祝贺！中科院张耀阳课题组衰老的泛素化组学研究成果发表在Nat Commun
泛素化是一种常见的翻译后修饰类型（PTM），目前研究较多的是赖氨酸K48 位点的泛素化，能够标记受损或错误折叠的蛋白质，随后通过蛋白酶体进行降解。此外，其他赖氨酸残基如K63位点的泛素化，则主要介导细胞内信号事件，包括通过自噬的线粒体蛋白质周转更新、蛋白质亚细胞定位和转录调节。之前有关蛋白质泛素化的研究主要集中在半衰期较短的蛋白质上；而泛素化对长半衰期蛋白质（LLPs）的影响以及对成年人寿命的调节作用尚不清楚。
2019年5月21日，来自中国科学院生物与化学交叉研究中心的张耀阳课题组与刘南课题组在国际知名期刊Nature Communications上在线发表了与衰老相关的泛素化蛋白质组学研究成果。作者绘制出果蝇成体的体细胞组织和生殖组织中长半衰期蛋白质的全景图，并证实了H2A泛素化水平的降低，会显著延长果蝇的寿命和健康生存期。该项研究不但发现H2A泛素化是一种进化上保守的衰老标志物，同时还将表观遗传调控与衰老联系起来，为进一步揭示衰老相关疾病或生理性衰退的分子机制，提供可靠的理论依据。
作者首先通过哺乳动物稳定同位素标记（SILAM）技术，对不同年龄段的果蝇组织（头部、肌肉和睾丸）中的长半衰期蛋白质组，进行了准确的定性和定量 （图1a）。结果显示蛋白质组的表达水平呈现年龄依赖型变化，并且年轻个体和年老个体具有不同的蛋白质周转更新率（图1b）。肌肉、头部和睾丸蛋白质组中长半衰期蛋白质的比例分别为78.9%、55.8%30.6%。GO分析显示，三种组织共有的LLPs主要参与能量产生，头部特异性LLPs参与神经传递，而肌肉和睾丸中的LLPs则集中于细胞周期和代谢过程。
随后进一步通过蛋白质聚类分析，鉴定到一组具有极长半衰期的蛋白质（ELLPs），在头部、肌肉和睾丸中的数目分别为276、503和306个（图1c）。三种组织共有的16个ELLPs中，3个是组蛋白，4个是层粘连蛋白。对头部和肌肉共有的149个ELLPs的GO分析显示，核小体组装是最显著富集的类别（图1d）。值得一提地是，此前报道的所有长半衰期的大鼠组蛋白都出现于该GO类别中，这表明组蛋白作为ELLPs也是高度进化保守的。
图1、果蝇衰老过程中的长半衰期蛋白质组分析
鉴于泛素化在调节蛋白质周转更新中起着关键作用，因此作者将SILAM技术与基于抗体的泛素化富集相结合，对发生泛素化的蛋白质进行了准确地定性和定量。结果显示老旧的蛋白质具有更高的泛素化水平。作者随后重点关注了一组被显著泛素化的LLPs，包括肌球蛋白重链、电压依赖性阴离子选择性通道、钠/钾转运三磷酸腺苷酶，以及组蛋白。其中组蛋白H2A的第118位赖氨酸，及组蛋白H2B的多个氨基酸位点发生了显著的泛素化。由于哺乳动物中H2A的K119（对应果蝇H2A中的K118）是组蛋白单泛素化的保守位点，作者分别利用western blotting实验和质谱技术，检测了不同物种的H2A单泛素化水平与衰老的关系（图2a~g）。最终结果显示，H2A的泛素化水平升高受年龄调控，是一个高度保守的衰老生物标志物。
图2、 H2A单泛素化水平随着衰老而增加
为了揭示LLPs泛素化修饰的生物学意义，作者研究了H2A泛素化对果蝇成体寿命的影响。有鉴于之前的研究显示Sce和Su(z)2参与了H2A的泛素化调节，因此作者利用CRISPR/Cas9技术产生了Scec244和Su(z)2c433的位点特异性无效突变。寿命分析实验结果显示与野生型相比，无论是Scec244或Su(z)2c433的单突变体，还是Scec244；Su(z)2c433反式杂合双突变体，均呈现出H2A泛素化水平减少和寿命延长的现象，并且双突变体的寿命比单突变体更长（图3a，b）。以上数据表明ubH2A水平的降低与成体寿命有关。
图3、减少果蝇中H2A的泛素化水平能够延长果蝇成体寿命
由于组蛋白泛素化上调可能抑制某些基因的转录，因此作者选择对双突变体和野生型果蝇进行转录组分析，结果显示前者的谷胱甘肽相关途径和未折叠蛋白反应途径等发生了显著上调（图3c）。作者还进一步发现突变体的细胞氧化还原电位有明显升高，抗氧化能力增强（图3d，e），而这可能是导致成体寿命延长的机制之一。
综上所述，本文以果蝇为模型，采用定量质谱技术，系统分析了衰老过程中蛋白质组周转更新和泛素化的动态调节，揭示了果蝇长半衰期组蛋白H2A存在年龄依赖性的泛素化调控，并在不同物种中呈现进化上的保守性。此外，作者还发现突变果蝇体内H2A泛素化的减少与生存期延长和抗氧化应激能力的增强有关。总之，这项研究不但揭示了一个进化上保守的衰老生物标志物，而且将表观遗传调节与成人寿命联系起来，有助于与成体健康状况的改善。
参考文献：
Lu Yang, et al., 2019, Ubiquitylome study identifies increased histone 2A ubiquitylation as an evolutionarily conserved aging biomarker. Nature Communications.
