心口不一？蛋白組學揭示果蠅IIS介導長壽的組織特異性

編者按

模式動物體內實驗表明，Insulin/IGF-like signaling(IIS)通路活性的減少可以延長壽命、保持年老時體內機能以及改善多種與年齡相關疾病的病理特徵，理解這其中具體的機理對於治療與年齡相關的疾病至關重要。但是，相關的研究都是從轉錄組層面針對整隻線蟲進行研究，一方面無法揭示一些組織特異性的機理，另一方面最近的研究表明大量轉錄後修飾會導致蛋白表達有所差異，轉錄組和蛋白組之間的相關性只有40%-80%。

隨著質譜技術的改進，蛋白組研究對於樣本量要求越來越少，也讓蛋白質組學研究果蠅不同組織蛋白組變化成為可能。Sehlke R等科學家研究者嘗試運用蛋白質組學技術，而非傳統的轉錄組學來觀察果蠅體內不同組織內蛋白組的變化。研究發現當系統性減少IIS活性時，主要的變化都是組織特異性的，並且其中60%都沒有在之前的轉錄組研究中發現，也同時揭示了腦、腸、脂肪體和肌肉等個體中各個組織通過自己的反應來改善衰老所帶來的影響的具體機制。相關研究發表在國際高水平學術期刊MolecularSystemsBiology上。

研究速讀

1.野生型果蠅組織特異性蛋白組分析

為研究果蠅組織特異性的蛋白組，研究者選擇四個胰島素敏感的組織作為主要研究對象：腦、腸、脂肪體和胸（主要是肌肉組織）。通過Label-Free蛋白質組學對野生型果蠅的四個組織進行分析鑒定。研究共鑒定到了6085個蛋白的96,404個肽段，這基本上覆蓋了已預測編碼基因的44%。

圖1 野生型果蠅組織特異性蛋白組分析

2.IIS活性減少模型的組織特異性蛋白質組學分析

研究者通過在果蠅中突變IIS，分析IIS表達下調後各個組織的蛋白質表達差異。前期研究表明，果蠅中央神經分泌細胞（mNSCs）的切除可以明顯延長其生命周期。因此研究者比較了mNSC-ablated和野生型(wDah)果蠅蛋白質表達的差異，結果發現在四個組織中只有2個蛋白的變化是重疊的，而其中只有13%的蛋白是組織特異性表達。所以IIS是通過組織特異性的調控而不是組織特異性的表達來起作用的。

圖2 IIS活性減少模型的組織特異性蛋白質組學分析

3.與生命周期延長相關的組織特異性差異表達蛋白的鑒定

dFOXO是IIS果蠅壽命延長的關鍵蛋白，所以研究者又根據組分對dFOXO的依賴性進行了研究。結果表明：

（1）在腦中，差異表達蛋白主要集中於線粒體電子傳遞鏈、mRNA剪接和核小體相關組份，

（2）在腸中，主要集中於蛋白酶體和泛素介導的代謝通路。

（3）在脂肪體中，主要是線粒體電子傳遞鏈、核糖體相關組份和核小體組裝相關的組份。

圖3 與生命周期延長相關的組織特異性差異表達蛋白

4.介導長壽的組織特異性反應模型

結合上述研究，最終研究者選擇了三種最有可能與壽命延長相關的因素：1. 核糖體，基本上只在脂肪體中檢測到了變化；2. 線粒體電子傳遞鏈，在腦、腸和脂肪體中均有檢測到變化；3. 蛋白酶體-泛素相關蛋白，這個在腸中變化最明顯。

通過一系列實驗，研究者對上述三個可能關鍵因素，進行了一系列的實驗對其進行驗證，最終建立了介導長壽的組織特異性反應模型：

圖4 介導長壽的組織特異性反應模型

總結

研究者選擇蛋白組學層面，而非傳統的轉錄組對果蠅組織特異性蛋白組進行研究，通過在果蠅中突變IIS或者移除dFOXO來觀察相應蛋白組的變化，並選擇四個胰島素敏感的組織作為主要研究對象：腦、腸、脂肪體和肌肉。

研究表明，當系統性減少IIS活性時，主要的變化都是組織特異性的，並且其中60%都沒有在之前的轉錄組研究中發現。在脂肪體中，與核糖體和線粒體電子傳遞鏈相關的蛋白表達都有明顯的差異，並導致翻譯減少和線粒體呼吸增加。在腸中則是與蛋白酶體-泛素化介導的代謝相關，並且與蛋白酶體的組裝和活性相關。在脂肪體和腸中，呼吸和蛋白酶體活性的增加都是IIS突變體長壽的關鍵因素。更重要的是，在脂肪體和腸中控制線粒體產生或者蛋白酶體活性可以延長野生型果蠅的壽命。

本文通過蛋白組學分析揭示了果蠅各個組織，通過不同生理活動來改善衰老所帶來的影響的具體機制，為後續其他生物體內、包括人體不同組織介導長壽的具體機理的研究，提出了啟發和方向。

參考文獻：

1 Tain LS,et al.A proteomic atlas of insulin signalling reveals tissue-specific mechanisms of longevity assurance.Mol Syst Biol2017;13:939.

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