线粒体钙传感器Tusc2以性别特异性方式保护衰老海马体免受蛋白质稳态崩溃

《Mechanisms of Ageing and Development》：Mitochondrial calcium sensor Tusc2 protects the aging hippocampus from proteostasis collapse in a sex-specific manner

摘要专业翻译 衰老是一个系统性过程，其特征是线粒体功能逐渐衰退，导致ATP产生减少、钙稳态失调和蛋白质稳态受损。这些变化导致进行性记忆丧失、嗅觉和听觉缺陷、慢性炎症及其他与年龄相关的病理变化。大脑因其高能量需求、对钙调控的突触活动的依赖以及对蛋白质质量控制的严格要求，尤其容易受到与年龄相关的线粒体衰退的影响。与这种脆弱性一致，慢性线粒体功能障碍是与衰老相关的痴呆症和多种神经退行性疾病的基本特征。尽管存在这种关联，线粒体衰老与认知衰退之间的机制联系仍知之甚少，部分原因是缺乏线粒体缺陷的小鼠模型。目前仍不清楚线粒体功能障碍如何在大脑中表现并产生痴呆样表型，以及为什么男性和女性在线粒体韧性和对认知衰退的易感性方面存在如此显著的差异。 此前，研究人员鉴定并表征了Tusc2（也称为Fus1）——一种小型（110个氨基酸）、进化上保守且普遍表达的线粒体驻留蛋白，含有Ca2?结合的EF-hand样基序和肉豆蔻酰开关结构域，提示其具有Ca2?调控的构象活性。研究人员还证明Tusc2是细胞内Ca2?通量和线粒体稳态的关键调控因子，调节ATP产生、氧化还原平衡和线粒体应激反应。尽管Tusc2缺失在小鼠中不致死，但会适度缩短寿命，并产生与加速衰老一致的系统性表型，类似于散发性阿尔茨海默病（sAD）。在细胞水平上，Tusc2缺失损害多条线粒体质量控制通路，包括能量产生、自噬和线粒体自噬。重要的是，Tusc2是一个单倍剂量不足基因，因此即使其表达部分减少——通过突变、染色体丢失或转录下调——也会导致蛋白量不足以维持正常功能。 在本研究中，研究人员聚焦于海马体（HP）——一个对学习和记忆至关重要的大脑区域——以确定Tusc2缺乏如何影响已知在人类中导致记忆丧失的分子通路。为评估转化相关性，研究人员首先利用GTEx和AlzData数据集检查了TUSC2在人类衰老和AD过程中大脑及外周组织中的表达动态。研究人员进一步研究了精选的一组人类钙调控基因中与年龄相关的改变，并将这些模式与AD数据集交叉比对，以识别在AD中发生额外下调的Ca2?相关蛋白——包括TUSC2。为解释性别依赖性效应，研究人员对4月龄雄性和雌性WT及Tusc2 KO小鼠的海马体组织进行了RNA测序和蛋白质组学分析，以定义认知衰退早期阶段Tusc2依赖性分子程序。通过将这些数据集与人类海马体数据整合，本研究旨在（i）验证Tusc2 KO小鼠作为加速脑衰老模型的可靠性，（ii）揭示保守的Ca2?相关神经退行性变和内源性神经保护机制，以及（iii）识别缓解与年龄相关的记忆丧失和痴呆的潜在治疗靶点。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

衰老是一个系统性生物学过程，其核心特征之一是线粒体功能进行性衰退，表现为ATP产生减少、钙稳态失调和蛋白质稳态受损。这些变化与进行性记忆丧失、嗅觉和听觉缺陷、慢性炎症等年龄相关病理密切相关。大脑因其极高的能量需求、对钙调控突触活动的依赖性以及对蛋白质质量控制的严格要求，对线粒体衰老尤为敏感。慢性线粒体功能障碍已被公认为衰老相关痴呆和多种神经退行性疾病的基础特征。然而，线粒体衰老与认知衰退之间的机制联系仍不明确，主要受限于缺乏合适的线粒体缺陷小鼠模型。此外，男性和女性在线粒体韧性和认知衰退易感性方面存在显著差异，其背后的分子机制尚不清楚。

Tusc2（也称Fus1）是一种由110个氨基酸组成的小型线粒体驻留蛋白，含有Ca2?结合的EF-hand样基序和肉豆蔻酰开关结构域，进化上高度保守且普遍表达。已有研究表明，Tusc2是细胞内Ca2?通量和线粒体稳态的关键调控因子，参与ATP产生、氧化还原平衡和线粒体应激反应的调节。Tusc2缺失小鼠虽不致死，但寿命缩短，并在3–5月龄时出现记忆障碍、嗅觉和听觉衰退、慢性低度炎症等加速衰老表型，与散发性阿尔茨海默病（sAD）特征相似。Tusc2还是一个单倍剂量不足基因，其表达的部分减少即可导致功能不足。基于上述背景，本研究聚焦海马体（HP），旨在阐明Tusc2缺乏如何影响已知与人类记忆丧失相关的分子通路，并揭示性别依赖性效应。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员利用GTEx和AlzData人类数据库，分析了TUSC2在衰老和阿尔茨海默病（AD）过程中大脑和外周组织的表达动态，并交叉比对了25个线粒体和内质网钙调控基因的表达模式。动物实验方面，研究人员对4月龄雄性和雌性Tusc2敲除（KO）小鼠和野生型（WT）小鼠（每组4只KO和3只WT）的海马体组织进行了RNA测序（RNA-Seq）和基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的蛋白质组学分析。此外，通过PROTEOSTAT染色检测蛋白聚集体，通过PSD-95免疫荧光分析突触后致密区蛋白的层状分布。生物信息学分析采用了GSEA、EnrichR、ShinyGO等通路富集工具，并进行了跨物种保守通路比较。

三、研究结果

3.1 Tusc2缺失导致海马体转录组的性别特异性重塑

RNA-Seq分析显示，雄性Tusc2 KO小鼠海马体中有3962个差异表达基因（DEGs）（1929个下调，2033个上调），而雌性仅有85个DEGs（35个下调，50个上调）。雄性下调基因富集于79条KEGG通路，涵盖信号通路、突触相关过程、脑结构与功能完整性及神经退行性疾病等五大功能类别；上调基因则富集于氧化磷酸化（OxPhos）、蛋白质代谢等通路。雌性上调基因显著富集于内质网蛋白质加工通路，包含8个经典未折叠蛋白反应（UPR）介导因子。44个两性共有DEGs中，38个变化方向一致，6个方向相反。

3.2 线粒体与ROS相关基因表达改变

雄性Tusc2 KO小鼠海马体中鉴定出274个线粒体DEGs，而雌性仅3个。雄性表现出广泛的氧化应激特征，包括抗氧化基因（Sod1、Prdx2等）的代偿性上调，以及氧化磷酸化系统的严重失调（23个Nduf亚基、5个ATP合酶亚基和2个复合物III亚基），并伴随谷氨酸能信号传导的抑制。此外，雄性特异性上调了促凋亡酶Casp8（2.52倍），与AD中的神经元死亡相关。

3.3 逆行内源性大麻素信号通路破坏

雄性Tusc2 KO小鼠表现出显著的逆行内源性大麻素信号通路（RESP）失调，涉及Ca2?调控的Complex I Nduf因子、内源性大麻素合成/降解酶、钙通道、G蛋白、CB1脱敏激酶、囊泡运输调控因子和腺苷酸环化酶等多组分的下调。蛋白质组学进一步证实了突触囊泡释放机制（Syt2、Bsn、Pclo）的功能障碍，提示神经元虽已装载神经递质却无法有效释放，整体处于突触抑制状态。

3.4 性别特异性内质网应激反应损伤

雄性Tusc2 KO小鼠在PERK–ATF4轴有超过24个DEGs，在IRE1α分支有12个DEGs，并选择性上调了Ddit3/Chop——一种适应不良的内质网应激标志。雄性还表现出eIF2α去磷酸化受损和全局翻译抑制，符合适应不良的整合应激反应（ISR）特征。相比之下，雌性表现为有限的PERK-ATF4激活但强效的ATF6分支诱导，提示适应性代偿反应。雄性还出现了38个内质网应激反应性即早基因（IEGs）的下调，包括Arc、Fos、Jun、Egr1/2/4等，这些基因对维持突触完整性和可塑性至关重要。

3.5 钙信号与突触可塑性扰动

雄性海马体中钙信号通路有37个显著下调基因，涉及LTP/LTD生成相关基因和蛋白。蛋白质组学确认了钙调蛋白、Atp2b2、Camk2d、Cacna1e、Cacnb1–4、Calr、Vdac1及钙调磷酸酶亚基的下调。代偿性变化包括线粒体Ca2?感应门控因子Micu1和Micu2的上调，以及内质网Ca2?再摄取增强因子Atp2a3的上调。

3.6 雄性特异性内分泌失调与昼夜节律网络紊乱

雄性Tusc2 KO小鼠表现出广泛的内分泌重塑，包括多巴胺能/神经肽信号增强、生长抑素系统抑制和广泛的GPCR重塑。昼夜节律方面，雄性有14个昼夜节律基因改变，雌性有6个，其中Klf10和Per1在两性中变化方向相反。雄性还表现出昼夜节律夹带通路的广泛失调。

3.7 蛋白质组学揭示雄性海马体广泛的蛋白质稳态崩溃

雄性Tusc2 KO海马体蛋白质组呈现显著不对称改变：1118个蛋白显著下调，仅166个蛋白上调。下调蛋白中包括149个线粒体蛋白（占24.5%），涉及ATP合酶亚基（n=16）、电子传递链复合物I–IV蛋白（n=33）、线粒体转运和膜蛋白（n=45）及三羧酸循环酶（n=26）。蛋白质稳态相关蛋白（n=187，约31%）和突触功能蛋白（n=141，约23%）是受影响最突出的功能类别。上调蛋白则包括聚集小体相关蛋白（n=31）和细胞骨架/转运蛋白（n=23），反映损伤遏制而非修复的应激反应，且无任何OxPhos组分上调。

3.8 转录-蛋白质组解偶联

RNA和蛋白质整合分析鉴定出246个双层面检出的基因。其中104个基因在RNA和蛋白水平一致下调，17个一致上调；116个基因转录本增加但蛋白表达减少，9个基因相反。转录增加但蛋白减少的基因富集于UPR、分子伴侣、自噬/线粒体自噬、RNA监视和翻译等通路，提示翻译抑制和蛋白质清除障碍导致的广泛解偶联。

3.9 Tusc2缺乏促进大蛋白聚集体积累并改变PSD-95层状分布

PROTEOSTAT染色显示，Tusc2 KO小鼠海马体中蛋白聚集体数量无显著差异，但平均直径显著增加约24%（KO/WT=1.24；p=0.029），且粒径分布右移，提示Tusc2缺乏主要改变聚集体加工或清除而非形成。PSD-95免疫荧光分析显示，KO小鼠神经毡中PSD-95强度呈下降趋势，层状对比度降低（KO/WT=0.49），且该效应在486种分析参数组合下方向一致，表明Tusc2缺乏优先影响神经毡相关的突触后支架组织。

3.10 人类数据：TUSC2随衰老和AD进行性下降

GTEx数据库分析显示，TUSC2在54种组织中普遍表达，大脑中水平最高。在13个脑区中，11个脑区表现出随年龄的进行性显著下降，外周血和13个高能量需求组织也呈急剧下降。AlzData分析显示，TUSC2在sAD患者四个记忆相关脑区中进一步下降。在25个钙调控基因中，仅TUSC2和MICU1在大脑多个区域表现出广泛的年龄相关下调并在AD中进一步下降。

3.11 人类与小鼠模型保守通路

将Tusc2 KO小鼠的1945个下调基因与衰老人类海马体中同等数量进行性下调基因比较，KEGG分析显示谷氨酸能、多巴胺能和胆碱能突触通路以及轴突导向通路在两者中均显著富集，这些神经递质系统对记忆至关重要且已知在AD和帕金森病中退化。

四、讨论与结论

本研究通过多组学整合分析，系统阐明了线粒体钙传感器Tusc2在保护衰老海马体蛋白质稳态中的关键作用，揭示了其性别特异性机制。雄性Tusc2 KO小鼠表现出广泛的线粒体功能障碍、氧化磷酸化失调、钙信号通路破坏、内质网应激适应不良、转录-蛋白质组解偶联、蛋白聚集体增大和突触后组织受损等多层面的蛋白质稳态崩溃；而雌性则通过激活适应性内质网应激反应表现出更强的韧性。人类数据进一步证实TUSC2在衰老和AD中均呈进行性下降，且TUSC2和MICU1是钙调控基因中少数在大脑广泛区域随年龄下降并在AD中进一步降低的成员。跨物种比较揭示了衰老人类和Tusc2 KO小鼠海马体之间保守的突触通路退化特征。这些发现验证了Tusc2 KO小鼠作为加速脑衰老模型的可靠性，揭示了保守的Ca2?相关神经退行性变机制，并提示TUSC2及其下游通路可能成为缓解年龄相关记忆丧失和痴呆的潜在治疗靶点。