蛋白组学·2018文献阅读大赛：IMMP2L信号通路驱动细胞衰老的分子机制

精准医学与蛋白组学

2018.10.19

“蛋白组学·2018”线上文献阅读大赛开赛以来，陆续收到了很多参赛作品。经过评审团队精心的审阅、筛选后，精选出6篇优秀参赛作品，参赛作品将陆续在“精准医学与蛋白组学”学术平台发布。

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参赛者：刘洋老师，浙江大学医学院。

参赛作品：Cell Res：IMMP2L信号通路介导细胞衰老的分子机制

编者按： 细胞衰老是个体衰老的重要因素，从秦始皇到炼金术士到如今的科学家，从来都没有停止过对抗衰老的探索。随着科技和医疗的发展，现在人们已经能够更好地理解衰老，在全球人口老龄化进程不可避免的今日，学界和大众都对衰老相关的研究都抱以厚望，希望能够更好地理解并减缓衰老。

近期研究表明选择性的杀死一些衰老细胞可以减轻老年病的症状。虽然关于细胞衰老机制的研究很多，如端粒，p53、p38通路，癌基因激活等等，但目前已知的衰老相关机制大多是其他生物学过程共有的，因此研究细胞衰老特有的机制显得尤为迫切。

能量代谢和细胞衰老是近年来炙手可热的研究领域，5月28日，国际专业学术期刊Cell Research 报道了杜克大学终身讲席教授王小凡院士与中国科学院上海药物研究所谭敏佳研究员等科学家的最新研究成果。本研究通过组学及蛋白质谱发现了IMMP2L两个重要底物，代谢酶GPD2和凋亡诱导因子AIF，系统地阐释了线粒体内膜肽酶IMMP2L在细胞衰老和细胞死亡之间决定性的作用。

研究速读

1、流式细胞术，分选衰老细胞与静息细胞

首先，作者利用EGFR抑制剂诱导细胞衰老，通过SA-ß-gal染色将衰老细胞与静息细胞区分，并使用流式细胞术分选这两种细胞。

图1 流式细胞术分选衰老细胞与静息细胞

2、转录组分析，揭示细胞衰老的特异性决定因子

随后作者分析了这两种细胞样本转录组，并对转录组数据做了GO富集分析。除了预期的DNA复制相关的通路在衰老细胞种富集之外，作者还发现，肽链内切酶活性相关蛋白(丝氨酸蛋白酶抑制剂SERPIN)也在衰老细胞中富集。早前研究显示，SERPIN家族蛋白PAI-1参与到衰老诱导过程中。作者在NHBE细胞中过表达了SERPIN家族成员，发现只有SERPINB4对启动细胞衰老起重要作用。

图2 转录组PCA分析，揭示细胞衰老的特异性决定因子

3、蛋白组学阐述细胞衰老的分子机制

为了研究SERPINB4可能的靶点，作者用抗体将SERPINB4蛋白复合体IP，根据条带大小以及文献报道，推测SERPINB4作用于线粒体内膜肽酶IMMP2L使之降解，IMMP2L不能发挥功能从而使线粒体功能异常引起细胞衰老。

为了研究IMMP2L的下游信号通路，作者利用稳定同位素标记的蛋白质组学（SILAC），对过表达IMMP2L的细胞和对照组细胞进行质谱分析。发现了IMMP2L的两个底物GPD2和AIF。

图3 蛋白组学分析work flow

研究人员推断，过表达IMMP2L后，其底物蛋白总量不会改变，但是由于IMMP2L表达量增加，成熟形式的底物蛋白会增加。质谱结果显示GPD2和AIF蛋白的表达模式与预测一致，表明这两个蛋白是IMMP2L的底物。

随后，作者用shRNA敲降GPD2后，诱发细胞衰老，这一现象表明IMMP2L缺失引起的衰老与其下游底物GPD2相关。

图4 IMMP2L-GPD2通路示意图

在糖酵解过程中，GPD2催化磷酸二羟丙酮还原生成3-磷酸甘油醛，同时可以将NADH氧化。作者利用质谱分析发现，脂质代谢物在衰老细胞中明显减少，IMMP2L-GPD2通路在磷脂产生过程中十分重要，抑制该通路导致细胞膜必要成分缺失造成细胞周期阻滞。

高的活性氧ROS环境会造成IMMP2L-GPD2通路关闭，但是这一过程可能会引起细胞死亡也可能会造成细胞衰老，那么氧化压力下衰老相关的decision-making是研究的重点。

IMMP2L的另一个底物AIF有两种存在形式，正常情况下mAIF调节线粒体呼吸，mAIF可以被剪切形成tAIF，促进细胞凋亡。IMMP2L作为肽酶可以将mAIF切割成tAIF形式。在H202刺激条件下，IMMP2L过表达的细胞凋亡更多。因此，衰老细胞中IMMP2L通路关闭保证细胞进行衰老进程。

概括起来，该文章使用转录组分析找到了差异基因，确定了感兴趣的目标，进一步通过蛋白组和质谱，非常巧妙而又简单直接地将机制阐述清晰，文章内容得以丰富，为研究者提供了非常好的研究思路。传统的信号通路研究只看到了一块砖，需要无数研究者的无数块砖最终拼出这面墙的样子。在当今众多研究手段中，组学的发展让我们得以直截了当地看到了这面墙。

参考文献：

Yuan L, et al. (2018), Switching off IMMP2L signaling drives senescence via simultaneous metabolic alteration and blockage of cell death. Cell Research.

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