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新熱點：蛋白水解酶在衰老中的作用
導讀
蛋白質平衡紊亂是衰老和衰老相關疾病的主要原因。泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體在蛋白穩定中起著關鍵作用，但除了這些系統外，人類基因組還編碼約600種蛋白水解酶，也稱為多肽酶。在這里，作者研究了蛋白水解酶在衰老和老年相關神經退行性變中的作用。小編主要從蛋白水解酶如何影響細胞衰老的特征這一角度來為大家打開思路。具體地說就是蛋白酶調控線粒體功能、DNA損傷修復、表觀遺傳學改變、營養感應、細胞衰老、干細胞耗竭、應激反應、蛋白質質量控制、以及細胞間信號。
背景簡介
在蛋白質降解途徑中，降解錯誤折疊的、易于聚集的蛋白質可以調節細胞衰老。目前為止，大多數研究已經確定了蛋白平衡在衰老過程中具有重要作用，主要集中在泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體系統的作用。另外，還有一大類的蛋白水解酶/肽酶，具有不同的細胞內和細胞外定位。這些蛋白水解酶可以作為單酶、與伴侶的異源多酶復合體、跨膜/膜內，和/或可以被分泌到細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定、端粒磨損、表觀遺傳學改變、蛋白穩定性喪失、營養感知失調、線粒體功能障礙、細胞衰老、細胞間通訊改變和干細胞耗竭(圖2)。因此，這些蛋白水解酶的調節可以影響一些與年齡相關的病理的發生和發展，包括神經退行性變。在本文中，小編結合這篇綜述1介紹蛋白水解酶在細胞衰老中作用，并引入相關的例子供大家研究。
線粒體功能障礙是衰老的標志之一，與許多與年齡相關的疾病有關。目前存在多種保護線粒體功能的細胞策略，比如，通過線粒體不同細胞活性(AAA)家族相關的ATPase可以選擇性地降解無功能的線粒體蛋白，從而延緩衰老。位于線粒體基質、內膜和膜間隙中的蛋白水解酶在維持線粒體蛋白穩定和衰老過程中發揮重要作用。此外，線粒體蛋白水解酶還被發現與幾種人類疾病有關。對于線粒體基質和內膜的蛋白質，兩個獨立的伴侶系統，HSP60和線粒體HSP70(MtHSP70)，促進蛋白質折疊。下文的作者發現LONP1，一種線粒體基質的AAA+蛋白酶，與mtHSP70伴侶一起工作，促進線粒體蛋白質的折疊。抑制LONP1會導致一個蛋白質亞集的聚集，類似于敲除mtHSP70的輔助伴侶DNAJA3所引起的聚集。顯示出蛋白分解活性，并與線粒體基質中的mtHSP70密切相關地幫助蛋白質折疊2。
這項研究強調，線粒體蛋白水解酶調節線粒體內蛋白平衡。此外，盡管我們已經廣泛了解線粒體蛋白酶，但它們的活性在衰老中發揮的作用還需要更多的研究。
除了線粒體之外，細胞核是另一個重要的細胞亞室，其中蛋白平衡受到蛋白酶的調節。DNA損傷是衰老的一個主要標志，已經發現幾種核蛋白水解酶對其進行調節。其中DNA-蛋白質交聯物(DPC)是一種可以造成DNA損傷物質，它可通過阻礙DNA復制而導致細胞和生物應激。如果不加以修復，DPC可能會損害基因組的穩定性，從而導致早衰綜合癥和癌癥。但DPC可以通過一種特殊的酶——蛋白酶SPRTN來清除。有人發現SPRTN激活所需的脫泛素酶VCPIP1，并進一步證明SPRTN的激活受兩步翻譯后修飾、去泛素化和乙酰化的調節。通過這種方式，細胞可以控制SPRTN的活性，從而促進DPC修復、基因組穩定和抗衰老3（圖4）。
除了作用于DNA-蛋白質交聯鏈的蛋白酶，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)修復途徑。總之，這些研究表明了蛋白酶在DNA損傷反應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、組蛋白交換和依賴于ATP的染色質重構是基因表達的關鍵決定因素。染色質和DNA可及性的改變（與年齡相關）會導致基因表達的變化并降低基因組的穩定性。在這種背景下，蛋白酶裂解組蛋白“尾巴”是衰老和疾病過程中基因表達表觀遺傳調控的一種新機制。
比如組蛋白3（H3）位于細胞核內，與染色質結合。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及其切割產物(H3.3cs1)的異位表達足以誘導衰老。化學性和基于siRNA的組織蛋白酶L的抑制和H3裂解的抑制會損害衰老相關的染色質修飾。全基因組轉錄圖譜顯示，H3.3cs1的異位表達足以通過轉錄沉默等細胞周期調節因子，如Rb/E2F基因，可能通過永久移除H3K4me3而誘導衰老4。總體而言，作者的研究確定組蛋白H3.3及其蛋白降解加工形式是細胞衰老的關鍵調節因子。
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程中不可缺少的一部分，溶酶體代謝產物參與營養感知。此外，還有一些非溶酶體蛋白水解酶參與營養感知。比如，在酵母中，發現Ypf1是一種定位于內質網(ER)的SPP型蛋白酶。Ypf1與ER相關降解(ERAD)因子Dfm1和Doa10在功能上相互作用，它可以調節跨膜營養轉運蛋白的豐度。總而言之，下文作者表明Ypf1介導的質膜轉運蛋白的翻譯后調節對于早期感知和適應營養耗竭是必不可少的5。
蛋白酶在營養感知中具有重要作用。然而，目前還沒有發現，這些蛋白水解酶的功能改變是導致衰老和年齡相關代謝性疾病期間營養感知紊亂的原因。
所謂的干細胞耗竭并非是指干細胞數量的減少，而是指干細胞功能隨著老化逐漸下降。干細胞耗竭的本質同細胞衰老，決定干細胞衰老的部位是細胞核，而非細胞質。再生能力降低和干細胞功能障礙是衰老的一個標志，有幾個蛋白酶調節干細胞功能的例子。其中包括泛素蛋白水解酶。
比如下文中6，在小鼠中發現了蛋白酶可以維持生殖系干細胞功能。通過對條件性LONP1基因敲除小鼠卵母細胞的研究，發現線粒體蛋白水解酶LONP1基因的條件性敲除會損害卵泡的發育，并導致卵母細胞進行性死亡、卵巢儲備喪失和不孕不育。另外，LONP1的消融導致AIFM1從胞漿移位到胞核，引起小鼠卵母細胞的凋亡。總體而言，這說明了蛋白酶可能通過各種機制調節干細胞特性和再生能力。
蛋白酶體是蛋白質降解途徑中的一種重要成分。當蛋白酶體的功能受到挑戰時，蛋白酶體應激的狀態就會誘導出一種適應性的應激反應，這種應激反應存在于非蛋白酶體蛋白的表達中，也部分彌補了蛋白酶體功能障礙。
在果蠅中發現，誘導蛋白酶體應激(通過針對蛋白酶體組件的肌肉特異性RNAi)可以導致蛋白酶局部和系統適應性表達（在骨骼肌和中樞神經系統中）。而骨骼肌中蛋白水解酶的局部誘導可能依賴于C/EBP轉錄因子，遠端組織中蛋白酶的誘導則依賴于肌肉分泌的淀粉酶Amyrel，它促進CG9733和CG7142蛋白酶的表達。重要的是，視網膜中CG9733和CG7142的基因敲除會增加衰老過程中病理性Huntingtin-72Q的聚集，這表明在Amyrel介導的適應性應激信號時，這些蛋白酶確實維持了蛋白穩定。總而言之，這項研究強調了在骨骼肌、視網膜和大腦中，應激誘導的適應性信號在衰老過程中會保持蛋白穩定，并且這一過程可能依賴于蛋白酶(圖8)。
衰老以及各種神經退化類疾病多與蛋白質內穩態受損相關。這種內穩態一旦失衡，就會觸發細胞的適應性變化，造成細胞的凋亡。新合成的肽鏈中，有一些不能折疊成為正確的形狀，已經折疊好的蛋白質分子也有可能變性。為了應付這種情況，細胞發展出了多種機制來減少折疊錯誤和清除折疊錯誤的蛋白。
一項對果蠅光感受器的研究發現7，蛋白酶HighRoad是降解易錯折疊的突變體視紫紅質-1所必需的。由于Rhodopsin-1突變，HighRoad蛋白酶的消融會加速視網膜退化。有趣的是，HighRoad似乎可以適應應激反應，當視紫紅質突變時，HighRoad可以保持蛋白平衡。總之，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突變引起的視網膜變性。
系統信號的紊亂是衰老的一個重要組成部分。因為蛋白水解酶位于各種亞細胞結構和細胞外空間，它們可以影響細胞外的蛋白分解，從而影響組織間的信號轉導。此外，除了蛋白分解作用外，蛋白水解酶還可以作為信號分子發揮內分泌作用，在衰老和疾病期間調節體內平衡(圖10)。蛋白水解酶的細胞間信號傳遞有三種方式：通過分泌型蛋白水解酶實現遠距離組織間的遠距離信號傳遞。例如，骨骼肌在運動時會分泌組織蛋白酶，進而調節中樞神經發生（圖10 A）；滲入受損組織的炎癥細胞和腫瘤細胞分泌的蛋白酶可被靶細胞攝取（圖10 B）；分泌的蛋白水解酶還可以切割靶細胞上的蛋白水解酶激活的受體，導致受體激活和隨后的信號轉導（圖10 C）。
細胞衰老是組織和組織衰老的關鍵決定因素。蛋白水解酶可以調節細胞內信號和衰老調節因子的表達來影響細胞衰老。比如在衰老細胞中，SU(Var)3-9、ZEST增強子和Set8酶調節p21的表達。具體地說，泛素蛋白水解酶USP17從Set8中去除泛素標簽，從而導致p21的轉錄抑制進而避免細胞衰老。相反，絲氨酸蛋白酶抑制劑serpinB2通過穩定p21來促進衰老，可能是通過阻止蛋白酶介導的p21降解。
作為衰老相關分泌表型（SASP）的一部分，衰老細胞膜上特有的膜蛋白水解酶(DPP4)可與衰老細胞分泌的胞外蛋白水解酶一起調節細胞外蛋白分解。SASP蛋白酶包括基質金屬蛋白酶(MMPs)、絲氨酸蛋白酶和纖溶酶原激活途徑的調節因子。衰老細胞分泌的MMPs還可以推動腫瘤的發生。具體來講，將衰老的成纖維細胞與腫瘤細胞共同移植到免疫受損的小鼠后，腫瘤細胞的存活率增加。這種促腫瘤作用似乎源于腫瘤相關成纖維細胞產生的基質金屬蛋白酶(MMP)，因為注射基質金屬蛋白酶抑制劑GM6001消除了體內移植瘤的大小和增殖差異。總而言之，作為SASP的一部分，蛋白酶的存在可能導致細胞衰老。
全文總結
眾所周知，衰老關乎人類的健康和壽命。隨著生物學知識的積累以及現代生物技術的發展，關于衰老的研究達到了前所未有的深度。此外，衰老一直是研究熱點，細胞衰老涉及的通路，隨便一條拿出來都是國自然熱點。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域的應用，但仍有許多未知內容有待研究。總之，更好地了解蛋白酶在衰老和老年性疾病中的作用將有助于更全面地理解衰老過程，同時這一切入點就屬于新奇性思路，也就是從另外一種角度來看待衰老。
參考文獻
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