蜜蜂衰老研究新突破：D - 半乳糖诱导模型下肠道菌群与代谢的关键作用

《mSystems 5.0》：Honeybees fed D-galactose exhibit aging signs with changes in gut microbiota and metabolism

本文构建了蜜蜂 D - 半乳糖（D-galactose）诱导衰老模型，研究发现 D - 半乳糖处理使蜜蜂出现衰老特征，肠道菌群和代谢改变，丁酸钠（sodium butyrate）可缓解相关症状。该研究为衰老研究提供新模型，对理解衰老机制和抗衰策略意义重大。

　　### 引言
衰老过程涉及生理功能逐渐衰退，细胞和分子层面存在多种特征性变化，如基因组不稳定、端粒磨损等。胃肠道的微生物群落（即肠道菌群）在衰老进程中发挥重要作用，参与调节全身炎症、氧化应激等。

蜜蜂（Apis mellifera）是高度社会化昆虫，具有独特优势，适合用于肠道菌群研究和衰老机制探究。其基因组测序完成，且蜂王和工蜂虽基因组相同，但寿命差异巨大。D - 半乳糖在小鼠模型中可加速衰老，本研究用其构建蜜蜂衰老模型，以探究肠道菌群在衰老过程中的作用。

材料与方法

实验选取来自北京平谷同一蜂群的蜜蜂，无菌处理后分入常规（CV）组、D - 半乳糖处理（DG）组和丁酸钠干预（SB）组。实验前先为蜜蜂建立同步且标准化的肠道菌群环境，之后 CV 组喂食无菌花粉和蔗糖溶液，DG 组喂食含 10%（wt/vol）D - 半乳糖的蔗糖溶液，SB 组喂食含 10%（wt/vol）D - 半乳糖和 10 mM 丁酸钠的蔗糖溶液。实验第 15 天进行多项评估并收集组织样本。

通过记录蜜蜂死亡率构建生存曲线，进行饥饿抵抗试验评估营养应激能力。采用特定装置测试蜜蜂运动活性，基于嗅觉联想学习和记忆测试其学习和记忆能力。用试剂盒检测丙二醛（MDA）评估氧化应激水平，用 “Smurf” 试验评估肠道屏障完整性。此外，还进行组织样本采集、肠道苏木精 - 伊红染色、基因表达分析（RT-qPCR）、肠道 DNA 提取和 16S rRNA 测序、代谢组学分析以及丁酸浓度测定，并运用合适的统计方法处理数据。

结果

1. 寿命和抗饥饿能力：DG 组蜜蜂平均寿命显著缩短，在饥饿试验中，DG 组蜜蜂中位生存时间明显短于 CV 组，表明 D - 半乳糖加速蜜蜂衰老，损害其能量储存和抗营养应激能力。
2. 运动、学习和记忆能力：DG 组蜜蜂运动能力受损，穿越 50 cm 轨道时间更长；学习和记忆能力也受影响，学习测试中成功识别条件刺激的蜜蜂比例更低，记忆测试准确率也更低。
3. 体重和氧化应激：DG 组蜜蜂头部、胸部和腹部重量均低于 CV 组。在氧化应激方面，DG 组头部和胸部 MDA 水平显著升高，但腹部无明显差异，说明 D - 半乳糖诱导的氧化应激存在组织特异性。
4. 肠道屏障：“Smurf” 试验显示 DG 组蜜蜂肠道屏障功能受损，肠道通透性增加。组织学分析发现 DG 组蜜蜂中肠上皮结构改变，黏液减少，上皮变薄且完整性受损。
5. 肠道菌群：16S rRNA 测序表明，DG 组与 CV 组肠道菌群 β 多样性存在显著差异，DG 组中乳杆菌属（Lactobacillus）相对丰度增加，而克雷伯菌属（Klebsiella）减少，特定乳杆菌物种如 Lactobacillus helsingborgensis 和 Lactobacillus kimbladii 在 DG 组显著富集。
6. 肠道代谢物：DG 组与 CV 组肠道代谢谱差异显著，DG 组有 499 种代谢物上调，792 种下调，其中丁酸显著减少。代谢通路分析显示，上调代谢物集中在戊糖磷酸途径、鞘脂和甘油磷脂代谢途径，下调代谢物与鞘脂代谢、氨酰 - tRNA 和多种氨基酸合成途径相关。
7. 基因表达：DG 组中与免疫反应和应激相关的基因（如 Vg、Imd 和 MyD）表达上调，而与神经认知相关的基因（Arp1 和 EAG）表达下调。
8. 丁酸钠的作用：补充丁酸钠后，SB 组蜜蜂寿命延长，在饥饿试验中生存能力增强，学习能力提高，头部重量增加且氧化应激水平降低，表明丁酸钠可改善 D - 半乳糖诱导的衰老症状。

讨论

本研究利用蜜蜂构建了 D - 半乳糖诱导的衰老模型，发现 D - 半乳糖处理使蜜蜂出现多种衰老特征，包括寿命缩短、认知和运动功能受损、氧化应激增加以及肠道屏障完整性破坏等。

肠道菌群分析显示，D - 半乳糖处理导致肠道菌群组成改变，乳杆菌属富集，丁酸水平下降。这可能是因为 D - 半乳糖引发氧化应激，促使具有抗氧化和 D - 半乳糖代谢能力的乳杆菌增殖，但这类乳杆菌产丁酸能力有限，同时丁酸消耗增加，最终导致丁酸水平降低，而丁酸水平下降与衰老表型相关。

丁酸钠补充实验表明，丁酸钠能有效缓解 D - 半乳糖诱导的衰老症状，延长蜜蜂寿命，改善能量代谢、运动和认知功能，增强肠道屏障完整性。丁酸钠的这些作用可能通过多种机制实现，如激活 DAF-16/FOXO 信号通路、调节脂质代谢、激活 AMPK 介导的线粒体自噬途径、减轻神经炎症、促进 DNA 修复等。

不过，本研究存在一定局限性。蜜蜂与哺乳动物在进化上差异较大，研究结果难以直接应用于人类。未来还需更深入研究肠道菌群、丁酸代谢与衰老过程之间的复杂关系。

综上所述，本研究首次证明暴露于 D - 半乳糖的蜜蜂表现出衰老样行为，揭示了 D - 半乳糖对乳杆菌富集和丁酸减少的影响，丁酸钠部分逆转了 D - 半乳糖的作用，为衰老机制研究提供了新模型，未来蜜蜂可进一步用于通过调节肠道菌群、代谢物或其他活性物质来研究衰老机制和干预策略。