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新熱點(diǎn)：蛋白水解酶在衰老中的作用
導(dǎo)讀
蛋白質(zhì)平衡紊亂是衰老和衰老相關(guān)疾病的主要原因。泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體在蛋白穩(wěn)定中起著關(guān)鍵作用，但除了這些系統(tǒng)外，人類(lèi)基因組還編碼約600種蛋白水解酶，也稱(chēng)為多肽酶。在這里，作者研究了蛋白水解酶在衰老和老年相關(guān)神經(jīng)退行性變中的作用。小編主要從蛋白水解酶如何影響細(xì)胞衰老的特征這一角度來(lái)為大家打開(kāi)思路。具體地說(shuō)就是蛋白酶調(diào)控線(xiàn)粒體功能、DNA損傷修復(fù)、表觀(guān)遺傳學(xué)改變、營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞耗竭、應(yīng)激反應(yīng)、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制、以及細(xì)胞間信號(hào)。
背景簡(jiǎn)介
在蛋白質(zhì)降解途徑中，降解錯(cuò)誤折疊的、易于聚集的蛋白質(zhì)可以調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老。目前為止，大多數(shù)研究已經(jīng)確定了蛋白平衡在衰老過(guò)程中具有重要作用，主要集中在泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體系統(tǒng)的作用。另外，還有一大類(lèi)的蛋白水解酶/肽酶，具有不同的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外定位。這些蛋白水解酶可以作為單酶、與伴侶的異源多酶復(fù)合體、跨膜/膜內(nèi)，和/或可以被分泌到細(xì)胞外空間的蛋白水解酶(圖1)。
蛋白水解酶可以直接影響衰老的特征。它們被定義為基因組不穩(wěn)定、端粒磨損、表觀(guān)遺傳學(xué)改變、蛋白穩(wěn)定性喪失、營(yíng)養(yǎng)感知失調(diào)、線(xiàn)粒體功能障礙、細(xì)胞衰老、細(xì)胞間通訊改變和干細(xì)胞耗竭(圖2)。因此，這些蛋白水解酶的調(diào)節(jié)可以影響一些與年齡相關(guān)的病理的發(fā)生和發(fā)展，包括神經(jīng)退行性變。在本文中，小編結(jié)合這篇綜述1介紹蛋白水解酶在細(xì)胞衰老中作用，并引入相關(guān)的例子供大家研究。
線(xiàn)粒體功能障礙是衰老的標(biāo)志之一，與許多與年齡相關(guān)的疾病有關(guān)。目前存在多種保護(hù)線(xiàn)粒體功能的細(xì)胞策略，比如，通過(guò)線(xiàn)粒體不同細(xì)胞活性(AAA)家族相關(guān)的ATPase可以選擇性地降解無(wú)功能的線(xiàn)粒體蛋白，從而延緩衰老。位于線(xiàn)粒體基質(zhì)、內(nèi)膜和膜間隙中的蛋白水解酶在維持線(xiàn)粒體蛋白穩(wěn)定和衰老過(guò)程中發(fā)揮重要作用。此外，線(xiàn)粒體蛋白水解酶還被發(fā)現(xiàn)與幾種人類(lèi)疾病有關(guān)。對(duì)于線(xiàn)粒體基質(zhì)和內(nèi)膜的蛋白質(zhì)，兩個(gè)獨(dú)立的伴侶系統(tǒng)，HSP60和線(xiàn)粒體HSP70(MtHSP70)，促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊。下文的作者發(fā)現(xiàn)LONP1，一種線(xiàn)粒體基質(zhì)的AAA+蛋白酶，與mtHSP70伴侶一起工作，促進(jìn)線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)的折疊。抑制LONP1會(huì)導(dǎo)致一個(gè)蛋白質(zhì)亞集的聚集，類(lèi)似于敲除mtHSP70的輔助伴侶DNAJA3所引起的聚集。顯示出蛋白分解活性，并與線(xiàn)粒體基質(zhì)中的mtHSP70密切相關(guān)地幫助蛋白質(zhì)折疊2。
這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)，線(xiàn)粒體蛋白水解酶調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體內(nèi)蛋白平衡。此外，盡管我們已經(jīng)廣泛了解線(xiàn)粒體蛋白酶，但它們的活性在衰老中發(fā)揮的作用還需要更多的研究。
除了線(xiàn)粒體之外，細(xì)胞核是另一個(gè)重要的細(xì)胞亞室，其中蛋白平衡受到蛋白酶的調(diào)節(jié)。DNA損傷是衰老的一個(gè)主要標(biāo)志，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種核蛋白水解酶對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物(DPC)是一種可以造成DNA損傷物質(zhì)，它可通過(guò)阻礙DNA復(fù)制而導(dǎo)致細(xì)胞和生物應(yīng)激。如果不加以修復(fù)，DPC可能會(huì)損害基因組的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致早衰綜合癥和癌癥。但DPC可以通過(guò)一種特殊的酶——蛋白酶SPRTN來(lái)清除。有人發(fā)現(xiàn)SPRTN激活所需的脫泛素酶VCPIP1，并進(jìn)一步證明SPRTN的激活受兩步翻譯后修飾、去泛素化和乙?；恼{(diào)節(jié)。通過(guò)這種方式，細(xì)胞可以控制SPRTN的活性，從而促進(jìn)DPC修復(fù)、基因組穩(wěn)定和抗衰老3（圖4）。
除了作用于DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)鏈的蛋白酶，蛋白酶還可以作用于同源重組(HR)和非同源末端連接(NHEJ)的雙鏈斷裂(DSB)修復(fù)途徑?？傊?，這些研究表明了蛋白酶在DNA損傷反應(yīng)和保持基因組完整性方面起到重要作用。
翻譯后的組蛋白修飾、組蛋白交換和依賴(lài)于ATP的染色質(zhì)重構(gòu)是基因表達(dá)的關(guān)鍵決定因素。染色質(zhì)和DNA可及性的改變（與年齡相關(guān)）會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)的變化并降低基因組的穩(wěn)定性。在這種背景下，蛋白酶裂解組蛋白“尾巴”是衰老和疾病過(guò)程中基因表達(dá)表觀(guān)遺傳調(diào)控的一種新機(jī)制。
比如組蛋白3（H3）位于細(xì)胞核內(nèi)，與染色質(zhì)結(jié)合。與H2A、H2B和H4一起存在于核小體中。組蛋白變體H3.3是H3的首選裂解形式。H3.3及其切割產(chǎn)物(H3.3cs1)的異位表達(dá)足以誘導(dǎo)衰老?；瘜W(xué)性和基于siRNA的組織蛋白酶L的抑制和H3裂解的抑制會(huì)損害衰老相關(guān)的染色質(zhì)修飾。全基因組轉(zhuǎn)錄圖譜顯示，H3.3cs1的異位表達(dá)足以通過(guò)轉(zhuǎn)錄沉默等細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子，如Rb/E2F基因，可能通過(guò)永久移除H3K4me3而誘導(dǎo)衰老4?？傮w而言，作者的研究確定組蛋白H3.3及其蛋白降解加工形式是細(xì)胞衰老的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。
溶酶體蛋白水解酶是溶酶體分解代謝功能和溶酶體代謝物釋放過(guò)程中不可缺少的一部分，溶酶體代謝產(chǎn)物參與營(yíng)養(yǎng)感知。此外，還有一些非溶酶體蛋白水解酶參與營(yíng)養(yǎng)感知。比如，在酵母中，發(fā)現(xiàn)Ypf1是一種定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)的SPP型蛋白酶。Ypf1與ER相關(guān)降解(ERAD)因子Dfm1和Doa10在功能上相互作用，它可以調(diào)節(jié)跨膜營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的豐度?？偠灾挛淖髡弑砻鱕pf1介導(dǎo)的質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的翻譯后調(diào)節(jié)對(duì)于早期感知和適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)耗竭是必不可少的5。
蛋白酶在營(yíng)養(yǎng)感知中具有重要作用。然而，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，這些蛋白水解酶的功能改變是導(dǎo)致衰老和年齡相關(guān)代謝性疾病期間營(yíng)養(yǎng)感知紊亂的原因。
所謂的干細(xì)胞耗竭并非是指干細(xì)胞數(shù)量的減少，而是指干細(xì)胞功能隨著老化逐漸下降。干細(xì)胞耗竭的本質(zhì)同細(xì)胞衰老，決定干細(xì)胞衰老的部位是細(xì)胞核，而非細(xì)胞質(zhì)。再生能力降低和干細(xì)胞功能障礙是衰老的一個(gè)標(biāo)志，有幾個(gè)蛋白酶調(diào)節(jié)干細(xì)胞功能的例子。其中包括泛素蛋白水解酶。
比如下文中6，在小鼠中發(fā)現(xiàn)了蛋白酶可以維持生殖系干細(xì)胞功能。通過(guò)對(duì)條件性L(fǎng)ONP1基因敲除小鼠卵母細(xì)胞的研究，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體蛋白水解酶LONP1基因的條件性敲除會(huì)損害卵泡的發(fā)育，并導(dǎo)致卵母細(xì)胞進(jìn)行性死亡、卵巢儲(chǔ)備喪失和不孕不育。另外，LONP1的消融導(dǎo)致AIFM1從胞漿移位到胞核，引起小鼠卵母細(xì)胞的凋亡?？傮w而言，這說(shuō)明了蛋白酶可能通過(guò)各種機(jī)制調(diào)節(jié)干細(xì)胞特性和再生能力。
蛋白酶體是蛋白質(zhì)降解途徑中的一種重要成分。當(dāng)?shù)鞍酌阁w的功能受到挑戰(zhàn)時(shí)，蛋白酶體應(yīng)激的狀態(tài)就會(huì)誘導(dǎo)出一種適應(yīng)性的應(yīng)激反應(yīng)，這種應(yīng)激反應(yīng)存在于非蛋白酶體蛋白的表達(dá)中，也部分彌補(bǔ)了蛋白酶體功能障礙。
在果蠅中發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)蛋白酶體應(yīng)激(通過(guò)針對(duì)蛋白酶體組件的肌肉特異性RNAi)可以導(dǎo)致蛋白酶局部和系統(tǒng)適應(yīng)性表達(dá)（在骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中）。而骨骼肌中蛋白水解酶的局部誘導(dǎo)可能依賴(lài)于C/EBP轉(zhuǎn)錄因子，遠(yuǎn)端組織中蛋白酶的誘導(dǎo)則依賴(lài)于肌肉分泌的淀粉酶Amyrel，它促進(jìn)CG9733和CG7142蛋白酶的表達(dá)。重要的是，視網(wǎng)膜中CG9733和CG7142的基因敲除會(huì)增加衰老過(guò)程中病理性Huntingtin-72Q的聚集，這表明在Amyrel介導(dǎo)的適應(yīng)性應(yīng)激信號(hào)時(shí)，這些蛋白酶確實(shí)維持了蛋白穩(wěn)定?？偠灾?，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了在骨骼肌、視網(wǎng)膜和大腦中，應(yīng)激誘導(dǎo)的適應(yīng)性信號(hào)在衰老過(guò)程中會(huì)保持蛋白穩(wěn)定，并且這一過(guò)程可能依賴(lài)于蛋白酶(圖8)。
衰老以及各種神經(jīng)退化類(lèi)疾病多與蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)受損相關(guān)。這種內(nèi)穩(wěn)態(tài)一旦失衡，就會(huì)觸發(fā)細(xì)胞的適應(yīng)性變化，造成細(xì)胞的凋亡。新合成的肽鏈中，有一些不能折疊成為正確的形狀，已經(jīng)折疊好的蛋白質(zhì)分子也有可能變性。為了應(yīng)付這種情況，細(xì)胞發(fā)展出了多種機(jī)制來(lái)減少折疊錯(cuò)誤和清除折疊錯(cuò)誤的蛋白。
一項(xiàng)對(duì)果蠅光感受器的研究發(fā)現(xiàn)7，蛋白酶HighRoad是降解易錯(cuò)折疊的突變體視紫紅質(zhì)-1所必需的。由于Rhodopsin-1突變，HighRoad蛋白酶的消融會(huì)加速視網(wǎng)膜退化。有趣的是，HighRoad似乎可以適應(yīng)應(yīng)激反應(yīng)，當(dāng)視紫紅質(zhì)突變時(shí)，HighRoad可以保持蛋白平衡?？傊?，作者確定HighRoad是降解突變的Rhodopsin-1所必需的因素。HighRoad的缺失加速了Rhodopsin-1突變引起的視網(wǎng)膜變性。
系統(tǒng)信號(hào)的紊亂是衰老的一個(gè)重要組成部分。因?yàn)榈鞍姿饷肝挥诟鞣N亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞外空間，它們可以影響細(xì)胞外的蛋白分解，從而影響組織間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。此外，除了蛋白分解作用外，蛋白水解酶還可以作為信號(hào)分子發(fā)揮內(nèi)分泌作用，在衰老和疾病期間調(diào)節(jié)體內(nèi)平衡(圖10)。蛋白水解酶的細(xì)胞間信號(hào)傳遞有三種方式：通過(guò)分泌型蛋白水解酶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離組織間的遠(yuǎn)距離信號(hào)傳遞。例如，骨骼肌在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)分泌組織蛋白酶，進(jìn)而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)發(fā)生（圖10 A）；滲入受損組織的炎癥細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞分泌的蛋白酶可被靶細(xì)胞攝?。▓D10 B）；分泌的蛋白水解酶還可以切割靶細(xì)胞上的蛋白水解酶激活的受體，導(dǎo)致受體激活和隨后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（圖10 C）。
細(xì)胞衰老是組織和組織衰老的關(guān)鍵決定因素。蛋白水解酶可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)和衰老調(diào)節(jié)因子的表達(dá)來(lái)影響細(xì)胞衰老。比如在衰老細(xì)胞中，SU(Var)3-9、ZEST增強(qiáng)子和Set8酶調(diào)節(jié)p21的表達(dá)。具體地說(shuō)，泛素蛋白水解酶USP17從Set8中去除泛素標(biāo)簽，從而導(dǎo)致p21的轉(zhuǎn)錄抑制進(jìn)而避免細(xì)胞衰老。相反，絲氨酸蛋白酶抑制劑serpinB2通過(guò)穩(wěn)定p21來(lái)促進(jìn)衰老，可能是通過(guò)阻止蛋白酶介導(dǎo)的p21降解。
作為衰老相關(guān)分泌表型（SASP）的一部分，衰老細(xì)胞膜上特有的膜蛋白水解酶(DPP4)可與衰老細(xì)胞分泌的胞外蛋白水解酶一起調(diào)節(jié)細(xì)胞外蛋白分解。SASP蛋白酶包括基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、絲氨酸蛋白酶和纖溶酶原激活途徑的調(diào)節(jié)因子。衰老細(xì)胞分泌的MMPs還可以推動(dòng)腫瘤的發(fā)生。具體來(lái)講，將衰老的成纖維細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞共同移植到免疫受損的小鼠后，腫瘤細(xì)胞的存活率增加。這種促腫瘤作用似乎源于腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)，因?yàn)樽⑸浠|(zhì)金屬蛋白酶抑制劑GM6001消除了體內(nèi)移植瘤的大小和增殖差異?？偠灾鳛镾ASP的一部分，蛋白酶的存在可能導(dǎo)致細(xì)胞衰老。
全文總結(jié)
眾所周知，衰老關(guān)乎人類(lèi)的健康和壽命。隨著生物學(xué)知識(shí)的積累以及現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于衰老的研究達(dá)到了前所未有的深度。此外，衰老一直是研究熱點(diǎn)，細(xì)胞衰老涉及的通路，隨便一條拿出來(lái)都是國(guó)自然熱點(diǎn)。在本文中，小編利用九大衰老生理的特征全面的介紹了蛋白酶在衰老領(lǐng)域的應(yīng)用，但仍有許多未知內(nèi)容有待研究?？傊玫亓私獾鞍酌冈谒ダ虾屠夏晷约膊≈械淖饔脤⒂兄诟娴乩斫馑ダ线^(guò)程，同時(shí)這一切入點(diǎn)就屬于新奇性思路，也就是從另外一種角度來(lái)看待衰老。
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