小鼠脑衰老与饮食干预对蛋白质泛素化景观的重塑及其在神经退行性疾病中的意义

本研究通过多组学方法揭示了衰老对小鼠大脑蛋白质翻译后修饰(PTMs)的深远影响，特别是泛素化(ubiquitylation)的显著改变。研究人员发现29%的泛素化位点变化独立于蛋白质丰度，表明PTM化学计量学的改变。利用iPSC来源的神经元证实35%的衰老相关泛素化改变可归因于蛋白酶体活性下降。更引人注目的是，通过饮食限制(DR)和再喂养(RF)干预可部分逆转衰老相关的泛素化改变。该研究不仅揭示了脑衰老的特异性泛素化特征，还为通过饮食干预调节蛋白质稳态提供了新思路，对理解神经退行性疾病的分子机制具有重要意义。

　　

随着年龄增长，大脑功能逐渐衰退，这背后隐藏着复杂的分子机制。蛋白质稳态(proteostasis)的破坏被认为是衰老和神经退行性疾病的关键特征之一，而蛋白质翻译后修饰(PTMs)在这一过程中扮演着重要角色。然而，衰老如何影响大脑中蛋白质的PTMs，特别是泛素化(ubiquitylation)这一调控蛋白质降解和功能的关键修饰，长期以来缺乏系统研究。更令人困惑的是，虽然已知饮食干预可以延缓衰老，但其对大脑蛋白质修饰的影响机制仍不清楚。

来自德国莱布尼茨衰老研究所的Antonio Marino、Domenico Di Fraia等研究人员在《Nature Communications》发表了一项开创性研究。他们采用多组学方法，首次全面描绘了衰老小鼠大脑中三种主要PTMs（泛素化、乙酰化和磷酸化）的变化图谱，特别聚焦于泛素化修饰的年龄依赖性改变。研究发现，与其他PTMs相比，泛素化在衰老过程中受到最显著的影响，且这些变化在很大程度上独立于蛋白质丰度的改变。通过比较短寿命鳉鱼(Nothobranchius furzeri)的数据，研究人员还鉴定出了跨物种保守的衰老相关泛素化特征。

研究采用了多项关键技术：质谱技术(MS)用于全面分析蛋白质组和PTMs；免疫沉淀结合质谱分析泛素化位点；诱导多能干细胞(iPSC)分化的神经元(iNeurons)模型模拟衰老相关变化；平行反应监测(PRM)技术精确定量不同泛素链类型；以及饮食限制(DR)和再喂养(RF)干预实验。样本包括3-4月龄(年轻)和33月龄(老年)雄性C57BL/6J小鼠的脑组织，以及26月龄小鼠的饮食干预实验。

Impact of aging on protein post-translational modification

研究发现衰老对大脑蛋白质泛素化的影响远超其他PTMs。主成分分析(PCA)显示年轻和老年大脑的泛素化谱存在明显分离。值得注意的是，29%的泛素化位点变化独立于蛋白质丰度改变，表明是PTM化学计量学的特异性改变。这些变化与蛋白质半衰期延长相关，提示泛素化改变可能导致蛋白质周转异常。

Conserved ubiquitylation changes in aging mice and killifish

通过比较小鼠和鳉鱼数据，研究人员鉴定出48%的泛素化位点呈现跨物种保守的衰老相关变化。这些位点涉及突触、自噬、细胞骨架和代谢相关蛋白，如MYO1D、HSPA8和CAMK2A等，可能作为脑衰老的生物标志物。

Impact of proteasome and lysosome acidification inhibitors on the ubiquitylated proteome of iNeurons

使用iNeurons模型发现，蛋白酶体抑制剂硼替佐米(bortezomib)处理可重现约60%的衰老相关泛素化改变，而溶酶体酸化抑制剂巴佛洛霉素(bafilomycin)仅影响部分变化。这表明蛋白酶体活性下降是衰老相关泛素化改变的主要驱动因素之一。

Impact of aging and proteasome inhibition on ubiquitin-chain linkages

通过绝对定量(AQUA-PRM)技术发现，衰老大脑中K6、K11、K27和K33等非经典泛素链显著增加。这些变化在蛋白酶体抑制的iNeurons中部分重现，提示除蛋白酶体外还有其他机制参与泛素链组成的年龄相关改变。

Impact of dietary intervention on the brain ubiquitylated proteome

饮食干预实验显示，DR+RF可持久改变老年小鼠大脑的泛素化谱。虽然39%的位点变化与衰老效应叠加，但23%的位点呈现相反趋势，特别是突触和核糖体蛋白的泛素化被部分逆转，这可能解释了饮食干预对认知功能的保护作用。

这项研究系统揭示了脑衰老过程中泛素化景观的特异性改变，证实了蛋白酶体功能下降在这一过程中的核心作用。研究发现饮食干预可以调节部分衰老相关的泛素化改变，为通过营养策略干预脑衰老提供了分子基础。特别值得注意的是，研究鉴定出多个神经退行性疾病相关蛋白（如VCP、CNP等）的泛素化位点在衰老过程中发生改变，这些发现可能为相关疾病的早期诊断和干预提供新靶点。跨物种保守的泛素化特征进一步强化了这些发现的普适性意义。该研究为理解蛋白质稳态失调在脑衰老中的作用提供了全新视角，并为开发针对年龄相关神经退行性疾病的干预策略奠定了重要基础。