基于秀丽隐杆线虫模型的鱼鳔结构蛋白肽抗衰老机制研究进展

王冰洋1,郑希琪2,段蕊1 *,朱莫池2,袁新建2

(1. 江苏海洋大学 海洋科学与水产学院,江苏 连云港 222005;2. 江苏海洋大学 海洋食品与生物工程学院,江苏 连云港 222005)

摘 要:鱼鳔作为水产加工的重要副产物,富含胶原蛋白和弹性蛋白等结构蛋白,其酶解产物具有显著的抗衰老活性。秀丽隐杆线虫因其遗传背景清晰、生命周期短、衰老通路高度保守等优势,成为研究鱼鳔结构蛋白肽抗衰老机制的理想模型。该文系统综述鱼鳔胶原蛋白肽和弹性蛋白肽的提取工艺、结构特点,归纳二者在秀丽隐杆线虫模型中抗衰老作用的主要研究进展,阐述其在氧化应激调控、线粒体功能稳态维持、蛋白质稳态调节及衰老相关信号通路中的潜在作用,并比较二者可能涉及的生物学过程与作用特点。最后,结合现有研究结果讨论该领域面临的主要问题及未来研究方向,以期为鱼鳔结构蛋白肽在抗衰老功能食品开发及相关领域中的进一步研究与应用提供理论参考。

关键词:秀丽隐杆线虫;鱼鳔;胶原蛋白肽;弹性蛋白肽;抗衰老机制

鱼鳔(俗称花胶)是鱼类调节浮力的重要器官,同时也是水产加工过程中产生的典型副产物之一,在我国长期被用于食品和传统滋补制品中[1]。随着水产品加工向精细化方向发展,鱼糜及相关制品的产量持续增加,鱼头、鱼骨、鱼鳞、内脏以及鱼鳔等副产物的产生量随之显著上升,其总量在原料鱼体质量中所占比例较高[2]。在此背景下,如何对水产副产物进行有效利用,已成为水产资源可持续开发过程中亟需关注的问题[3]。

从成分构成来看,鱼鳔中以胶原蛋白和弹性蛋白等结构蛋白为主,其中胶原蛋白含量可占干重的 60%~80%,弹性蛋白占15%~25%[1]。相关研究表明,经酶解获得的低分子量蛋白肽在消化吸收特性方面具有一定优势,在抗氧化、抗炎、免疫调节及抗衰老等方面表现出潜在生物活性[4-5]。与直接食用鱼鳔制品相比,将其结构蛋白转化为功能性肽段,更有利于提高生物利用度及功能稳定性[6]。随着人口老龄化进程加快以及功能食品需求的不断增长,来源明确、安全性较高的天然抗衰老活性物质逐渐受到关注[7],在此背景下,鱼鳔结构蛋白肽因兼具资源可持续性和功能多样性,被认为具有较好的开发潜力[6]。

抗衰老活性的科学评价有赖于合适的实验模型[8]。秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)因生命周期较短、遗传背景清晰且衰老调控通路高度保守,被广泛用于寿命及健康寿命相关研究[9]。已有研究显示,秀丽隐杆线虫中的胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路(insulin/insulin-like growth factor 1 signaling pathway,IIS)、雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)通路以及氧化应激响应通路等关键调控网络,与哺乳动物中相应通路在功能上具有较高的一致性[10-11]。线虫异常形成蛋白2/线虫异常形成蛋白16(abnormal dauer formation 2/abnormal dauer formation 16,DAF-2/DAF-16)信号轴在调控线虫寿命和应激耐受性方面发挥核心作用,其功能特征与哺乳动物中的胰岛素样生长因子-1/叉头框蛋白 O(insulin-like growth factor 1/forkhead box protein O,IGF-1/FOXO)通路具有较高相似性[12]。此外,线虫体壁透明,便于在体条件下观察衰老相关表型变化,成熟的RNA干扰(ribonucleic acid interference,RNAi)和成簇规律间隔短回文重复序列/CRISPR关联蛋白9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein 9,CRISPR/Cas9)技术为基因功能研究提供了可靠工具[8],使其成为天然活性物质抗衰老作用筛选和机制研究中常用的模式生物之一[7]。

近年来,围绕秀丽隐杆线虫模型开展的鱼鳔结构蛋白肽抗衰老研究逐渐增多[6]。已有研究报道,部分鱼鳔来源的胶原蛋白肽能够延长线虫寿命,并改善其运动能力和氧化应激耐受性[13-14];相比之下,关于鱼鳔弹性蛋白肽的研究相对较少,但来自哺乳动物细胞和其他模式生物的研究结果提示,其在抗氧化和组织稳态维持方面可能具有一定作用[15]。总体来看,现有研究在机制系统性整合和跨物种验证方面仍存在不足[16]。

本文综述鱼鳔胶原蛋白肽和弹性蛋白肽的提取特性、结构特点及在秀丽隐杆线虫模型中的抗衰老作用,重点梳理其可能涉及的信号通路和生物学过程,并结合现有研究结果讨论该领域面临的主要问题及未来研究方向,以期为鱼鳔结构蛋白肽在抗衰老功能食品及相关领域中的进一步研究与应用提供理论参考。

1 鱼鳔结构蛋白肽的提取与结构特性

鱼鳔结构蛋白肽主要包括胶原蛋白肽和弹性蛋白肽,其生物活性与原料来源、提取工艺以及肽段的结构特征密切相关[6]。已有研究指出,随着酶工程技术及分离纯化手段的不断完善,鱼鳔结构蛋白肽的制备方法逐步得到优化,为其功能研究和应用开发提供必要的技术基础[4]。

1.1 胶原蛋白肽的提取与结构特性

目前鱼鳔胶原蛋白的提取主要采用酸溶法、酶解法以及物理辅助提取等技术路线[2]。其中,酸溶法多通过乙酸或柠檬酸破坏胶原纤维中的非共价相互作用,使胶原蛋白溶出,但该过程在一定程度上可能对胶原三螺旋结构的完整性造成影响[1]。相比之下,酶解法由于反应条件相对温和且作用位点具有一定选择性,逐渐成为制备鱼鳔胶原蛋白肽的主要方法[4]。在酶解过程中,胰蛋白酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶等均被用于胶原蛋白的水解[5]。其中,胰蛋白酶对富含甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸(glycine-proline-hydroxyproline,Gly-Pro-Hyp)特征序列的胶原蛋白具有较高的切割效率,更有利于释放低分子量的活性肽段[13]。现有研究表明,采用酶解-膜分离相结合的工艺,可使胶原蛋白肽的分子量主要集中在1~3 kDa范围内,而该分子量区间的肽段通常在抗氧化和抗衰老评价中表现出较好的活性[14]。

为进一步提高提取效率并减少结构破坏,以超声辅助提取技术为代表的物理辅助方法逐渐被引入鱼鳔胶原蛋白肽的制备过程[6]。超声波产生的空化效应可在一定程度上破坏胶原与弹性蛋白之间的交联结构,从而缩短提取时间[2]。相关研究显示,在适宜条件下引入超声辅助酶解工艺,不仅有助于提高胶原蛋白肽的得率,还可能对其抗氧化性能产生积极影响[4]。

在结构特性方面,鱼鳔胶原蛋白肽通常富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸等氨基酸残基,并呈现典型的Gly-X-Y重复序列特征[1]。傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析结果显示,鱼鳔来源胶原蛋白肽在酶解后仍可观察到明显的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带特征峰,提示其仍保留一定程度的有序结构[13]。进一步的质谱分析结果表明,部分特定序列的胶原蛋白肽在抗氧化和延缓衰老方面具有潜在优势[14]。

此外,不同鱼种来源的鱼鳔胶原蛋白肽在热稳定性方面存在一定差异,其热变性温度的变化可能与胶原蛋白α链组成及交联程度有关[2]。原子力显微镜观察结果显示,部分鱼鳔胶原蛋白在较长时间储存条件下仍可保持相对完整的三螺旋微观结构,为其作为功能性原料的稳定性提供了结构层面的支持[6]。

1.2 弹性蛋白肽的提取与结构特性

与胶原蛋白相比,弹性蛋白具有交联程度高、疏水性较强等结构特点,使其提取和水解过程相对复杂[15]。目前,鱼鳔弹性蛋白肽的制备多依赖弹性蛋白酶或复合蛋白酶的定向水解,通过调控酶解条件释放具有潜在生物活性的肽段[5]。

研究表明,合理选择酶种并优化酶解参数,可显著提高鱼鳔弹性蛋白肽的释放效率[4]。近年来,复合酶协同水解策略逐渐受到关注,通过不同酶切位点间的互补作用,可在提高肽段得率的同时,更好保留与弹性蛋白功能相关的核心氨基酸序列[15]。例如,富含缬氨酸-脯氨酸-甘氨酸-缬氨酸-甘氨酸(valine-proline-glycine-valine-glycine,VPGVG)重复序列的弹性蛋白肽,被认为是赋予其生物功能的重要结构单元。从结构特性来看,弹性蛋白肽通常具有较强的构象柔性,其分子结构中甘氨酸和疏水性氨基酸残基含量较高,使肽链能在不同构象间发生动态转变[5]。这种结构特征有助于弹性蛋白肽在生物体系中适应不同微环境,并参与多种生理过程[15]。红外光谱及微观结构分析结果表明,弹性蛋白肽以无规卷曲和β-构象为主的结构特征,与其弹性特性及抗应激功能密切相关[5]。此外,疏水性氨基酸残基在弹性蛋白肽中的分布被认为是其抗氧化活性的重要结构基础。疏水相互作用可能促进肽链之间的动态结合,在一定程度上增强其对活性氧的清除能力,这也为弹性蛋白肽在抗衰老研究中的应用提供了结构层面的解释[4]。

1.3 不同鱼种鱼鳔结构蛋白肽的比较

不同鱼种鱼鳔结构蛋白肽的结构与活性特性比较见表1。

表1 不同鱼种鱼鳔结构蛋白肽的结构与活性特性比较
Table 1 Comparison of structural and activity properties of swim bladder protein peptides across species

分子量/热稳活性氧线虫寿命参考鱼种蛋白类型特征序列kDa定性/℃清除率/%延长率/%文献鲟鱼胶原蛋白GFPGADGSAGPK(Gly-Phe-Pro-Gly-Ala-Asp-Gly-Ser-Ala-Gly-Pro-Lys)0.5~1.0366522.6[13]鳕鱼胶原蛋白GFOGEGER(Gly-Phe-Hyp-Gly-Glu-Gly-Glu-Arg)1.0~3.0325813.2[14]大西洋鲑弹性蛋白VPGVG(Val-Pro- Gly-Val -Gly)3.0~5.02872-[17]黄鳍金枪鱼弹性蛋白VPG(Val-Pro-Gly)<1.02572-[15]

注:-表示目前尚未在秀丽隐杆线虫模型中报道相关数据;不同抗氧化指标来源于不同体外评价体系。

由表1可以看出,鱼鳔结构蛋白肽的组成特征及生物活性受鱼种差异、提取工艺以及肽段结构等多种因素共同影响[6]。研究显示,不同鱼种来源的胶原蛋白肽和弹性蛋白肽在分子量分布、热稳定性以及抗氧化能力等方面均存在一定差异[2],这些差异可能进一步影响其抗衰老效果。部分研究报道,特定鱼种来源的胶原蛋白肽能显著延长秀丽隐杆线虫的寿命,并改善其健康相关表型,该效应可能与其特定氨基酸序列组成及较高的结构稳定性有关[13-14]。

相比之下,弹性蛋白肽在体外抗氧化评价中普遍表现出较强的自由基清除能力,但其在线虫模型中对寿命延长的直接作用仍缺乏系统研究[15]。总体来看,不同鱼种鱼鳔结构蛋白肽在抗衰老活性方面各具特点,有必要从结构-功能关系的角度开展更系统的比较研究,为后续功能肽的筛选和应用提供理论参考。

2 秀丽隐杆线虫作为抗衰老研究模型的适用性

秀丽隐杆线虫与其他模式生物在抗衰老研究中的特性比较见表2。

表2 秀丽隐杆线虫与其他模式生物在抗衰老研究中的特性比较
Table2 Comparison of characteristics of Caenorhabditis elegans and other model organisms in anti-aging studies

平均通量细胞外基观测转化医参考实验模型遗传操作衰老通路保守性成本伦理限制寿命筛选质适用性级别学价值文献秀丽隐杆线虫约3周高效(RNAi/CRISPR)高(IIS、mTOR、Nrf2)极高高极低无脊椎动物,限制少高中等[8,19-21]果蝇2~3 个月中等高(IIS、mTOR等保守)中等中等中等无脊椎动物,限制少中等中等[22-23]斑马鱼3~5年中等高(IIS、mTOR)高中等中等脊椎动物,需伦理审批高中等[24]小鼠2~3年复杂高(IIS、mTOR、Sirtuins)低高极高脊椎动物,严格伦理审批低极高[25]

注:Nrf2为核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2);Sirtuins为沉默信息调节因子。

在抗衰老研究中,实验模型的合理选择是评价活性物质生物学效应及解析其作用机制的关键环节[9]。如表2所示,秀丽隐杆线虫作为经典模式生物,因生命周期短、遗传背景清晰且衰老调控通路具有较高的进化保守性,已被广泛应用于天然活性物质的筛选及抗衰老机制研究[7]。近年来,随着海洋来源功能成分研究的不断深入,秀丽隐杆线虫逐渐成为鱼源活性肽抗衰老研究中常用的实验模型之一[18]。

2.1 秀丽隐杆线虫在抗衰老研究中的主要优势

秀丽隐杆线虫的平均寿命约为2~3 周,可在较短实验周期内完成寿命和健康寿命相关指标的评价,从而显著提高抗衰老活性筛选的研究效率[21]。与果蝇、斑马鱼及小鼠等常用模式生物相比,线虫培养条件相对简单、实验成本较低,且不涉及严格的动物伦理审批,更适于开展大规模筛选研究[8]。

在遗传操作方面,RNA 干扰(RNAi)和 CRISPR/Cas9 基因编辑技术已在线虫中得到广泛应用,可实现对特定基因的高效敲降或敲除,为衰老相关信号通路的功能研究提供了重要技术支撑[23]。此外,线虫基因组已完成系统注释,研究表明,超过60%的人类疾病相关基因在线虫中存在功能同源物,这为探索衰老调控机制的进化保守性奠定了基础[9]。从信号通路层面来看,胰岛素/IGF-1 信号通路(IIS)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路以及氧化应激应答通路等多条核心衰老调控网络在线虫中均高度保守[11]。其中,DAF-2/DAF-16信号轴在调控寿命、应激耐受性及代谢稳态方面发挥核心作用,其功能特征与哺乳动物中的IGF-1/FOXO信号通路具有较高相似性[10,26]。这种通路层面的保守性,使秀丽隐杆线虫成为解析抗衰老活性物质分子机制的重要工具。

2.2 表型观察与高通量筛选优势

秀丽隐杆线虫体壁透明,便于在体条件下直接观察衰老相关表型变化,如脂褐素积累、运动能力衰退、生殖能力变化及应激响应等[19]。结合荧光报告基因技术,可对线虫异常形成蛋白16(abnormal dauer formation 16,DAF-16)、SKN-1转录因子(skinhead-1 transcription factor,SKN-1)等关键转录因子的亚细胞定位及其下游靶基因的表达变化进行动态监测,从而实现对抗衰老效应的快速评价[27]。此外,线虫可在液体或固体培养体系中进行规模化培养,并与多孔板实验平台相结合,开展高通量筛选研究[7]。对于天然产物及生物活性肽的初步功能评价尤为重要,有助于在较短时间内从复杂样品体系中筛选出具有潜在抗衰老活性的候选物质[18]。

2.3 秀丽隐杆线虫模型的局限性与适用边界

尽管秀丽隐杆线虫在抗衰老研究中具有多方面优势,但其作为无脊椎动物模型,仍存在一定的适用局限[9]。首先,线虫体内缺乏高度分化的器官系统和复杂的免疫调控网络,其代谢及内分泌调控方式与哺乳动物存在明显差异,因此在线虫中观察到的抗衰老效应并不一定能够完全外推至高等动物[8]。其次,细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的组成及其调控方式在不同物种间存在显著差异。部分与弹性蛋白功能相关的受体及信号分子在哺乳动物中具有明确作用,但在线虫基因组中缺乏清晰的直系同源物,这在一定程度上限制了弹性蛋白肽相关机制的直接验证[9]。此外,活性肽在体内的吸收、分布和代谢过程在线虫与哺乳动物之间亦存在差异,进一步增加了研究结果跨物种转化的不确定性[7]。因此,在利用秀丽隐杆线虫模型开展抗衰老研究时,有必要充分认识其优势与适用边界。总体而言,线虫模型更适合作为抗衰老活性物质的初步筛选平台和机制探索工具,而其研究结论仍需结合脊椎动物模型及临床研究加以验证,以提高结果的科学性和应用价值。

2.4 秀丽隐杆线虫在鱼鳔结构蛋白肽研究中的应用意义

秀丽隐杆线虫在鱼鳔结构蛋白肽抗衰老研究中具有明显优势。其高度保守的衰老调控通路为解析鱼鳔胶原蛋白肽和弹性蛋白肽的分子作用机制提供了合适的研究平台[11];此外,其高通量筛选特性有助于对不同鱼种、不同结构肽段的抗衰老潜力进行快速比较[7]。针对鱼鳔结构蛋白肽的抗衰老研究,在模型选择上仍应进行合理分层。即在线虫模型中完成初步功能筛选和机制假设构建的基础上,进一步结合斑马鱼、小鼠等脊椎动物模型对关键作用机制进行验证,从而推动鱼鳔结构蛋白肽抗衰老研究向更高层次发展。

3 鱼鳔结构蛋白肽在秀丽隐杆线虫中的抗衰老作用机制

衰老是由多种信号通路和生物学过程共同调控的复杂生命现象。在秀丽隐杆线虫中,寿命调控主要涉及胰岛素/IGF-1 信号通路(IIS)、氧化应激响应、线粒体功能稳态、自噬及蛋白质稳态等多个高度保守的调控网络[11]。近年来研究表明,鱼鳔来源的胶原蛋白肽和弹性蛋白肽可在一定程度上延长线虫寿命并改善其健康相关表型,其抗衰老效应可能通过多条信号通路的协同调控实现[13-14]。

3.1 胶原蛋白肽的抗衰老作用机制

鱼鳔胶原蛋白肽在秀丽隐杆线虫中的抗衰老信号通路如图1所示。

图1 鱼鳔胶原蛋白肽在秀丽隐杆线虫中的抗衰老信号通路
Fig.1 Anti-aging signaling pathways of swim bladder collagen peptides in Caenorhabditis elegans

3.1.1 调控胰岛素/IGF-1 信号通路(IIS)

由图1可知,胰岛素/IGF-1 信号通路是秀丽隐杆线虫寿命调控的核心通路之一[10],其中 DAF-2 受体及其下游转录因子DAF-16在应激耐受性和寿命延长过程中发挥关键作用[28]。研究表明,部分鱼鳔胶原蛋白肽可促进 DAF-16 向细胞核转位,并上调其下游抗氧化和应激相关基因的表达,从而增强线虫的抗逆能力并延缓衰老进程[13]。目前关于胶原蛋白肽调控IIS通路主要来源于DAF-16 亚细胞定位变化及其靶基因表达水平的检测[26]。是否通过直接作用于DAF-2受体或上游信号分子仍缺乏明确证据,现阶段更倾向于认为胶原蛋白肽通过改善整体细胞应激状态,间接影响IIS通路活性。

3.1.2 缓解氧化应激并激活内源性抗氧化防御体系

氧化应激被认为是驱动衰老进程的重要因素之一。图1显示,鱼鳔胶原蛋白肽处理可降低线虫体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,显著提高其在氧化应激条件下的存活能力[29-30]。同时,多项研究观察到胶原蛋白肽干预后,线虫体内抗氧化相关酶活性增强,提示其可能通过激活内源性抗氧化防御体系发挥抗衰老作用[31]。在分子机制层面,已有研究指出胶原蛋白肽可能通过调控 SKN-1/Nrf2 信号通路,促进谷胱甘肽代谢及解毒相关酶的表达[32]。该作用机制在秀丽隐杆线虫中的直接分子证据仍相对有限,尚需结合突变株分析和靶基因功能验证进一步加以确认。

3.1.3 维持线粒体功能稳态

线粒体功能障碍被视为衰老的重要特征之一。图1表明,鱼鳔胶原蛋白肽可在一定程度上改善线虫线粒体膜电位,降低线粒体相关 ROS 的生成,并维持能量代谢稳态[33],这可能有助于延缓由线粒体功能衰退所引发的衰老进程。部分研究进一步推测,胶原蛋白肽可能通过激活线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),增强线粒体蛋白折叠能力及质量控制水平[34]。然而,目前相关研究多停留在表型变化和间接指标层面,其具体分子调控机制仍有待进一步系统阐明。

3.2 弹性蛋白肽的抗衰老作用机制

鱼鳔弹性蛋白肽在秀丽隐杆线虫中的抗衰老信号通路如图2所示。

图2 鱼鳔弹性蛋白肽在秀丽隐杆线虫中的抗衰老信号通路
Fig.2 Anti-aging signaling pathways of swim bladder elastin peptides in Caenorhabditis elegans

3.2.1 清除活性氧并缓解氧化损伤

由图2可知,与胶原蛋白肽相比,弹性蛋白肽由于富含疏水性氨基酸残基,通常表现出较强的自由基清除能力[15,35]。有研究表明,弹性蛋白肽可显著降低线虫体内ROS水平,并提高其在氧化应激条件下的存活率,该作用被认为是其抗衰老效应的重要基础。但目前弹性蛋白肽在线虫模型中的研究数量相对有限,其抗氧化作用机制在一定程度上仍参考哺乳动物细胞或其他模式生物的研究结果[35],其在线虫体系中的直接作用靶点和信号通路仍需进一步明确。

3.2.2 可能参与调控自噬和蛋白质稳态

蛋白质稳态失衡是衰老过程中常见的生理变化之一。部分研究提示,弹性蛋白肽可能通过调节自噬相关通路,促进受损蛋白质及细胞器的清除,从而延缓衰老相关表型的出现[36]。在哺乳动物细胞模型中,弹性蛋白肽被报道可影响AMPK-mTOR信号轴,进而调控细胞自噬水平[37]。但在秀丽隐杆线虫中,相关研究仍主要停留在推测阶段。虽然线虫中 AMPK 同源物5′-腺苷-磷酸(5′-adenosine monophosphate,5′-AMP)活化蛋白激酶 α-2 催化亚基及mTOR通路在寿命调控中具有重要作用[38],但弹性蛋白肽是否通过该通路发挥抗衰老效应,目前尚缺乏直接实验证据。

3.2.3 通过细胞外基质相关途径影响组织稳态的可能性

弹性蛋白是细胞外基质的重要组成成分,其降解产物在调节组织弹性和细胞行为方面具有潜在生物学功能[39]。尽管秀丽隐杆线虫的细胞外基质组成与哺乳动物存在显著差异,但已有研究推测,弹性蛋白肽可能通过影响细胞-基质相互作用,在一定程度上参与组织稳态的维持[15]。线虫中缺乏部分弹性蛋白相关受体的直系同源物,该作用机制仍需结合跨物种研究加以验证,更适合将该途径视为潜在研究方向,而非已明确的抗衰老机制。

3.3 胶原蛋白肽与弹性蛋白肽抗衰老机制的比较与整合

综合现有研究可以看出,鱼鳔胶原蛋白肽和弹性蛋白肽在抗衰老作用机制上既具有一定共性,也存在明显差异。胶原蛋白肽的研究证据相对较为充分,其抗衰老效应主要体现在 IIS 通路调控、抗氧化防御增强以及线粒体功能稳态维持等方面[14];而弹性蛋白肽则更多表现为抗氧化作用及潜在的蛋白质稳态调控效应,其分子机制仍有待进一步深入研究[15]。鱼鳔结构蛋白肽的抗衰老作用并非依赖单一信号通路,而可能通过多条调控网络的协同作用实现。这种多靶点、弱调控的作用模式,也符合天然活性物质发挥生物学效应的一般特征。

4 讨论与展望

随着水产副产物高值化利用研究的不断深入,鱼鳔作为富含胶原蛋白和弹性蛋白的重要生物资源,其功能潜力逐渐受到重视[3,6]。近年来,基于秀丽隐杆线虫模型的研究结果表明,鱼鳔结构蛋白肽在延缓衰老进程、改善机体健康状态等方面具有一定的生物学效应,为其在功能食品及相关领域中的应用提供了实验依据[13]。然而,从整体研究现状来看,该领域仍处于发展初期,在研究深度、机制系统性以及成果转化方面仍存在诸多亟待解决的问题。

4.1 现有研究的主要进展与不足

从研究进展来看,鱼鳔胶原蛋白肽的抗衰老作用证据相对较为充分。多项研究表明,其在秀丽隐杆线虫中可延长寿命、增强抗氧化能力、改善运动能力等健康相关表型[30]。相关研究初步揭示了其可能涉及胰岛素/IGF-1 信号通路、氧化应激响应以及线粒体功能稳态等关键衰老调控网络[31,33]。相比之下,关于鱼鳔弹性蛋白肽的研究仍相对有限。现有研究多集中于其抗氧化活性及对氧化损伤的缓解作用,而对其在秀丽隐杆线虫模型中寿命调控作用及分子机制的系统研究仍明显不足[35]。

在研究方法方面,现有研究普遍依赖单一模型或有限的表型指标,机制解析多基于基因表达变化或表型观察结果,缺乏多层级证据之间的交叉验证[7]。此外,不同研究在原料来源、酶解工艺、肽段分离方法及剂量设置等方面存在较大差异,导致研究结果的可比性和可重复性有待进一步提高[6,40]。

4.2 活性肽结构与功能关系研究的必要性

活性肽的生物学功能与其氨基酸组成、序列特征及空间构象密切相关[41-42]。目前,多数研究仍主要关注鱼鳔结构蛋白肽的整体生物活性,而对具体功能肽段的筛选及其结构与功能关系的系统分析仍显不足[43-44]。尽管部分研究已借助质谱分析鉴定出具有潜在生物活性的低分子量肽段,但其在抗衰老过程中的关键序列特征及作用方式尚未得到明确阐释[14,18]。未来研究有必要结合高分辨质谱、分子对接及多组学分析手段,从分子层面系统解析鱼鳔结构蛋白肽的构效关系,为功能肽的精准设计和开发提供理论依据[41,45]。

4.3 秀丽隐杆线虫模型的应用价值与局限性

秀丽隐杆线虫作为抗衰老研究模型,在活性筛选和机制探索方面具有不可替代的优势[7,11]。然而,其作为无脊椎动物模型,所得研究结论仍需在解读时保持谨慎,特别是在涉及复杂组织结构和细胞外基质调控的研究中[9]。在弹性蛋白肽相关研究中,部分关键受体及信号分子在秀丽隐杆线虫中缺乏明确的直系同源物,这在一定程度上限制了相关作用机制的直接验证[9,15]。因此,未来研究应更加注重模型的分层应用,即以线虫模型作为初步筛选和机制假设构建平台,在此基础上,进一步结合斑马鱼、小鼠等脊椎动物模型,对关键机制进行验证,以提高研究结论的科学性和转化潜力[24-25]。

4.4 鱼鳔结构蛋白肽在功能食品领域的应用前景

从应用角度来看,鱼鳔结构蛋白肽具有来源安全、营养价值高及生物活性多样等优势,在抗衰老功能食品和营养补充剂领域具有良好的开发前景[16,18]。其实际应用仍面临生物利用度、产品稳定性及功效评价标准尚未统一等问题[46]。未来研究应在明确作用机制的基础上,加强对鱼鳔结构蛋白肽消化吸收特性及体内代谢行为的研究,同时结合标准化生产工艺和科学的功效评价体系,推动其从实验研究向产业化应用转化[3,40]。

4.5 未来研究方向与展望

综合现有研究成果,鱼鳔结构蛋白肽在抗衰老领域仍具有广阔的发展空间。未来研究可重点利用系统筛选并鉴定具有明确抗衰老活性的关键肽段,深入阐明其结构功能关系[41,43];结合多模型验证策略,完善其作用机制的跨物种证据链[7,24-25];探索鱼鳔结构蛋白肽与其他功能因子的协同作用,为复合型功能食品的开发提供新的研究思路[46]。随着研究方法的不断完善和理论体系的逐步成熟,鱼鳔结构蛋白肽有望成为海洋生物资源高值化利用及抗衰老功能食品研发中的重要研究方向。

5 结语

综上所述,鱼鳔作为水产加工副产物,因富含胶原蛋白和弹性蛋白,在结构蛋白肽资源开发方面具有显著优势。现有研究表明,鱼鳔胶原蛋白肽和弹性蛋白肽在秀丽隐杆线虫模型中可通过调控胰岛素/IGF-1 信号通路、缓解氧化应激、维持线粒体功能稳态及影响蛋白质稳态等多种途径,在一定程度上发挥抗衰老作用。其中,胶原蛋白肽的研究证据相对较为充分,而弹性蛋白肽的作用机制仍有待进一步系统阐明。

需要指出的是,当前相关研究在肽段构效关系解析、机制证据完整性及跨物种验证方面仍存在不足。未来研究应在充分发挥秀丽隐杆线虫模型筛选与机制探索优势的基础上,结合脊椎动物模型和多组学手段,进一步明确鱼鳔结构蛋白肽的关键功能序列及其分子作用机制。总体来看,鱼鳔结构蛋白肽在抗衰老功能食品及海洋生物资源高值化利用领域具有良好的研究前景和应用潜力。

参考文献:

[1] LAN X R, LUO M D, LI M L, et al. Swim bladder-derived biomaterials: Structures, compositions, properties, modifications, and biomedical applications[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22(1):186.

[2] YUAN Z Y, YE X Q, HOU Z Q, et al. Sustainable utilization of proteins from fish processing by-products: Extraction, biological activities and applications[J]. Trends in Food Science & Technology,2024, 143: 104276.

[3] AKHILA D S, ASHWATH P, MANJUNATHA K G, et al. Seafood processing waste as a source of functional components: Extraction and applications for various food and non-food systems[J]. Trends in Food Science & Technology, 2024, 145: 104348.

[4] HARNEDY P A, FITZGERALD R J. Bioactive peptides from marine processing waste and shellfish: A review[J]. Journal of Functional Foods, 2012, 4(1): 6-24.

[5] GÓMEZ-GUILLÉN M C, GIMÉNEZ B, LÓPEZ-CABALLERO M E, et al. Functional and bioactive properties of collagen and gelatin from alternative sources: A review[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 25(8): 1813-1827.

[6] YU H, MUBANGO E, WU K F, et al. Unraveling the potential of blue foods: A comprehensive review on the extraction, bioactive properties, and applications of proteins and biopeptides from fish swim bladder[J]. Trends in Food Science & Technology, 2024, 144: 104345.

[7] KIRCHWEGER B, ZWIRCHMAYR J, GRIENKE U, et al. The role of Caenorhabditis elegans in the discovery of natural products for healthy aging[J]. Natural Product Reports, 2023, 40(12): 1849-1873.

[8] APFELD J, ALPER S. What can we learn about human disease from the nematode C. elegans?[J]. Methods in Molecular Biology,2018, 1706: 53-75.

[9] MARKAKI M, TAVERNARAKIS N. Caenorhabditis elegans as a model system for human diseases[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2020, 63: 118-125.

[10] KATIC M, KAHN C R. The role of insulin and IGF-1 signaling in longevity[J]. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 2005, 62(3): 320-343.

[11] LAPIERRE L R, HANSEN M. Lessons from C. elegans: Signaling pathways for longevity[J]. Trends in Endocrinology and Metabolism, 2012, 23(12): 637-644.

[12] JEAYENG S, THONGSROY J, CHUAIJIT S. Caenorhabditis elegans as a model to study aging and photoaging[J]. Biomolecules,2024, 14(10): 1235.

[13] WANG L, LI P Y, ZHENG F P, et al. Collagen peptides from sturgeon swim bladder prolong the lifespan and healthspan in Caenorhabditis elegans[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2024, 104(9): 5244-5251.

[14] WEI J L, ZHANG J J, DING N, et al. Anti-aging effects and mechanisms of cod collagen peptides (CCPs) in Caenorhabditis elegans[J].Journal of Functional Biomaterials, 2025, 16(5): 150.

[15] SEONG S H, LEE Y I, LEE J, et al. Oral consumption of Bonito fishderived elastin peptide (VGPG Elastin®) improves biophysical properties in aging skin: A randomized, double-blinded, placebocontrolled study[J]. Skin Research and Technology, 2024, 30(3):e13634.

[16] 张宇涵, 周靖萱, 张南海, 等. 胶原蛋白肽与弹性蛋白肽对改善皮肤光老化的研究进展[J]. 食品研究与开发, 2023, 44(11): 208-216.ZHANG Yuhan, ZHOU Jingxuan, ZHANG Nanhai, et al. Advances in ameliorating effects of collagen peptides and elastin peptides on photoaged skin[J]. Food Research and Development, 2023, 44(11):208-216.

[17] RAUDSTEIN M, PEÑARANDA M M D, KJAERNER-SEMB E, et al. Generation of IgM+ B cell-deficient Atlantic salmon (Salmo salar) by CRISPR/Cas9-mediated IgM knockout[J]. Scientific Reports, 2025, 15: 3599.

[18] XIA E Q, ZHU X, GAO X B, et al. Antiaging potential of peptides from underused marine bioresources[J]. Marine Drugs, 2021, 19(9):513.

[19] CHO J, LU J K, KIM D, et al. Determination of health status during aging using bending and pumping rates at various survival rates in Caenorhabditis elegans[J]. Scientific Reports, 2025, 15: 9057.

[20] ZHU R, CHIN-SANG I D. C. elegans insulin-like peptides[J]. Molecular and Cellular Endocrinology, 2024, 585: 112173.

[21] ZHANG S W, LI F, ZHOU T, et al. Caenorhabditis elegans as a useful model for studying aging mutations[J]. Frontiers in Endocrinology, 2020, 11: 554994.

[22] PANDEY U B, NICHOLS C D. Human disease models in Drosophila melanogaster and the role of the fly in therapeutic drug discovery[J]. Pharmacological Reviews, 2011, 63(2): 411-436.

[23] MELTZER H, MAROM E, ALYAGOR I, et al. Tissue-specific (ts)CRISPR as an efficient strategy for in vivo screening in Drosophila[J]. Nature Communications, 2019, 10: 2113.

[24] BOZKURT Y. Zebrafish in biomedical research[M]. London: IntechOpen, 2020: 3-8.

[25] GURUMURTHY C B, LLOYD K C K. Generating mouse models for biomedical research: Technological advances[J]. Disease Models & Mechanisms, 2019, 12(1): dmm029462.

[26] LEE H, LEE S V. Recent progress in regulation of aging by insulin/IGF-1 signaling in Caenorhabditis elegans[J]. Molecules and Cells,2022, 45(11): 763-770.

[27] ZHANG P C, JUDY M, LEE S J, et al. Direct and indirect gene regulation by a life-extending FOXO protein in C. elegans: Roles for GATA factors and lipid gene regulators[J]. Cell Metabolism,2013, 17(1): 85-100.

[28] KALETSKY R, MURPHY C T. The role of insulin/IGF-like signaling in C. elegans longevity and aging[J]. Disease Models & Mechanisms, 2010, 3(7-8): 415-419.

[29] CHEN H Q, WANG S, ZHOU A M, et al. A novel antioxidant peptide purified from defatted round scad (Decapterus maruadsi) protein hydrolysate extends lifespan in Caenorhabditis elegans[J]. Journal of Functional Foods, 2020, 68: 103907.

[30] HAN S H, HU F Y, JI X X, et al. Polysaccharides from Ziziphus jujuba prolong lifespan and attenuate oxidative stress in Caenorhabditis elegans via DAF-16 and SKN-1[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 282: 137482.

[31] FANG E F, WALTZ T B, KASSAHUN H, et al. Tomatidine enhances lifespan and healthspan in C. elegans through mitophagy induction via the SKN-1/Nrf2 pathway[J]. Scientific Reports, 2017, 7:46208.

[32] QI Z M, JI H H, LE M, et al. Sulforaphane promotes C. elegans longevity and healthspan via DAF-16/DAF-2 insulin/IGF-1 signaling[J]. Aging, 2021, 13(2): 1649-1670.

[33] DILBERGER B, BAUMANNS S, SCHMITT F, et al. Mitochondrial oxidative stress impairs energy metabolism and reduces stress resistance and longevity of C. elegans[J]. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2019, 2019: 6840540.

[34] MARTINS A C, VIRGOLINI M B, ÁVILA D S, et al. Mitochondria in the spotlight: C. elegans as a model organism to evaluate xenobiotic-induced dysfunction[J]. Cells, 2023, 12(17): 2124.

[35] LIU Y, SU G W, WANG S G, et al. A highly absorbable peptide GLPY derived from elastin protect fibroblasts against UV damage via suppressing Ca2+ influx and ameliorating the loss of collagen and elastin[J]. Journal of Functional Foods, 2019, 61: 103487.

[36] RAKSHE P S, DUTTA B J, CHIB S, et al. Unveiling the interplay of AMPK/SIRT1/PGC-1α axis in brain health: Promising targets against aging and NDDs[J]. Ageing Research Reviews, 2024, 96:102255.

[37] TAN P P, ZHOU B H, ZHAO W P, et al. Mitochondria-mediated pathway regulates C2C12 cell apoptosis induced by fluoride[J]. Biological Trace Element Research, 2018, 185(2): 440-447.

[38] ALTINTAS O, PARK S, LEE S V. The role of insulin/IGF-1 signaling in the longevity of model invertebrates, C. elegans and D. melanogaster[J]. BMB Reports, 2016, 49(2): 81-92.

[39] RODRIGUES L C, GOMES J M, DA COSTA D S, et al. 3D tubular constructs based on natural polysaccharides and recombinant polypeptide synergistic blends as potential candidates for blood vessel solutions[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2025, 310(Pt 3): 143084.

[40] NEMATI M, SHAHOSSEINI S R, ARIAII P. Review of fish protein hydrolysates: Production methods, antioxidant and antimicrobial activity and nanoencapsulation[J]. Food Science and Biotechnology,2024, 33(8): 1789-1803.

[41] MAO Z J, JIANG H, SUN J N, et al. Research progress in the preparation and structure-activity relationship of bioactive peptides derived from aquatic foods[J]. Trends in Food Science & Technology, 2024, 147: 104443.

[42] LI Y, YU J M. Research progress in structure-activity relationship of bioactive peptides[J]. Journal of Medicinal Food, 2015, 18(2):147-156.

[43] LIU X R, HU Q Y, SHEN Y F, et al. Research progress on antioxidant peptides from fish by-products: Purification, identification,and structure-activity relationship[J]. Metabolites, 2024, 14(10):561.

[44] ASHAOLU T J, PHAM B P, MOLNÁR Z, et al. The structure-activity relationship of marine peptides: A review[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2024, 59(7): 4437-4445.

[45] 左依瑾, 于子淇, 申雪晴, 等.鱼源抗氧化肽的结构与其功能关系研究进展[J].食品工业科技, 2023, 44(14): 419-429.ZUO Yijin, YU Ziqi, SHEN Xueqing, et al. Recent advance on the structure-activity relationship in antioxidant peptides of fish[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(14): 419-429.

[46] GUL S, MIANO T F, MUJEEB A, et al. Advancements in nutraceutical delivery: Integrating nanotechnology and microencapsulation for enhanced efficacy and bioavailability[J]. Matrix Science Pharma, 2024, 8(1): 1-6.

Research Progress on the Anti-aging Mechanisms of Structural Protein Peptides from Swim Bladders Based on Caenorhabditis elegans Model

WANG Bingyang1,ZHENG Xiqi2,DUAN Rui1 *,ZHU Mochi2,YUAN Xinjian2

(1. School of Marine Science and Fisheries,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,Jiangsu,China;2. School of Ocean Food and Biological Engineering,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,Jiangsu,China)

Abstract:Swim bladders,a by-product of aquatic processing,were rich in structural proteins including collagen and elastin,and their enzymatic hydrolysates exhibited anti-aging activity. Caenorhabditis elegans,owing to its genetic tractability,short lifespan,and conserved aging pathways,served as a model for elucidating the anti-aging mechanisms of swim bladder-derived peptides. The extraction processes and structural characteristics of swim bladder-derived collagen and elastin peptides were systematically summarized,and the major research progress on their anti-aging effects in the C. elegans model was reviewed. Their potential roles in oxidative stress regulation,mitochondrial homeostasis,proteostasis maintenance,and aging-related signaling pathways were discussed,and the possible biological processes and functional characteristics involved in collagen and elastin peptides were compared. Based on existing studies,the main problems and future research directions in this field were discussed. This review provides a theoretical reference for further research and application of swim bladder structural protein peptides in the development of anti-aging functional foods and related fields.

Key words:Caenorhabditis elegans;swim bladder;collagen peptide;elastin peptide;anti-aging mechanism

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2026.14.027

作者简介:王冰洋(1998—),男(汉),硕士研究生,研究方向:水产资源高值化利用。

*通信作者:段蕊(1972—),女(汉),教授,研究方向:水产资源高值化利用。

引文格式:
王冰洋,郑希琪,段蕊,等. 基于秀丽隐杆线虫模型的鱼鳔结构蛋白肽抗衰老机制研究进展[J]. 食品研究与开发,2026,47(14):216-224.
WANG Bingyang,ZHENG Xiqi,DUAN Rui,et al. Research Progress on the Anti-aging Mechanisms of Structural Protein Peptides from Swim Bladders Based on Caenorhabditis elegans Model[J]. Food Research and Development,2026,47(14):216-224.

加工编辑:张岩蔚

收稿日期:2025-12-22