1對mTORC1活性的抑制作用，并阻斷其改善自噬流和緩解衰老的能力。反之，過表達CASTOR1則能抑制谷氨酰胺補充誘導的p70/S6K磷酸化。這些結果表明，谷氨酰胺分解誘導的mTORC1激活是由精氨酸-CASTOR1級聯介導的。

本研究識別了衰老細胞一個新的代謝特征——高活性谷氨酰胺分解，并驗證了其對衰老發展的促進作用。研究進一步揭示，這種上調的谷氨酰胺分解代謝伴隨著精氨酸生物合成的增強、mTORC1的異常激活和自噬抑制。通過機制分析，研究人員證明這些事件通過一個特殊的分子級聯相聯系：該級聯從GLS活性升高開始，導致銨離子和谷氨酸生成增加，進而增強精氨酸生物合成；精氨酸隨后被CASTOR1感知，導致mTORC1激活和自噬受損，最終驅動衰老/老化發展。

這項工作的意義在于，它從全新的角度闡釋了失調的谷氨酰胺分解在衰老加速中的獨特作用和機制，并建立了一條與谷氨酰胺分解-精氨酸生物合成-mTORC1軸相關的新信號通路。傳統上，谷氨酰胺分解因支持谷胱甘肽合成和三羧酸循環而被認為具有抗氧化和抗衰老潛力。然而，本研究聚焦于其下游另一條通路——精氨酸生物合成，并將其與衰老的核心調控樞紐mTORC1的異常激活直接聯系起來，極大地擴展了我們對谷氨酰胺分解代謝影響的理解。此外，該研究為衰老細胞中持續性（異常）mTORC1激活的代謝根源提供了新的解釋，即高活性谷氨酰胺分解作為一個持續的代謝驅動刺激，通過提升精氨酸生物合成和持續抑制CASTOR1，導致了生長因子非依賴性的、持續的mTORC1激活。這些發現不僅豐富了我們對衰老進程的認識，也為旨在緩解衰老相關過程、識別新的干預靶點提供了有價值的見解。盡管谷氨酰胺的生物學必要性已知，但如何精確控制和利用谷氨酰胺分解以改善健康，仍需進一步研究。