NIBS董梦秋研究组连发两篇文章 解析衰老机制

北京生命科学研究所董梦秋研究组致力于衰老过程及其调控机制等方面的研究，近期其研究组与其他研究组合作接连发表文章，分别解析了秀丽线虫衰老有关的两个蛋白：PUD-1 和 PUD-2的生物学功能，以及钙离子／钙调素依赖性蛋白激酶II（CAMKII）和蛋白磷酸酶Calcineurin与寿命调控之间的关联。

　　

生物通报道：北京生命科学研究所董梦秋研究组致力于衰老过程及其调控机制等方面的研究（专访董梦秋：学科交融，思想交融的结晶），近期其研究组与其他研究组合作接连发表文章，分别解析了秀丽线虫衰老有关的两个蛋白：PUD-1 和 PUD-2的生物学功能，以及钙离子／钙调素依赖性蛋白激酶II（CAMKII）和蛋白磷酸酶Calcineurin与寿命调控之间的关联。

在第一篇文章中，研究人员与和叶克穷实验室合作，针对长寿的daf-2突变体线虫中表达量增加最为显著的两个蛋白的生物学功能，展开了系统性研究。

秀丽线虫的daf-2基因编码人胰岛素受体的同源蛋白。daf-2突变体线虫的长寿表型早在二十年前就被发现，并由此触发了对衰老的分子遗传学的研究 (Kenyon et al. 1993)。daf-2突变体延缓衰老的机理一直是该领域的核心问题，至今仍然缺乏细致充分的阐述。2007年的一项定量蛋白质组学研究发现，相比于野生型，daf-2突变体中丰度增加最为显著的两个蛋白同属于一个功能完全未知的基因家族(Dong et al., 2007)。这两个蛋白被命名为PUD-1 和 PUD-2，该基因家族也因此被称为PUD家族。

为了了解PUD-1和PUD-2是否在衰老调节中发挥作用以及其具体的生物学功能，研究人员尝试了几乎所有能够实施的研究手段，包括遗传学、结构生物学、分析蛋白质相互作用和差异表达基因，最终没有发现任何PUD基因家族参与调节线虫寿命的证据。

意外地，研究人员发现缺失PUD基因家族的线虫（敲除6个或全部8个基因拷贝）可以抵抗异源表达的阿尔兹海默症淀粉样β肽（Aβ1-42）引起的瘫痪表型。线虫基因组编码的六个PUD同源蛋白中，PUD-1和PUD-2在肠道和上皮细胞中有很高的表达水平，并形成一个异源二聚体。该二聚体的晶体结构（分辨率1.9Å）显示，这两个蛋白有着相似的β-sandwich折叠方式，以独特的“面靠背”的方式形成了一个V型二聚体。其它四个同源蛋白（PUD-3，PUD-4，PUDL-1和PUDL-2）的表达部位不同于PUD-1和PUD-2，并且仅以单体形式存在。

另外一篇文章中，研究人员与中科院生物物理所袁增强实验室合作，发现除了经典的胰岛素信号传导通路，钙离子／钙调素依赖性蛋白激酶II（CAMKII）和蛋白磷酸酶Calcineurin也参与调控秀丽线虫的寿命，并且也通过FOXO家族转录因子DAF-16起作用。

虽然CAMKII和胰岛素信号通路中的AKT-1、AKT-2激酶都直接磷酸化DAF-16，但它们的磷酸化位点不同、引起的效应截然相反。AKT-1和AKT-2介导的磷酸化抑制DAF-16，使其滞留在细胞质中，不能进入细胞核启动“延年益寿”的基因表达程序。CAMKII磷酸化DAF-16第286位的丝氨酸 (S286)，促进DAF-16在细胞核内的定位、增强DAF-16的转录活性。Calcineurin则与CAMKII相拮抗，特异性去除S286的磷酸化修饰。所以，CAMKII持续激活的突变体线虫、胰岛素信号通路部分失活（导致AKT激酶活性降低）的突变体和Calcineurin缺失的突变体都比野生型长寿。

此外，CAMKII介导了包括饥饿、热胁迫以及氧化胁迫在内的一系列环境因素对DAF-16的调控。CAMKII和Calcineurin通过响应外部信号来调整DAF-16转录活性的方式是对胰岛素信号通路内分泌调节机制的补充。两者相互协调，以胰岛素信号为主，CAMKII和Calcineurin为辅，通过DAF-16整合信号，共同调节线虫的寿命。

研究人员还发现CAMKII和Calcineurin对FOXO的调控机制在进化上高度保守。在哺乳动物细胞中，CAMKIIA和Calcineurin通过FOXO3的特定位点（小鼠FOXO3第298位的丝氨酸，对应于DAF-16的S286位点）的磷酸化和去磷酸化来调节FOXO3的转录活性。糖尿病和其它一些衰老相关的疾病的发生可能与CAMKII和Calcineurin对FOXO3的调控失常有关。

原文摘要：

Characterization of PUD-1 and PUD-2, Two Proteins Up-Regulated in a Long-Lived daf-2 Mutant

C. elegans PUD-1 and PUD-2, two proteins up-regulated in daf-2(loss-of-function) (PUD), are homologous 17-kD proteins with a large abundance increase in long-lived daf-2 mutant animals of reduced insulin signaling. In this study, we show that both PUD-1 and PUD-2 are abundantly expressed in the intestine and hypodermis, and form a heterodimer. We have solved their crystal structure to 1.9-Å resolution and found that both proteins adopt similar β-sandwich folds in the V-shaped dimer. In contrast, their homologs PUD-3, PUD-4, PUDL-1 and PUDL-2 are all monomeric proteins with distinct expression patterns in C. elegans. Thus, the PUD-1/PUD-2 heterodimer probably has a function distinct from their family members. Neither overexpression nor deletion of pud-1 and pud-2 affected the lifespan of WT or daf-2 mutant animals, suggesting that their induction in daf-2 worms does not contribute to longevity. Curiously, deletion of pud-1 and pud-2 was associated with a protective effect against paralysis induced by the amyloid β-peptide (1-42), which further enhanced the protection conferred by daf-2(RNAi) against Aβ.

CAMKII and Calcineurin regulate the lifespan of Caenorhabditis elegans through the FOXO transcription factor DAF-16