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科研進展

董梦秋實驗室和华中科技大学薛宇實驗室合作揭示蛋白质磷酸化调节线虫寿命的机制

發布時間:2021/08/03

什么决定了物种寿命?如何活得健康长寿?秘密和惊喜隐藏在秀丽线虫小小的身体里。秀丽线虫带给衰老研究的首个惊喜是单基因的单碱基突变能延缓衰老、使寿命翻倍(Kenyon et al., 1993)。这个基因编码线虫胰岛素受体DAF-2,一个镶嵌于细胞膜上的受体酪氨酸激酶。DAF-2被激活后启动一连串由激酶介导的磷酸化事件,最终抑制FOXO转录因子DAF-16。胰岛素信号通路(insulin/IGF-1 signaling, IIS)在进化上高度保守,其中胰岛素样生长因子受体IGF1R和转录因子FOXO3的基因多态型被发现与长寿人群密切相关。关于 IIS 如何调控衰老,过去的研究集中在下游的转录调节上,而蛋白质的磷酸化调节长期被忽略。

2021年7月27日,香港快三/清华大学生物医学交叉研究院董梦秋實驗室联合华中科技大学薛宇實驗室,在Nature Communications在線發表了題爲Insulin signaling regulates longevity through protein phosphorylation in Caenorhabditis elegans的研究论文。论文报道了一万五千多个高可信磷酸化位点(包括新增的近一万个位点)、四百多个受 IIS调控的磷酸化位点、一个预测磷酸化位点功能重要性的算法工具和多条由蛋白质磷酸化介导的寿命调控途径。

如何从数据中寻找有生物学意义的信息是组学研究的限速步骤。磷酸化蛋白质组学数据充斥着大量与表型无关的“噪音磷酸化”(Landry et al., 2009),且磷酸化的功能验证耗时耗力,对衰老研究来讲更是雪上加霜。本文作者跳出常规分析套路,从文献中收集了 121 个有功能的线虫磷酸化位点作为阳性数据集,提取出功能磷酸化位点的六个特征,并用机器学习技术整合这六个特征,训练出一个预测线虫功能磷酸化位点的算法iFPS (inference of Functional Phosphosites)。

接下來作者比較了長壽daf-2线虫与包括野生型线虫在内的三个对照品系的磷酸化蛋白质组,并借iFPS之力筛选出25个受胰岛素信号调控的、潜在的功能磷酸化位点。其中绝大多数位点可以按所属蛋白的功能划分为FOXO信号、蛋白质翻译或细胞周期调控三类。作者从这三大类别中各选一个代表,即AKT-1 T492、EIF-2α S49和CDK-1 T179,探索了对它们在寿命调控中的作用。作者发现,1)daf-2突变体通过增强AKT-1 T492位点的磷酸化促进IIS通路的负反馈调节;2)daf-2突变体通过GCN-2激酶上调翻译起始因子EIF-2α S49位点的磷酸化水平,从而下调蛋白质合成、延长线虫寿命;3)daf-2突变体下调CDK-1 T179位点的磷酸化水平,导致CDK-1活性降低、生殖细胞增殖变缓和个体寿命延长。其中,EIF-2α磷酸化是协调营养代谢、mRNA翻译和寿命调控的关键节点。除了深挖三个位点,作者还在更高层面梳理了受IIS 影响的蛋白质磷酸化的共性,发现IIS广泛影响生殖腺蛋白的磷酸化以及包括CK2在内的9个促衰老激酶的活性。

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複雜調控。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,爲磷酸化蛋白質組學研究樹立了標杆。


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。


董梦秋實驗室的李文君博士、薛宇實驗室的王晨玮博士、董梦秋實驗室的陶莉博士和闫永红硕士是本文的共同第一作者。该论文的其他作者还包括薛宇實驗室的刘泽先博士、董梦秋實驗室的张美俊硕士、李玉欣硕士、赵汗青博士、李雪梅博士和贺显冬。华中科技大学薛宇博士和香港快三董梦秋博士是本文的共同通讯作者。该研究由中国科技部、北京市科委、国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金、长江学者奖励计划共同资助,由香港快三和华中科技大学共同完成。


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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