衰老的多维蛋白质组学研究

A rapidly increasing proportion of aging population has become a major social and economic problem in China today. Thus, understanding the process of aging and aging related diseases is particularly important. The aging-related functional decline of multiple organs often involves the dysfunction of protein molecules and the network they compose. In recent years, mass spectrometry-based proteomics has emerged as a high throughput tool to accurately characterize thousands of proteins of the whole proteome. This proposal will use mass spectrometry-based proteomics to study the mechanism of aging at the level of proteome. Previous aging studies using proteomic methods often focused on one aspect of proteins, but the protein dysfunction during aging may be associated with a variety of properties of proteins, such as protein modification, protein aggregates, etc. This proposed study will use Drosophila as a model organism to study proteomes in multiple dimensions during aging process, including protein abundance, protein aggregation, long-lived proteins, protein ubiquitination, and protein translation rate, etc., and compare such as with RNAseq data which has been generated. This project will seek to understand the dynamic changes at the level of proteome during aging process of Drosophila. With the existing genetic tools in Drosophila as a model organism, we expect this study will provide powerful new insights into the mechanisms of protein translation and mitochondrial proteins in the regulation of aging.

在老龄化问题日趋严峻的今天，衰老以及衰老相关疾病的研究具有重要的科学价值和社会意义。衰老是伴随个体年龄增长而表现出的多器官的渐进性功能退行，这些衰退往往和机体的蛋白质网络功能失调相关。基于高通量质谱的蛋白质组学技术可以对成千上万的蛋白质进行精确表征，使其成为衰老生物学研究的必要手段。已有的衰老蛋白质组研究多聚焦于蛋白质的表达变化，但蛋白质功能失调可能和蛋白质的多种特性相关，例如蛋白质修饰、蛋白聚集体、蛋白质稳态及降解等。本研究采用经典的果蝇衰老模型为研究对象，揭示衰老过程中多器官的蛋白质表达、蛋白质聚集、长寿蛋白、蛋白质泛素化修饰、蛋白质翻译速率等的变化，结合业已产生的基因组转录本表达数据，系统阐释衰老过程中的蛋白质组的多维变化。其中，针对蛋白质翻译及线粒体的深度研究有望对其调控衰老的作用提出机制上的解释。

蛋白质组的逐渐退化是衰老过程的重要特征之一。然而，目前对于在正常以及伴随疾病的衰老过程中，蛋白质组的动态变化还知之甚少。在本次研究中，我们以衰老果蝇为模型，绘制了后有丝分裂的体细胞为主的头部和肌肉组织，以及有丝分裂活跃的生殖细胞为主的睾丸组织的衰老蛋白质组图谱。数据表明，蛋白质组稳态的失调，可能是在衰老过程中的一个普遍特征。我们进一步使用脉冲细胞培养稳定同位素标记技术（Pulse-SILAC）研究蛋白质合成。我们发现，蛋白质的合成伴随衰老呈现下降趋势，特别是在与线粒体、神经传递和蛋白质稳态相关的通路中。重要的是，我们在人类衰老相关帕金森病的果蝇模型Pink1突变体中，发现其蛋白合成下降速度大大加快。.此外，利用稳定同位素标记，以及抗体富集泛素化蛋白质组的技术，我们进一步使用蛋白质组学分析了果蝇长寿蛋白质组的动态变化。描述了衰老期间长寿蛋白质在果蝇体细胞和生殖细胞中的分布，并揭示了更年老的长寿蛋白质会更优先发生泛素化修饰。我们鉴定了果蝇中长寿的组蛋白H2A泛素化修饰随衰老而增加，并且在小鼠、猴子和人类的组织样品中也能发现同样的现象。而在突变果蝇中，组蛋白H2A的泛素化水平降低，伴随着寿命增加以及更健康的表型。.综上所述，我们的多维度蛋白质组学研究显示衰老过程中的组织特异性的蛋白质动态变化，揭示了线粒体和蛋白质稳态相关蛋白在衰老过程中的重要作用。更重要的是，我们的数据还发现了一种进化上保守的衰老生物标志物——泛素化组蛋白H2A，建立了表观遗传调控与衰老之间的联系。