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新热点：蛋白水解酶在衰老中的作用
导读
蛋白质平衡紊乱是衰老和衰老相关疾病的主要原因。泛素-蛋白酶体和自噬-溶酶体在蛋白稳定中起着关键作用，但除了这些系统外，人类基因组还编码约600种蛋白水解酶，也称为多肽酶。在这里，作者研究了蛋白水解酶在衰老和老年相关神经退行性变中的作用。小编主要从蛋白水解酶如何影响细胞衰老的特征这一角度来为大家打开思路。具体地说就是蛋白酶调控线粒体功能、DNA损伤修复、表观遗传学改变、营养感应、细胞衰老、干细胞耗竭、应激反应、蛋白质质量控制、以及细胞间信号。
背景简介
在蛋白质降解途径中，降解错误折叠的、易于聚集的蛋白质可以调节细胞衰老。目前为止，大多数研究已经确定了蛋白平衡在衰老过程中具有重要作用，主要集中在泛素-蛋白酶体和自噬-溶酶体系统的作用。另外，还有一大类的蛋白水解酶/肽酶，具有不同的细胞内和细胞外定位。这些蛋白水解酶可以作为单酶、与伴侣的异源多酶复合体、跨膜/膜内，和/或可以被分泌到细胞外空间的蛋白水解酶(图1)。
蛋白水解酶可以直接影响衰老的特征。它们被定义为基因组不稳定、端粒磨损、表观遗传学改变、蛋白稳定性丧失、营养感知失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、细胞间通讯改变和干细胞耗竭(图2)。因此，这些蛋白水解酶的调节可以影响一些与年龄相关的病理的发生和发展，包括神经退行性变。在本文中，小编结合这篇综述1介绍蛋白水解酶在细胞衰老中作用，并引入相关的例子供大家研究。
线粒体功能障碍是衰老的标志之一，与许多与年龄相关的疾病有关。目前存在多种保护线粒体功能的细胞策略，比如，通过线粒体不同细胞活性(AAA)家族相关的ATPase可以选择性地降解无功能的线粒体蛋白，从而延缓衰老。位于线粒体基质、内膜和膜间隙中的蛋白水解酶在维持线粒体蛋白稳定和衰老过程中发挥重要作用。此外，线粒体蛋白水解酶还被发现与几种人类疾病有关。对于线粒体基质和内膜的蛋白质，两个独立的伴侣系统，HSP60和线粒体HSP70(MtHSP70)，促进蛋白质折叠。下文的作者发现LONP1，一种线粒体基质的AAA+蛋白酶，与mtHSP70伴侣一起工作，促进线粒体蛋白质的折叠。抑制LONP1会导致一个蛋白质亚集的聚集，类似于敲除mtHSP70的辅助伴侣DNAJA3所引起的聚集。显示出蛋白分解活性，并与线粒体基质中的mtHSP70密切相关地帮助蛋白质折叠2。
这项研究强调，线粒体蛋白水解酶调节线粒体内蛋白平衡。此外，尽管我们已经广泛了解线粒体蛋白酶，但它们的活性在衰老中发挥的作用还需要更多的研究。
除了线粒体之外，细胞核是另一个重要的细胞亚室，其中蛋白平衡受到蛋白酶的调节。DNA损伤是衰老的一个主要标志，已经发现几种核蛋白水解酶对其进行调节。其中DNA-蛋白质交联物(DPC)是一种可以造成DNA损伤物质，它可通过阻碍DNA复制而导致细胞和生物应激。如果不加以修复，DPC可能会损害基因组的稳定性，从而导致早衰综合症和癌症。但DPC可以通过一种特殊的酶——蛋白酶SPRTN来清除。有人发现SPRTN激活所需的脱泛素酶VCPIP1，并进一步证明SPRTN的激活受两步翻译后修饰、去泛素化和乙酰化的调节。通过这种方式，细胞可以控制SPRTN的活性，从而促进DPC修复、基因组稳定和抗衰老3（图4）。
除了作用于DNA-蛋白质交联链的蛋白酶，蛋白酶还可以作用于同源重组(HR)和非同源末端连接(NHEJ)的双链断裂(DSB)修复途径。总之，这些研究表明了蛋白酶在DNA损伤反应和保持基因组完整性方面起到重要作用。
翻译后的组蛋白修饰、组蛋白交换和依赖于ATP的染色质重构是基因表达的关键决定因素。染色质和DNA可及性的改变（与年龄相关）会导致基因表达的变化并降低基因组的稳定性。在这种背景下，蛋白酶裂解组蛋白“尾巴”是衰老和疾病过程中基因表达表观遗传调控的一种新机制。
比如组蛋白3（H3）位于细胞核内，与染色质结合。与H2A、H2B和H4一起存在于核小体中。组蛋白变体H3.3是H3的首选裂解形式。H3.3及其切割产物(H3.3cs1)的异位表达足以诱导衰老。化学性和基于siRNA的组织蛋白酶L的抑制和H3裂解的抑制会损害衰老相关的染色质修饰。全基因组转录图谱显示，H3.3cs1的异位表达足以通过转录沉默等细胞周期调节因子，如Rb/E2F基因，可能通过永久移除H3K4me3而诱导衰老4。总体而言，作者的研究确定组蛋白H3.3及其蛋白降解加工形式是细胞衰老的关键调节因子。
溶酶体蛋白水解酶是溶酶体分解代谢功能和溶酶体代谢物释放过程中不可缺少的一部分，溶酶体代谢产物参与营养感知。此外，还有一些非溶酶体蛋白水解酶参与营养感知。比如，在酵母中，发现Ypf1是一种定位于内质网(ER)的SPP型蛋白酶。Ypf1与ER相关降解(ERAD)因子Dfm1和Doa10在功能上相互作用，它可以调节跨膜营养转运蛋白的丰度。总而言之，下文作者表明Ypf1介导的质膜转运蛋白的翻译后调节对于早期感知和适应营养耗竭是必不可少的5。
蛋白酶在营养感知中具有重要作用。然而，目前还没有发现，这些蛋白水解酶的功能改变是导致衰老和年龄相关代谢性疾病期间营养感知紊乱的原因。
所谓的干细胞耗竭并非是指干细胞数量的减少，而是指干细胞功能随着老化逐渐下降。干细胞耗竭的本质同细胞衰老，决定干细胞衰老的部位是细胞核，而非细胞质。再生能力降低和干细胞功能障碍是衰老的一个标志，有几个蛋白酶调节干细胞功能的例子。其中包括泛素蛋白水解酶。
比如下文中6，在小鼠中发现了蛋白酶可以维持生殖系干细胞功能。通过对条件性LONP1基因敲除小鼠卵母细胞的研究，发现线粒体蛋白水解酶LONP1基因的条件性敲除会损害卵泡的发育，并导致卵母细胞进行性死亡、卵巢储备丧失和不孕不育。另外，LONP1的消融导致AIFM1从胞浆移位到胞核，引起小鼠卵母细胞的凋亡。总体而言，这说明了蛋白酶可能通过各种机制调节干细胞特性和再生能力。
蛋白酶体是蛋白质降解途径中的一种重要成分。当蛋白酶体的功能受到挑战时，蛋白酶体应激的状态就会诱导出一种适应性的应激反应，这种应激反应存在于非蛋白酶体蛋白的表达中，也部分弥补了蛋白酶体功能障碍。
在果蝇中发现，诱导蛋白酶体应激(通过针对蛋白酶体组件的肌肉特异性RNAi)可以导致蛋白酶局部和系统适应性表达（在骨骼肌和中枢神经系统中）。而骨骼肌中蛋白水解酶的局部诱导可能依赖于C/EBP转录因子，远端组织中蛋白酶的诱导则依赖于肌肉分泌的淀粉酶Amyrel，它促进CG9733和CG7142蛋白酶的表达。重要的是，视网膜中CG9733和CG7142的基因敲除会增加衰老过程中病理性Huntingtin-72Q的聚集，这表明在Amyrel介导的适应性应激信号时，这些蛋白酶确实维持了蛋白稳定。总而言之，这项研究强调了在骨骼肌、视网膜和大脑中，应激诱导的适应性信号在衰老过程中会保持蛋白稳定，并且这一过程可能依赖于蛋白酶(图8)。
衰老以及各种神经退化类疾病多与蛋白质内稳态受损相关。这种内稳态一旦失衡，就会触发细胞的适应性变化，造成细胞的凋亡。新合成的肽链中，有一些不能折叠成为正确的形状，已经折叠好的蛋白质分子也有可能变性。为了应付这种情况，细胞发展出了多种机制来减少折叠错误和清除折叠错误的蛋白。
一项对果蝇光感受器的研究发现7，蛋白酶HighRoad是降解易错折叠的突变体视紫红质-1所必需的。由于Rhodopsin-1突变，HighRoad蛋白酶的消融会加速视网膜退化。有趣的是，HighRoad似乎可以适应应激反应，当视紫红质突变时，HighRoad可以保持蛋白平衡。总之，作者确定HighRoad是降解突变的Rhodopsin-1所必需的因素。HighRoad的缺失加速了Rhodopsin-1突变引起的视网膜变性。
系统信号的紊乱是衰老的一个重要组成部分。因为蛋白水解酶位于各种亚细胞结构和细胞外空间，它们可以影响细胞外的蛋白分解，从而影响组织间的信号转导。此外，除了蛋白分解作用外，蛋白水解酶还可以作为信号分子发挥内分泌作用，在衰老和疾病期间调节体内平衡(图10)。蛋白水解酶的细胞间信号传递有三种方式：通过分泌型蛋白水解酶实现远距离组织间的远距离信号传递。例如，骨骼肌在运动时会分泌组织蛋白酶，进而调节中枢神经发生（图10 A）；渗入受损组织的炎症细胞和肿瘤细胞分泌的蛋白酶可被靶细胞摄取（图10 B）；分泌的蛋白水解酶还可以切割靶细胞上的蛋白水解酶激活的受体，导致受体激活和随后的信号转导（图10 C）。
细胞衰老是组织和组织衰老的关键决定因素。蛋白水解酶可以调节细胞内信号和衰老调节因子的表达来影响细胞衰老。比如在衰老细胞中，SU(Var)3-9、ZEST增强子和Set8酶调节p21的表达。具体地说，泛素蛋白水解酶USP17从Set8中去除泛素标签，从而导致p21的转录抑制进而避免细胞衰老。相反，丝氨酸蛋白酶抑制剂serpinB2通过稳定p21来促进衰老，可能是通过阻止蛋白酶介导的p21降解。
作为衰老相关分泌表型（SASP）的一部分，衰老细胞膜上特有的膜蛋白水解酶(DPP4)可与衰老细胞分泌的胞外蛋白水解酶一起调节细胞外蛋白分解。SASP蛋白酶包括基质金属蛋白酶(MMPs)、丝氨酸蛋白酶和纤溶酶原激活途径的调节因子。衰老细胞分泌的MMPs还可以推动肿瘤的发生。具体来讲，将衰老的成纤维细胞与肿瘤细胞共同移植到免疫受损的小鼠后，肿瘤细胞的存活率增加。这种促肿瘤作用似乎源于肿瘤相关成纤维细胞产生的基质金属蛋白酶(MMP)，因为注射基质金属蛋白酶抑制剂GM6001消除了体内移植瘤的大小和增殖差异。总而言之，作为SASP的一部分，蛋白酶的存在可能导致细胞衰老。
全文总结
众所周知，衰老关乎人类的健康和寿命。随着生物学知识的积累以及现代生物技术的发展，关于衰老的研究达到了前所未有的深度。此外，衰老一直是研究热点，细胞衰老涉及的通路，随便一条拿出来都是国自然热点。在本文中，小编利用九大衰老生理的特征全面的介绍了蛋白酶在衰老领域的应用，但仍有许多未知内容有待研究。总之，更好地了解蛋白酶在衰老和老年性疾病中的作用将有助于更全面地理解衰老过程，同时这一切入点就属于新奇性思路，也就是从另外一种角度来看待衰老。
参考文献
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