项目文章丨水蚤寿命决定中丙酮酸脱氢酶（PDH）的关键作用

2025年4月，华中农业大学水产学院团队在Nature Communications杂志在线发表了题为The role of pyruvate dehydrogenase in the lifespan determination of daphnids的研究论文，本研究以水蚤为对象，探究PDH（丙酮酸脱氢酶）在寿命决定中的作用，发现其通过调控代谢影响寿命，为代谢调控长寿研究提供新证据。万摩科技团队承担了本研究的测序和分析相关工作。

（1）用于寿命研究的两种蚤状溞

静止性的老年低额溞（Simocephalus vetulus）代谢率较低，而活跃的中华溞（Daphnia sinensis）代谢率虽高但寿命较短，二者是研究运动、代谢与寿命关系的理想材料。在形态上，老年低额溞的第二触角最外层游泳刚毛末端弯曲呈钩状，以便锚定水生植物；而中华溞的刚毛则布满细毛，以增强其游泳能力。从生活史来看，老年低额溞的平均寿命为53.4天，中华溞的平均寿命为44.4天。此外，老年低额溞的繁殖年龄更小，繁殖间隔更长，但每窝后代数和总繁殖能力较低。在行为与生理方面，老年低额溞的运动频率和活跃度较低，静止时间占比高达92.7%；而中华溞几乎持续游泳，其摄食率和耗氧量显著更高，显示出更高的代谢水平。这些显著差异为深入探究运动、代谢与寿命之间的关系提供了理想的实验模型。同时，本研究通过利用119.87 Gb的CLR数据和12.76 Gb的Hi-C数据，成功构建了老年低额溞的染色体级别基因组。该基因组的大小为144.98 Mb，Contig N50达到1.34 Mb。研究者进行了15个物种的系统发育树分析，结果显示中华溞与老年低额溞的共线性片段较多，亲缘关系较近，推测老年低额溞在大约2.379亿年前与其他水蚤类物种发生分化。

为探究老年低额溞与中华溞运动差异的原因，研究者对两者进行强制运动实验，检测发现强制运动6小时后，两者的ATP浓度均显著下降，但老年低额溞下降更明显（56.9%），且其乳酸水平显著升高，而中华溞的乳酸水平无显著变化，这些结果表明，是运动能力而非运动意愿导致了两者运动选择的差异。

（2）PDH（丙酮酸脱氢酶）调控寿命的机制研究

研究者通过代谢组学差异分析，鉴定出两种水蚤的153种差异代谢物，这些代谢物显著富集于糖代谢相关通路。具体而言，老年低额溞的丙酮酸和乳酸水平显著高于中华溞，而乙酰辅酶A和ATP水平则显著更低，这与PDH介导的丙酮酸氧化脱羧过程受阻的特征一致。进一步的序列与结构分析表明，老年低额溞的丙酮酸氧化脱羧过程可能存在损伤。

随后，研究者使用PDH间接抑制剂CPI-613和激动剂DCA进行实验。结果显示，DCA处理显著增强了老年低额溞的运动活力，而CPI-613处理则降低了中华溞的运动活力。同时，这些药物对PDH活性的影响最终体现在ATP含量上：DCA提高了老年低额溞的耗氧量（代谢率），并缩短了其寿命；CPI-613则降低了中华溞的耗氧量，并延长了其寿命。进一步的实验尝试敲除PDH基因，结果证实该酶对生存至关重要——缺失PDH的胚胎在30小时内全部死亡。

章鱼胺（Octopamine）作为无脊椎动物的重要神经递质，在协调其从静止状态过渡到活跃状态以及维持运动功能方面发挥着关键作用。本研究发现，中华溞体内的章鱼胺水平显著高于老年低额溞。实验结果表明，章鱼胺能够以剂量依赖的方式显著诱导这两种水蚤的运动。具体而言，1μM的章鱼胺可以刺激PDH活性，增加ATP含量，并提高耗氧量。然而，长期使用1μM章鱼胺处理则会明显缩短水蚤的寿命。当章鱼胺与PDH抑制剂CPI-613共同处理时，CPI-613抵消了章鱼胺对PDH活性的增强作用，章鱼胺也不再能缩短水蚤的寿命。这一发现进一步证实，章鱼胺是通过影响PDH活性来调控水蚤的运动能力和寿命。

（3）PDH参与温度对水蚤寿命的调控机制研究

研究发现，温度是影响水蚤寿命的关键环境因素。老年低额溞与中华溞在35℃的高温环境中寿命显著缩短，而在15℃的低温环境中寿命则延长。此外，两者体内的章鱼胺水平随温度升高而增加，这与章鱼胺和温度对寿命的影响趋势相吻合。同时，两种水蚤的丙酮酸脱氢酶（PDH）活性、三磷酸腺苷（ATP）含量及运动能力均随温度升高而增强，这与章鱼胺的作用类似。

当使用PDH激动剂DCA逆转低温对PDH活性的抑制后，低温延长寿命的效应也随之减弱。这表明，PDH活性在温度调控水蚤寿命的过程中起着至关重要的作用，而非仅仅是热力学效应的结果。