Nature重磅：清除多余蛋白质即可延寿21%！衰老加速蛋白去泛素化，冗余蛋白或成未来抗衰靶点
导读
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得益于学生时代生物试卷的填空题：“蛋白质是生命的物质基础，是生命活动的主要承担者，没有蛋白质就没有生命……”让这句“真理”烂熟于心。但对生物体而言，蛋白质真的是越多越好吗？上月末，一篇发表于国际顶尖期刊《Nature》的重磅研究为我们带来了答案。
来自德国科隆大学的学者们以模式生物秀丽线虫作为研究对象，发现衰老会导致线虫体内泛素化水平下降，造成蛋白质的识别与降解过程受阻。当使用基因敲除疗法加快蛋白质清除后，线虫衰老状况得到改善，平均寿命最长可被延长21%[1]。
图注：该研究以全文形式于2021年7月28日发表于《Nature》
衰老诱导去泛素化，幕后黑手竟是它？
催化各种生化反应、参与物质传递、构成细胞骨架……对真核生物而言，蛋白质扮演极为重要的角色。一个蛋白用久了，难免要“更新换代”，这些“老旧”蛋白在连接酶的参与下，会被一种名为泛素的小蛋白打上标签，等待后期被识别、降解。
但同时，这条流水线上“贴标签”的过程也是可逆的，去泛素化酶便能逆转泛素化过程。
本来，泛素与去泛素化酶志趣相投、一拍即合，一直合作得还算不错：需要降解的蛋白，泛素赶紧给做个记号，偶尔出差错也不怕，去泛素化酶赶来救场。然而，当生物步入衰老，整体组织系统大不如从前，这种默契的完美关系也出现了裂痕。
图注：泛素化与去泛素化过程
为研究衰老与泛素化之间的潜在关联，本次研究对不同年龄阶段（幼年、中年与老年）野生型线虫体内蛋白质组的泛素化程度进行测定。与基础水平相比，线虫在成年5日后，体内绝大部分蛋白质组（约84%）泛素化水平出现下调。
图注：泛素化蛋白质组随年龄增长的变化
而后续分析表明，老年野生型线虫无论是泛素编码基因的表达，还是泛素化蛋白的总水平，都与幼年线虫相当，甚至表现更好。这说明衰老诱导的低泛素化问题与泛素化过程是无关的，即泛素并未忘记给蛋白质“贴标签”。
图注：衰老野生型线虫的泛素化缺失与泛素本身的表达无关
既然原因没出在内部，那必定要去外界找找。由于泛素化过程中泛素连接酶的活性几乎不随年龄变化[2]，于是研究人员推测大概率是去泛素化酶在从中作梗了。
结果还真是这样，利用基因编辑技术敲除去泛素化酶表达基因后，老年野生型线虫的蛋白质泛素化水平被极大改善。并且若直接使用抑制剂PR-619降低去泛素化酶活性，老年线虫的健康状况也得到改善，寿命直接被延长。
图注：单次敲除去泛素化酶表达基因
改善了衰老线虫的泛素化蛋白水平；
抑制去泛素酶活性后线虫获得延寿效果
去泛素化酶四处点火，蛋白酶体昏头转向
对于“老旧”蛋白质而言，如果说泛素是“标签”，泛素连接酶是“胶水”，去泛素化酶在“撕标签”，那么蛋白酶体就是用来降解蛋白的“车间”，大家共同组成了细胞内蛋白质降解的主要途径——泛素-蛋白酶体系统[3]。
图注：泛素-蛋白酶体系统，源自[3]
当蛋白质无法正常被泛素化，作为后端操作的蛋白酶体自然是晕头转向，哪里能识别、降解得了“垃圾”蛋白？正因如此，衰老线虫体内被观测到多达192种低泛素化蛋白的堆积。
不过，想要恢复泛素-蛋白酶体系统正常运转，也并非无计可施。这次研究还同时设置了饮食限制与低胰岛素/IGF-1信号横向比较组，去探究两种“长寿通径”是否对蛋白质组泛素化存在影响。
令人惊喜的是，衰老导致的蛋白质泛素化水平下调现象因“长寿通径”得到逆转。热量限制的线虫在衰老过程中去泛素化程度较低，而在低胰岛素/IGF-1信号组中，泛素化蛋白质比例甚至出现上调。
图注：蛋白质组泛素化水平因热量限制与低胰岛素/IGF-1信号被逆转
饮食限制与降低胰岛素/IGF-1信号被认为对多种生物的寿命延长有显著效果[4, 5]，而这次试验的发现也再次稳固了两者在抗衰领域的显赫地位。
对“长寿通径“的回春大法，研究也给出了解释：两者均被发现能维持与年龄相关的去泛素化酶正常水平，使蛋白质组能够正常被泛素化。
此外，低胰岛素/IGF-1信号能够激活FOXO1转录因子，上调E3泛素连接酶表达，增加泛素化水平，促进受损蛋白的周转[6]。FOXO通路被激活后，又会抑制mTORC1[7]、激活AMPK信号通路[8]，促进泛素-蛋白酶体过程。
而饮食限制可能起到了相似作用——帮助泛素连接酶过表达[9]，维持机体蛋白质稳态[10]。
敲除特定蛋白酶体靶点，
线虫轻松延寿21%！
为了找到蛋白酶体“失联“对象中影响寿命的关键靶点，借助基因魔剪Crisper-cas9[11]，包括IFB-2、EPS-8及RPL-4在内的10个蛋白酶体识别靶点被点名出列。
其中，IFB-2与EPS-8位点尤为引人注目，虽然它们对线虫早期正常发育生长有促进作用[12, 13]，但当线虫成年后，IFB-2与EPS-8蛋白就用处不大了，还随着线虫衰老呈现聚集趋势，原因便是下降的泛素化水平阻碍了蛋白酶体的识别和降解。
正如“水满则溢，月盈则亏”，蛋白质也不是越多越好。当衰老导致内源性IFB-2蛋白大量聚集与错误分布时，会造成肠道完整性丧失，增加细菌侵入[14, 15]。
图注：IFB-2蛋白水平过高会引起与年龄相关的肠道完整性丧失
同时，EPS-8过表达会促使细胞RAC通路过度激活，诱导蛋白激酶JNK磷酸化，影响细胞周期调控[16]，并可能造成肌动蛋白的过度聚合和重塑，使得肌细胞呈现无组织的肌动蛋白丝，损害机体正常活动与寿命[17]。
图注：增加的EPS-8蛋白通过RAC过度激活缩短寿命
事实上，IFB-2与EPS-8蛋白低泛素化的个体也确实表现出短寿特征。
图注：低泛素化影响IFB-2与EPS-8蛋白在体内周转，并极大缩短了线虫的寿命
对于成年线虫而言，像IFB-2、EPS-8这样，机体不需要且未被及时清除的冗余蛋白简直是“毒蛋白“！如果通过基因敲除法彻底沉默它们，会怎样呢？结果是：有显著延寿效果，最高可延长21%寿命。
图注：成年后，敲除IFB-2和EPS-8基因有显著延寿作用
时光派点评
衰老与蛋白质组稳态关联算不上是个新鲜领域，尤其是泛素-蛋白酶体系统，相当数量的研究已经对其内部物质运输、信号传递等来龙去脉进行了梳理[18, 19]。看似在“炒隔夜饭”，实则很多底层问题还没搞明白，就比如蛋白质组泛素化随年龄的变化及其对寿命的意义。
究竟是泛素化水平高，及时清除“垃圾”蛋白益于延寿，还是低泛素化程度指示了体内蛋白质得到了及时修复，帮助延长寿命？一方面，蛋白质周转速率加快有助于及时清除机体冗余蛋白，而另一方面，过快的清除机制也可能造成组织负担，加速系统的衰老，那么这个临界点又在何处？
关于衰老与蛋白质周转速率的关系，可能短期还无法下个定论。但这项研究建立了衰老与泛素修饰蛋白间的联系，可能为最终解决这一问题提供了新思路。同时，研究还惊喜发现了两个极为优秀的蛋白酶体靶点（IFB-2与EPS-8），它们或许是人类正寻找的下一个抗衰靶标。
—— TIMEPIE ——
参考文献
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[2] Papaevgeniou, N., & Chondrogianni, N. (2014). The ubiquitin proteasome system in Caenorhabditis elegans and its regulation. Redox biology, 2, 333–347. https://doi.org/10.1016/j.redox.2014.01.007
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[9] Papaevgeniou, N., & Chondrogianni, N. (2014). The ubiquitin proteasome system in Caenorhabditis elegans and its regulation. Redox biology, 2, 333–347. https://doi.org/10.1016/j.redox.2014.01.007
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