從泛素化蛋白質組看衰老

衰老是由細胞完整性的喪失引起的，這是一個整體性的事件。泛素化修飾在細胞功能中的主要作用，但是一直以來蛋白質組泛素化修飾的動態變化與衰老之間的關係還未可知。泛素化可以標記蛋白質以被蛋白酶體識別，那麼靶向降解的缺陷是否會對壽命長短有影響呢？

為了揭開這一問題的答案，2021年7月28日，德國科隆大學David Vilchez研究組發文題為Rewiring of the ubiquitinated proteome determines ageing in C. elegans，通過建立線蟲中的泛素化蛋白質圖譜揭開全蛋白質組水平的泛素化動力學特徵對於衰老的影響。

衰老可以通過飲食限制以及IGF-1等信號途徑等途徑來延遲。泛素化修飾是通過E3泛素連接酶通過對底物選擇進行動態和嚴格的調控，去泛素化酶可以幫助逆轉泛素化的修飾。其中48位賴氨酸上的多聚泛素化鍊是蛋白酶體降解的主要信號，蛋白酶體是真核細胞中主要的選擇性蛋白水解系統。為了對衰老過程中蛋白質組泛素化的全局變化進行檢測，作者們使用了一種特異性的抗體，能夠識別由異肽鍵連接到蛋白質賴氨酸位點的二甘氨酸部分。這些胰酶消化後泛素化殘餘物表位可以用於生化分離以及質譜分析，可以提供蛋白質組匯總泛素化位點的特異性信息以及對這些信息進行定量分析。

野生型線蟲的平均壽命為19天。因此，作者們將線蟲按照年齡分為青年時期（Day5）、中年時期（Day10）以及老年時期（Day15），並對不同年齡的線蟲的泛素化組進行分析。另外，作者們還將年齡相匹配飲食限制以及胰島素/IGF-1信號通路降低的長壽線蟲模型作為對照組。該蛋白質組圖譜對1,485個蛋白的3,373個肽段進行了檢測。作者們驚奇地發現隨著線蟲衰老的進行，其中大多數發生了泛素化修飾的降低。與之相反的是，長壽線蟲的模型中隨著年齡的增長並不會出現明顯地泛素化降低，胰島素/IGF-1信號通路降低的長壽線蟲模型隨著衰老甚至出現了泛素化修飾的增長。考慮到線蟲衰老過程中存在著廣泛的蛋白質組重塑過程，作者們又進一步對單個蛋白進行了定量。作者們發現，泛素化水平的差異並不是由於蛋白質量的變化，並且作者們確認衰老的確與泛素化修飾的丟失相關。

進一步地，作者們想要對衰老過程中泛素化修飾的變化進行評估。既然隨著年齡增長泛素化修飾在降低，那麼存在兩種可能：一是需要被送去降解的蛋白泛素化修飾降低，二是泛素化修飾的去除隨著衰老增加。 E3泛素連接酶及去泛素化酶直接調控泛素化修飾的水平。在線蟲中，有超過170種E3連接酶。作者們發現隨著衰老，其中只有12種E3連接酶的表達發生了顯著的變化，佔比約為7%。線蟲中存在45種去泛素化修飾的酶，其中有14種的表達隨著年齡發生了顯著地上調，佔比約為31%。另外，作者們發現抑制隨衰老而失調的去泛素化酶可改善衰老過程中泛素化的丟失，而通過廣譜的去泛素化酶抑製劑也足以挽救老年時期線蟲體內低泛素化水平並延長線蟲的壽命。

作者們發現降低年齡失調的蛋白酶體靶標的水平可以延長線蟲壽命，而降低這些靶標的降解則會縮短壽命。在蛋白酶體靶點中，作者們發現了中間絲IFB-2和RAC信號轉導途徑中的調製器EPS-8與線蟲長壽存在聯繫。 IFB-2水平的升高促進腸道完整性的喪失和細菌的定植，而EPS-8水平的上調則會使得肌肉和神經元中的RAC信號異常活躍，並導致肌動蛋白細胞骨架和蛋白激酶JNK的改變。

總的來說，作者們的工作發現隨著衰老的進行機體中出現了廣泛的去泛素化過程，這會損害蛋白酶體靶點蛋白的清除，從而揭開了衰老過程中的泛素化修飾的動態變化圖譜，為延長人類的壽命、健康變老這一研究提供了新的見解。

同期刊發了相關的觀點文章對該工作進行了評價與討論，題為Protein pile-up poses problems in ageing worms，稱該工作通過對衰老線蟲極性分析發現泛素化修飾的廣泛降低，這可能會導致不必要或者有害蛋白質的積累，進而損害細胞和組織功能。不過與年齡相關的去泛素化過程是否在更複雜的動物中也存在尚未可知，泛素化動力學如何隨著年齡變化在不同物種中變化，可能可以為治療如神經退行性疾病等內的疾病提供潛在的策略。