衰老导致蛋白稳态失衡的分子机制

撰文 | 漓

奥地利哲学家让·埃默里在《变老的哲学》最后写到“衰老和死亡是每个人的必经之路，我们正马不停蹄地走在这条路上”。衰老不仅是一个哲学问题，也是一个赤裸裸的生物学问题，至少从目前来看，衰老的终点是死亡。尽管“金銮殿前呼万岁”，但喊出“玉女河边敲叭梆”的武则天是不会相信自己真正能活到一万岁的，否则也不会想从胡惠超那里获得“一丸之药”。即使到了现在，我们追求“长生不老”的初心也一直没有改变，但我们不会再寄期望于重金属超标的仙丹，而是一本正经地用科学的思维去了解衰老进而想尽各种方法延缓衰老。

衰老的特征是随着时间机体生理完整性或者功能逐渐丧失并且死亡的风险逐渐增加。如果把1983年Michael R. Klass成功从秀丽隐杆线虫中分离出第一个长寿菌株定义为衰老研究“元年”的话（很长一段时间研究衰老被认为是伪科学），衰老领域也仅仅马上要达到不惑之年。2013年，西班牙国立研究中心的Manuel Serrano在Cell上发表了综述性文章The Hallmarks of Aging，在从分子角度上详细为我们总结了衰老的九大特征（如图），这九大特征也如九条大路，尽管不同的路上有不同的风景（即各种文章），但殊途同归，目的都是为了寻找可以延缓衰老的靶点，从而获得“一丸之药”。

在这九大特征之中，有一个叫做蛋白稳态失衡（Loss of proteostasis，proteostasis即protein homeostasis）。所谓蛋白稳态是细胞利用一系列质量控制机制来维持自身蛋白质组的稳定性和功能性，也可以简单来说是维持想要的、正确折叠蛋白的稳定性和降解不想要的或错误折叠蛋白。因此，新生成的蛋白会对蛋白稳态来说是一个潜在的威胁，因为新生蛋白在稳定性方面欠佳相对比较容易出现错误折叠的情况。

组成蛋白质的肽链是由mRNA在核糖体的结合下翻译而来，翻译这一过程可以分为翻译起始、翻译延伸和翻译终止，并且在翻译的同时，折叠、转运等也同时开始进行（共翻译途径，co-translational pathway）。翻译延伸阶段对于蛋白稳态非常重要，因为这一过程核糖体在mRNA上移动，其速度是可以发生变化的，短暂的减缓将会有助于蛋白质折叠、组装、招募分子伴侣等，如果这一“减缓”时间延长，翻译动力学发生改变，会导致核糖体碰撞（ribosome collision）以及新生多肽链降解或者聚集，甚至会出现疾病比如神经退行性疾病等。既然蛋白稳态失衡是衰老的一个特征，且翻译会影响到蛋白稳态，那么衰老是否会通过影响翻译来导致蛋白稳态失衡呢？

近日，斯坦福大学Judith Frydman在Nature上发表了文章Ageing exacerbates ribosome pausing to disrupt cotranslational proteostasis，以秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为研究模型，发现衰老可以改变翻译动力学，通过导致核糖体停滞加剧使蛋白质稳态失衡。

首先，研究人员对不同天数的秀丽隐杆线虫和酿酒酵母进行RIBO-Seq，发现翻译起始随着衰老降低，翻译相关蛋白比如核糖体蛋白等减少，但是与应激相关的蛋白表达升高（这与以往研究结果一致）。

核糖体停滞的情况如何呢？研究人员计算了翻译区域每一处位点的停滞指数，然而在全翻译组范围内并没有观察到停滞指数与年龄相关，平均氨基酸停滞指数也无显著差异。这一结果似乎与最初的设想不同，衰老并未带来系统性的翻译延伸停滞。于是研究人员把目光放在单密码子分辨率上并采用新的统计指标以衡量核糖体停滞（注：很早以前就有研究表明密码子的冗余性可以导致相同的蛋白以不同的速率进行合成，因此mRNA的序列会影响核糖体停滞，可以阅读2011年宾夕法尼亚大学Joshua B. Plotkin发表的大综述文章Synonymous but not the same: the causes and consequences of codon bias）。不出意外的是，研究人员发现了随着衰老数千个位点上的核糖体占位（即衡量核糖体停滞）增加，并且这些位点富集于与蛋白稳态和翻译相关的基因上，以及在共翻译泛素化的多肽链所对应的基因上。重要的是，核糖体停滞更偏好于脯氨酸（中性）、精氨酸（碱性）和赖氨酸（碱性）上。需要注意一点的是，既然核糖体停滞存在氨基酸偏好性，而这种氨基酸序列性在年轻以及衰老的细胞中均存在，所以在年轻细胞中也存在核糖体停滞的情况。

核糖体停滞“时间延长”会导致核糖体碰撞（ribosome collision，前面的核糖体停留的时间久了，导致后面的核糖体与它碰在了一起，从而可以形成双核糖体、三核糖体）。既然序列一样，年轻和衰老的情况下，核糖体碰撞是否也一样呢？研究人员审视了在年轻细胞中容易出现双核糖体的区域在衰老细胞中的表现，发现在衰老情况下形成双核糖体的可能性升高了，这一结果意味着衰老促进了核糖体碰撞，尤其是在多碱性氨基酸区域。

而核糖体碰撞对于细胞来说是有害的，因此细胞会启动核糖体相关质量控制机制（ribosome-associated quality control，RQC）进行新生成的肽链，比如通过Hel2识别碰撞的核糖体、通过Rqc2形成CAT尾（C-terminal alanine and threonine tail）和通过Ltn1/Rkr1泛素化，RQC异常则会导致新生链形成聚集体。研究人员利用报告基因实验发现在年轻细胞中发生核糖体滞留的新生肽链会被有效降解，而衰老细胞中则会形成新生肽链聚集体，然而这种聚集体并不会因为培养基或者代谢状态改变而出现，另外也反过来证明了RQC异常可以影响寿命。

总之，这项研究揭示衰老可以影响核糖体停滞，核糖体相关质量控制体系不能及时清除异常的新生肽链，导致聚集体的出现，从而使蛋白稳态失衡。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04295-4

制版人：十一

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