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科研進展

董夢秋實驗室和華中科技大學薛宇實驗室合作揭示蛋白質磷酸化調節線蟲壽命的機制

發布時間:2021/08/03

什么決定了物種壽命?如何活得健康長壽?秘密和驚喜隱藏在秀麗線蟲小小的身體里。秀麗線蟲帶給衰老研究的首個驚喜是單基因的單堿基突變能延緩衰老、使壽命翻倍(Kenyon et al., 1993)。這個基因編碼線蟲胰島素受體DAF-2,一個鑲嵌于細胞膜上的受體酪氨酸激酶。DAF-2被激活后啟動一連串由激酶介導的磷酸化事件,最終抑制FOXO轉錄因子DAF-16。胰島素信號通路(insulin/IGF-1 signaling, IIS)在進化上高度保守,其中胰島素樣生長因子受體IGF1R和轉錄因子FOXO3的基因多態型被發現與長壽人群密切相關。關于 IIS 如何調控衰老,過去的研究集中在下游的轉錄調節上,而蛋白質的磷酸化調節長期被忽略。

2021年7月27日,北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院董夢秋實驗室聯合華中科技大學薛宇實驗室,在Nature Communications在線發表了題為Insulin signaling regulates longevity through protein phosphorylation in Caenorhabditis elegans的研究論文。論文報道了一萬五千多個高可信磷酸化位點(包括新增的近一萬個位點)、四百多個受 IIS調控的磷酸化位點、一個預測磷酸化位點功能重要性的算法工具和多條由蛋白質磷酸化介導的壽命調控途徑。

如何從數據中尋找有生物學意義的信息是組學研究的限速步驟。磷酸化蛋白質組學數據充斥著大量與表型無關的“噪音磷酸化”(Landry et al., 2009),且磷酸化的功能驗證耗時耗力,對衰老研究來講更是雪上加霜。本文作者跳出常規分析套路,從文獻中收集了 121 個有功能的線蟲磷酸化位點作為陽性數據集,提取出功能磷酸化位點的六個特征,并用機器學習技術整合這六個特征,訓練出一個預測線蟲功能磷酸化位點的算法iFPS (inference of Functional Phosphosites)。

接下來作者比較了長壽daf-2線蟲與包括野生型線蟲在內的三個對照品系的磷酸化蛋白質組,并借iFPS之力篩選出25個受胰島素信號調控的、潛在的功能磷酸化位點。其中絕大多數位點可以按所屬蛋白的功能劃分為FOXO信號、蛋白質翻譯或細胞周期調控三類。作者從這三大類別中各選一個代表,即AKT-1 T492、EIF-2α S49和CDK-1 T179,探索了對它們在壽命調控中的作用。作者發現,1)daf-2突變體通過增強AKT-1 T492位點的磷酸化促進IIS通路的負反饋調節;2)daf-2突變體通過GCN-2激酶上調翻譯起始因子EIF-2α S49位點的磷酸化水平,從而下調蛋白質合成、延長線蟲壽命;3)daf-2突變體下調CDK-1 T179位點的磷酸化水平,導致CDK-1活性降低、生殖細胞增殖變緩和個體壽命延長。其中,EIF-2α磷酸化是協調營養代謝、mRNA翻譯和壽命調控的關鍵節點。除了深挖三個位點,作者還在更高層面梳理了受IIS 影響的蛋白質磷酸化的共性,發現IIS廣泛影響生殖腺蛋白的磷酸化以及包括CK2在內的9個促衰老激酶的活性。

本研究極大豐富了線蟲磷酸化蛋白組學數據集,成功開發了線蟲功能磷酸化位點的預測算法iFPS,發現了IIS通過蛋白質磷酸化調節線蟲壽命的多種機制:既有直接由單底物的單磷酸化決定壽命的方式,又有多水平協同的反饋調節,還有集合了多重磷酸化事件、組織特異性影響壽命的復雜調控。本文數據分析精細嚴謹,數據挖掘渠道多、角度新,實驗驗證充分,為磷酸化蛋白質組學研究樹立了標桿。


左圖:線蟲功能磷酸化位點的預測工具iFPS。右圖:IIS通過蛋白質磷酸化調節線蟲壽命的多種機制。


董夢秋實驗室的李文君博士、薛宇實驗室的王晨瑋博士、董夢秋實驗室的陶莉博士和閆永紅碩士是本文的共同第一作者。該論文的其他作者還包括薛宇實驗室的劉澤先博士、董夢秋實驗室的張美俊碩士、李玉欣碩士、趙汗青博士、李雪梅博士和賀顯冬。華中科技大學薛宇博士和北京生命科學研究所董夢秋博士是本文的共同通訊作者。該研究由中國科技部、北京市科委、國家自然科學基金、中央高校基本科研專項資金、長江學者獎勵計劃共同資助,由北京生命科學研究所和華中科技大學共同完成。


參考文獻:


Kenyon C, Chang J, Gensch E, Rudner A, Tabtiang R. A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature 1993, 366(6454): 461-464.

Li WJ, Wang CW, Tao L, Yan YH, Zhang MJ, Liu ZX, et al. Insulin signaling regulates longevity through protein phosphorylation in Caenorhabditis elegans. Nature communications 2021, 12(1): 4568.

Landry CR, Levy ED, Michnick SW. Weak functional constraints on phosphoproteomes. Trends in genetics : TIG 2009, 25(5): 193-197.


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