文摘
老化的特征是生化和生理功能逐步下降的一个独立的个体。因此,老龄化是一个和癌症等疾病的主要危险因素,肥胖和2型糖尿病。衰老的细胞和分子机制并不清楚,也没有衰老和疾病的发病之间的关系。衰老的标志之一是减少细胞蛋白质组体内平衡,允许异常蛋白质积累。这种现象是在真核生物和原核生物,这表明潜在的分子过程的进化。类似的蛋白质聚合发生在阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等疾病的发病机制。此外,蛋白质转译后的修改(天车),自发的或生理/病理,正在成为衰老的重要标志和老龄化带来的疾病,尽管明确的因果关系尚未牢固确立。本文概述天车在aging-associated分子的相互作用过程在真核生物的衰老模型。理解天车角色老化可以促进靶向治疗或干预与年龄相关的疾病。此外,天车在原核生物是高亮显示的研究,揭示潜在的简单的原核模型来揭示复杂aging-associated microbiogerontology新兴领域的分子过程。
1。介绍
近年来,老化的研究重心转向健寿的概念,扩展生命的周期期间,个体仍然是健康的,而不是只关注方法延长寿命(1]。现在在世界范围内,平均出生时的预期寿命是60年来的结果改进医疗访问,降低儿童死亡率,降低孕产妇死亡率,改善生活方式,和生活水平的提高,以及其他因素(2]。预期寿命的增加导致了人口结构的转变;从2000年到2050年,60岁以上的人数预计将增加从6.05亿年到20亿年在全球范围内(3]。不断增长的老年人口对社会有深远的影响,社会和经济(4]。虽然衰老过程的完整逮捕可能是不可能的,进步在发展中药理,饮食,和基因干预导致健康老龄化可能允许个人长寿而不受物理和/或智力下降。这个问题突出显示在最近世界卫生组织(世卫组织)老龄化与健康全球战略和行动计划(GSAP),设想一个世界里,每个人都经历健康老龄化通过维护功能的能力,使晚年幸福(5]。
从biodemographic看来,衰老的定义是一个指数增加死亡率随时间(6,7),有时还伴有减速或高原在后世6,8- - - - - -10]。虽然衰老变化背后是复杂的(11),它的特点是逐渐积累的各种各样的分子与细胞损伤在整个生命周期(12]。哺乳动物衰老的特征提出的九个基因组不稳定性,端粒摩擦,表观遗传改变,失去proteostasis,管制营养传感、线粒体功能障碍,细胞衰老,干细胞疲惫,和改变细胞间通信(13]。然而,这些特征之间的联系,他们的贡献老化,与脆弱的联系和疾病仍然不完全理解(13]。事实上,发现老化的生物学基础是最伟大的当代科学的挑战之一14]。
证据表明,它是可能的干预水平的公认的机制老化,随后导致的与年龄有关的损伤积累速度较慢,(12- - - - - -14]。在这种情况下,应用多学科的系统生物学方法探测老化和各种老年性疾病的复杂机制可以产生必要的证据,导致衰老的有效监管机制(15]。实际上,生物模型的使用促进了快速衰老研究领域的进步通过基因突变的识别,延长寿命16]。主要基因和通路调节寿命很保守等真核生物酵母,蠕虫,苍蝇,和哺乳动物(12]。
有趣的是,表观遗传学还在老化中扮演着重要的角色16- - - - - -21]。虽然有几种不同类型的表观遗传机制,蛋白质转译后的修改(天车)有趣的贡献者在调节衰老(22- - - - - -27]。在本文中,我们讨论的参与天车在老化关注天车类型、作用机制和检测方法。最新进展的概述在天车和衰老研究不同生物模型也包括在内。理解天车老化和他们的贡献提供了基础的发展干预或有针对性的衰老和衰老相关疾病的方法。
2。蛋白质翻译后修饰
蛋白质是细胞在生物和生理功能的基础,和蛋白质的理化性质决定了他们的活动和功能。主要的蛋白质序列是蛋白质折叠的主要决定因素和最终的构象以及生化活动,稳定,半衰期(19]。然而,在任何给定时刻一个人的生命,其蛋白质组是两个或三个数量级比编码复杂基因组预测(20.]。蛋白质组扩张的的一个主要途径是通过转译后的修改(天车)的蛋白质。天车存在于真核生物和原核生物,但据估计,天车在真核细胞更常见,约5%的基因组是致力于酶进行转译后的修改的蛋白质(20.]。
蛋白质天车结果从酶或非酶的特定化学组氨基酸侧链的附件(20.]。这样的修改发生蛋白质翻译后或伴随的翻译。天车影响蛋白质结构和生理和细胞功能。酶天车的例子包括磷酸化、糖基化、乙酰化、甲基化,sumoylation,棕榈酰化,生物素酰化、泛素化、硝化、氯化、氧化/还原(21]。非酶的天车包括糖化、亚硝基化,氧化/还原,乙酰化作用,succination [22- - - - - -26]。一些罕见的和非传统的天车,如glypiation neddylation, siderophorylation, AMPylation cholesteroylation,也被认为是影响蛋白质的结构和功能(27]。主要的天车在真核生物中,其目标氨基酸残基(s)和酶(s)或相关蛋白(s)如表所示1。
改变蛋白质合成的速度和程度,准确性、天车、和蛋白质周转的主要分子老化的特征。减少细胞识别和优先降解能力受损的蛋白质通过蛋白酶体和溶酶体途径最终导致异常蛋白质的积累在老化(28]。随之而来的增加分子异质性和功能受损的蛋白质的基础是一些与年龄相关的疾病,包括白内障、sarcopenia和各种神经退行性疾病(29日]。因此,了解多功能天车的光谱及其功能的影响老化的发展将促进有效的干预,预防和治疗衰老和衰老相关疾病。
研究多功能天车在原核生物细菌开始假设缺乏许多特性经常发现更复杂的生物。然而,正在进行的调查继续显示新型多功能天车的细菌蛋白质和细菌适应性和细胞周期控制的重要性。大多数细菌天车动态和可逆的。这使得细胞可以利用它们作为监管设备。在不同细菌天车、蛋白质磷酸化是最广泛的研究(30.),似乎特别相关的重要细菌病原体中(31日,32]。细菌病原体发展多样化的策略与宿主细胞相互作用,控制他们的行为,因此为了生存和繁殖。在发病期间,蛋白质的磷酸化羟基氨基酸(丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸)发生在不同的阶段,包括信息交互和依从性,易位的细菌效应器进入宿主细胞,和宿主细胞结构和功能的变化引起的感染。在各种毒性因素参与细菌发病机理,最近特别注意细胞壁成分,胞外。一项重大突破了生物的存在之间的联系的活动一定的酪氨酸蛋白激酶、磷酸酶和表面多糖的生产和/或运输。从一般的角度来看,直接关系的示范蛋白质磷酸化丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸和细菌致病性代表一个新颖的概念与意义破译背后的分子和细胞机制发病机理(33]。
此外,几项研究已经发现广泛的多功能天车参与关键细菌细胞过程,包括通过可逆的氧化还原调控S-thiolation [34),转译后的羟基化(35的角色,citrullination在细菌和人体粘膜表面之间的相互作用36]。做了实验研究的转译后的改性抗菌肽称为lantibiotics [37]。此外,研究也指出一个重要的角色PII天车的蛋白质,这是关键的控制信号转导蛋白参与氮代谢在细菌和古菌(38,39]。最近,Stannek et al。40]研究了监管监管机制涉及精氨酸磷酸化和蛋白质水解枯草芽孢杆菌并提出一种机制,蛋白质磷酸化在质量控制过程中发挥作用的细菌蛋白,针对不稳定和aggregation-prone蛋白质降解。
2.1。方法来检测蛋白质转译后的修改
特定的氨基酸残基被天车取决于化学反应和序列特异性的酶(20.]。最初,天车的检测是由各种分析方法,如放射性标记的蛋白质,薄层色谱法、柱层析法,和/或聚丙烯酰胺凝胶电泳(31日]。其他方法,如蛋白质测序埃德曼降解和使用蛋白特异性抗体免疫印迹,已经被开发出来。目前,基于抗体的检测方法和质量spectrometry-based蛋白质组学分析主要用于检测和分析铝电解的方法。然而,质谱方法是唯一可用的工具来执行全球或大型铝电解分析(32]。
基于抗体的方法主要依赖于抗体的可用性,特别能认出一个修改后的氨基酸残基在蛋白质或肽。这样可以多克隆抗体或单克隆和开发修改后的肽/蛋白或对修改后的氨基酸。此外,基于抗体的检测和量化的天车蛋白质/肽样本可以由两种方法:chemiluminescence-based西方墨点法和吸光度/荧光技术ELISA。然而,天车的检测完全取决于使用的抗体识别网站(41]。如果抗体检测只修改后的氨基酸,额外的分析实例,蛋白质/肽隔离和sequencing-should进行检测的序列上下文修改。然而,如果抗体检测天车在特定序列的背景下,天车在其他网站的存在将保持未被发现。
质谱检测特定的天车是基于质量变化(42]。取决于类型的修改,具体修改氨基酸或肽的质量变化发生。随后,大规模的变化由质谱仪检测识别的天车肽样本。使用串联质谱方法,识别特定站点的天车可以通过随后的碎片和测序相关肽(43]。然而,技术挑战阻碍MS-based调查生物重要的多功能天车,如ADP-ribosylation,的一个关键信号分子,调节DNA修复,维持基因组稳定的一个关键过程,妥协在癌症和衰老38,39]。
数据越来越多地涉及铝不仅在衰老和/或病理条件下,还对细胞的正常功能39,44]。反过来,天车越来越在健康和疾病研究的作用。例如,精密,准确测量不同PTM-containing半个提供潜在生物标志物实用程序来帮助早期诊断、预后、监测治疗反应和决策有关包含在新药临床试验开发(45]。然而,技术上的困难限制了这些研究,留下了许多悬而未决的问题。识别未知/意想不到的天车通过蛋白质组学数据再分析是蛋白质组学的一个新兴分支,它最近的增加可用性,提高了原始数据共享的公共存储库。不过,值得注意的是,采样的蛋白质组在某一生物或细胞只提供了一个快照的一个高度动态的过程,混淆分析问题,最终为时间分辨的库存(20.]。因此,虽然许多研究工具是目前铝电解,需要新的方法来进一步推进研究的这些修改。
3所示。天车在老化
一般来说,蛋白质天车发生结果修改相关酶的转译后的处理(如糖基化)或信号通路激活(如磷酸化)。此外,铝电解模式,受到疾病的影响条件(46]。同样,天车与衰老有关的失调(18,47- - - - - -49]。在这种背景下,酶和非酶的铝可以接受与年龄相关的变化。改变模式的非酶的天车的性质主要取决于修改物质,如代谢物和自由基。例如,活性氧可以导致氨基酸侧链的氧化(硫醇氧化不同形式,蛋氨酸,氧化羰基化合物的形成,等等),修改的副产品glycoxidation lipoxidation,和蛋白质的形成使交联以及氧化蛋白质的骨干,导致蛋白质碎片(50]。相比之下,改变酶的性质天车主要依靠改变酶的活动。在本文中,我们概述的一些最良好的多功能天车与衰老和aging-associated病态在不同水平的生物复杂性。
3.1。简要概述的类型的铝
蛋白质天车属于两大类(计划1)。第一类包括共价添加酶催化的一些化工集团。通常,一个亲电辅被用物的片段添加到一个富蛋白质侧链,作为亲核试剂的转移。另一类肽脊椎的天车包括共价乳沟。这个解理发生两种机制之一:蛋白酶,或者更少的一般,自动催化作用。常见的蛋白质共价天车包括磷酸化、酰化、烷基化、糖基化和氧化。这些多功能天车,催化专用机制(计划2),在衰老和衰老相关疾病中扮演角色。简要描述的主要类型的铝与衰老和衰老相关疾病提供如下。
3.1.1。蛋白质磷酸化
最常见的转译后的修改,蛋白质磷酸化,是可逆添加磷酰三磷酸腺苷(ATP)主要是丝氨酸,苏氨酸、酪氨酸残基。这个修改会导致构象变化,要么(1)影响催化活性的激活或不活跃的蛋白质和/或蛋白质错误折叠和聚集的趋势51)或(2)招募其他蛋白质绑定;导致改变蛋白质功能和细胞信号(52]。磷酸化蛋白有重要和著名的功能不同的细胞过程在真核生物,但磷酸化也发生在原核细胞中。在人类中,约有三分之一的蛋白质是估计是磷酸化的底物(53]。的确,现在磷酸化蛋白质识别和特征是高通量phosphoproteomics研究。
蛋白质磷酸化的可逆性的行为归因于激酶和磷酸酶,分别使磷酸化和脱去磷酸基板。激酶和磷酸酶的时空平衡浓度在细胞介导的大小(法其组织磷酸化蛋白质组54]。因此,磷酸酶最近被提议作为潜在的下一代治疗目标与年龄相关的疾病,如α-synucleinopathies像帕金森病55]。
3.1.2。蛋白质N-Acetylation
N-Acetylation是可逆或不可逆的乙酰基转移到氮分子通过蛋氨酸乳沟的蛋氨酸的行为氨基肽酶(地图)和添加一个乙酰基乙酰辅酶a的N-acetyltransferase (NAT)。有趣的是,80 - 90%的真核蛋白质乙酰化,但潜在的生物学意义尚不清楚(56]。组蛋白的蛋白质,使染色质,赖氨酸乙酰化调节基因转录,从而影响细胞的转录组。组蛋白乙酰化作用通常导致转录激活;脱乙酰作用通常导致转录抑制。乙酰化作用发生通过组蛋白乙酰转移酶(帽子),通过组蛋白去乙酰酶抑制剂的作用是可逆的(hdac)。一个组的组蛋白去乙酰酶抑制剂是sirtuins蛋白(无声的信息监管机构),通过hypoacetylation维持基因沉默。Sirtuins蛋白已报告来帮助维持基因组稳定(57]。
虽然第一次描述了组蛋白乙酰化作用,也观察到在细胞质蛋白质。乙酰化蛋白质也可以调制的相声和其他转译后的修改,包括磷酸化、泛素化和甲基化58]。因此,乙酰化作用可能导致细胞生物学以外的转录调节(59]。
3.1.3。蛋白质糖基化
蛋白质糖基化涉及添加一组不同的糖半个。这个专业类型的多功能天车对蛋白质折叠有重大影响,形态、分布、稳定性、和活动。糖基化的蛋白质可以添加简单的单糖(如核转录因子)或高度复杂的分支多糖(如细胞表面受体)。
超过半数的哺乳动物蛋白质被认为是糖化(60]。然而,糖蛋白功能,在分子和细胞水平,尚不清楚。而蛋白质表现出改进的稳定和走私糖基化体内后,多糖结构可以改变蛋白质的功能或活动。这些结构往往源于glycan-processing酶在细胞的活动在任何给定的时间。然而,有时蛋白特异性结构,根据蛋白质贩卖属性和交互与其他细胞因子(61年]。
有三种类型的蛋白质糖基化在高等真核生物:N-linked O-linked, C-linked。这些类型反映它们的糖苷联系氨基酸侧链(62年]。在N-linked糖基化,β-N-acetylglucosamine (GlcNAc)是通过酰胺键连接的侧链的Asn AsnXaaSer /刺组(63年]。N-linked聚糖具有多种功能。当他们作为glycan-binding蛋白质配体在信息交流中,他们还可以调节质膜糖蛋白聚合,影响抗体的半衰期,血清中细胞因子、激素(64年]。
O-linked糖基化在高等真核生物发生通过不同的机制。最丰富的一种O-linked mucin-type糖基化,涉及的附件α-N-acetylgalactosamine (GalNAc)羟基对丝氨酸/苏氨酸的侧链(65年,66年]。异常表达mucin-type O-linked聚糖发生在肿瘤细胞(65年和抗癌疫苗可以提供目标67年]。
O-linked糖基化的发生α-O-mannose是唯一的形式O-linked糖基化酵母也发生在高等真核生物的大脑(68年,69年]。高等真核生物也有一个α-O-fucose修改对丝氨酸/苏氨酸残基发生在共识sequon CysXaa(3 - 5)Ser = ThrCys [70年]。这糖基化调节Notch信号在真核开发(71年,72年]。另一个修改,β-O-galactosylation,可能导致风湿性关节炎(73年- - - - - -75年]。
最后,C-linked糖基化涉及到的α甘露糖(人)的两位吲哚色氨酸残基的侧链76年,77年]。在首次发现核糖核酸酶2,它也发生在其他蛋白质,包括MUC5AC和MUC5B [78年),血小板反应蛋白(79年],埃博拉病毒可溶性糖蛋白(80年]。
3.1.4。蛋白质泛素化和Sumoylation
泛素化是一个8 kDa的多肽分子的n端目标通过泛素c端甘氨酸的蛋白质。添加一个泛素是紧随其后的是泛素聚合物的形成。识别的蛋白质合成polyubiquitinated 26 s蛋白酶体的蛋白质降解途径(81年]。
蛋白质sumoylation是一个可逆的转译后的修改,一个小ubiquitin-like修饰符(相扑)共价结合蛋白(82年]。因此,蛋白质sumoylation是由一种可逆酶级联的方式类似于蛋白质泛素化(83年]。像泛素,相扑共轭目标蛋白质的赖氨酸侧链通过一连串的激活、接合,切断的酶,它是被SUMO-specific isopeptidases [82年]。在过去的几十年里,它已经被证实sumoylation控制核函数的许多方面(84年]。然而,最近的研究已经开始推出一个行列式的角色的蛋白质sumoylation在许多核外神经过程和潜在的广泛的神经病理条件下(85年]。
3.1.5。蛋白质S-Nitrosylation
亚硝基化是一个可逆的一氧化氮(NO)半胱氨酸残基,形成S-nitrosothiols (sno),通过redox-mediated反应。S-Nitrosylation使用细胞稳定蛋白,调节基因的表达,并提供任何捐助者。SNO代、本地化、激活和分解代谢是严格监管,和S-nitrosylation反应取决于催化量的过渡金属,O2阿,2−、pH值等因素(86年,87年]。事实上,这些分子半衰期较短,因为酶的作用如谷胱甘肽(GSH)和硫氧还蛋白denitrosylate蛋白质(88年]。
S-Nitrosylation越来越被认为是一个无处不在的监管与磷酸化的反应。sno可能发挥重要的作用在许多过程包括信号转导、DNA修复、宿主防御,血压控制离子通道调节和神经传递89年]。
S-Nitrosylation特异性主要可以通过两种策略。共识的存在亚硝基化酸碱度主题一直假设(90年]。S-Nitrosylation特异性也可能通过诺的亚细胞定位,这可能是在接近潜在目标。没有对细胞的影响取决于当地浓度、氧化还原状态的直接环境,目标网站修改的易感性91年]。不同程度的可访问性,没有(国家交响乐团)或不同的反应速率,以及重要的功能性差异sh组被没有修改,也许可以解释为什么以及如何精确的半胱氨酸残基的具体S-nitrosylation诱导蛋白质调制(92年]。
还存在sno的一个经典的例子是,调节细胞凋亡。还存在存储在线粒体膜间隙sno,然后释放到细胞质和denitrosylated。然后激活半胱天冬酶(凋亡93年]。
3.1.6。蛋白甲基化
烷基取代基连接到特定的区域由天车酶蛋白质。这样的引入烷基组织变更的结果修改后的蛋白质的疏水性(94年]。
最常见的类型的蛋白烷基化是蛋白质甲基化。甲基化是一个著名的天车由甲基转移酶。一个碳氮或氧甲基被添加到(N -和O-methylation resp)氨基酸侧链,增加蛋白质的疏水性或中和负电荷时必定羧酸。虽然N-methylation是不可逆转的,O-methylation可能是可逆的。甲基化发生的如此频繁,其主要的甲基供体,S-adenosyl甲硫氨酸(SAM),建议作为最常用的酶底物后ATP (56]。
与甲基化蛋白,一个共同的主题也与磷酸化蛋白质,这种修改是角色在蛋白质相互作用的调控。例如,蛋白质的精氨酸甲基化可以抑制或促进蛋白质-蛋白质之间的关系取决于类型的甲基化(95年,96年]。
蛋白质组蛋白甲基化是研究最多。从S-adenosyl转移甲基蛋氨酸组蛋白是由酶被称为组蛋白甲基转移酶催化的。组蛋白H3和H4的氨基端尾接收特定赖氨酸甲基。甲基化然后决定是否激活或抑制基因转录,从而导致不同生物的结果(97年]。
组蛋白甲基化是传统上被认为是不可逆转的。然而,组蛋白demethylases演示这多功能天车的可逆性98年]。的确,染色质修饰动态变化是由对方的能力或无法维持平衡的影响甲基化酶和demethylases。同时删除一组蛋白甲基化标记,添加另一个使转录调优(99年,One hundred.]。
非组蛋白的蛋白质也表现出甲基化共同的天车调节通过MAPK信号转导,WNT, BMP,河马,JAK-STAT信号通路。此外,甲基化的作品与其他类型的多功能天车音乐会,以及组蛋白和非组蛋白的蛋白质,不仅施加影响染色质重塑基因转录,蛋白质合成,DNA修复(101年]。
3.1.7。蛋白质氧化
蛋白质的反应与多种自由基和活性氧(ROS)导致氧化蛋白质修饰如蛋白质氢过氧化物的形成,羟基化芳香组和脂肪族氨基酸侧链的含巯基的氧化组、甲硫氨酸残基的氧化,一些氨基酸残基转化为羰基化合物,乳沟的多肽链,形成交联键。芳烃和含硫残留物尤其容易受到氧化改性(66年- - - - - -68年]。
除非修理或删除从细胞氧化蛋白质往往有毒,可以影响细胞的生存能力102年),因为氧化改性蛋白可以形成大骨料(103年]。氧化受损蛋白质进行选择性的蛋白质水解,主要由20年代在一个泛素蛋白酶体和ATP-independent方式。最终,在广泛的蛋白质氧化,这些聚合物可以逐步成为抗蛋白酶解和实际结合20 s蛋白酶体和不可逆地抑制其活动(70年- - - - - -72年]。
蛋白质羰基化反应的定义是一个不可逆的转译后的修改(天车),一个羰基活性基,如醛、酮、或内酰胺,引入一种蛋白质。首次发现的羰基蛋白结合的来源是金属催化氧化(MCO) [104年]。MCO芬顿反应的结果在过渡金属离子减少过氧化氢的存在,产生高度活性羟基自由基过程中(105年]。这些羟基自由基氧化氨基酸侧链或分裂蛋白骨干,导致大量的修改包括活性羰基(106年]。例如,脯氨酸和精氨酸氧化导致的生产谷氨酸semialdehyde,尽管赖氨酸氧化aminoadipic semialdehyde和苏氨酸2-amino-3-ketobutyric酸(107年]。其他氨基酸残基的直接氧化羰基也能导致蛋白结合的。色氨酸氧化ROS产生至少7氧化产品。其中包括犬尿氨酸和N-formyl犬尿氨酸,以及他们的羟化类似物,含有醛或酮组由氧化解理的吲哚环108年]。
蛋白结合的羰基的另一个重要来源是活性脂质过氧化作用的产品,氧化过程中产生的多不饱和脂肪酸(78年- - - - - -81年]。通过glycoxidation蛋白质羰基化反应也会发生。无功α金属羰基合物形成glycoxidation期间,如乙二醛、甲基乙二醛,3-deoxyglucosone,可以修改基本的残留赖氨酸和参数来生成,例如,pyrralines和imidazolones [82年,83年]。糖化(即。,the reaction of reducing sugars such as glucose or fructose with the side chains of lysine and arginine residues) forms Amadori and/or Hynes products. These glycated residues can be further decomposed by ROS into advanced glycation end products (AGE) carrying carbonylated moieties that can also contribute for protein carbonylation [109年]。
4所示。天车在衰老和Aging-Associated疾病
期间损失的细胞内稳态老化改变组织功能,从而导致身体/精神健康和普遍下降,最终死亡。作为个人年龄、基因表达的控制,由多个表观遗传因素,精心策划的恶化。表观遗传控制的染色质重构,通过组蛋白乙酰化作用,与细胞代谢(110年,111年]。代谢的变化与衰老影响乙酰辅酶a的浓度和柠檬酸;反过来,这改变了胞质乙酰辅酶a的水平。改变乙酰辅酶a的水平,然后,影响其他代谢过程等的合成脂肪酸,施加下游影响其他生理功能。此外,改变乙酰辅酶a水平影响组蛋白乙酰化作用,从而也许转录(110年,111年]。这些转录变化发生老化或体内疾病的进展。乙酰基转移酶和去乙酰酶抑制剂可能表现出乙酰辅酶a和NAD的亲和性不同+分别影响他们的反应与年龄有关的辅助因子浓度变化(112年]。因此,染色质可能细胞代谢的变化,(113年]。事实上,寿命可以延长几个操作反向年龄相关性染色质结构的变化,表明染色质结构的关键作用在老化(114年]。因此,突变基因代谢和染色质的联系,如赖氨酸乙酰转移酶(kat),赖氨酸去乙酰酶抑制剂(KDACs) (sirtuins蛋白)和ATP柠檬酸裂解酶(ac / ATPCL),会影响寿命和与年龄有关的疾病的发展113年]。
蛋白质乙酰化作用被建议在衰老的过程中发挥了关键作用,提高某些基因的功能,尤其是AMPK调节亚基,可促进长寿(115年]。同样,人们普遍认为克利一类蛋白质调节应激反应和代谢通过删除目标蛋白质的乙酰基,影响寿命和衰老过程116年,117年]。最值得注意的是,sirtuin SIRT3中起关键作用脱去乙酰基许多蛋白质在线粒体,表明乙酰化/脱乙酰作用可能参与调节线粒体的功能(118年]。最近,人们已经发现,热量限制(CR),干预已知扩展寿命在许多生物体从出芽酵母到哺乳动物,与戏剧性的变化在线粒体乙酰化作用有关。许多蛋白质受乙酰化作用的影响而改变,以应对CR (119年,120年]。这些变化可能导致线粒体适应减少卡路里的摄入量,可能有助于促进长寿。同样,发现有规律的运动可以减少氧化改性蛋白质与改善大脑的认知功能(121年),通过过程控制的多功能天车参与组蛋白尾巴帽子,hdac,组蛋白demethylases [122年]。
很多途径和过程似乎调节的速度衰老和有机体的易感性与年龄相关的疾病,如神经退化、动脉粥样硬化和癌症。一个进程越来越牵连是自噬。第一次描述了在酵母中,自噬是一个严格监管的过程刺激紧张的条件下,如饥饿。一旦激活,自噬是旧的回收和受损的蛋白质和细胞器提供新的细胞组件的构建块。因此,这个过程的中断导致病变表型和减少寿命,使用鼠标模型揭示了研究[96年- - - - - -98年),秀丽隐杆线虫,黑腹果蝇,酿酒酵母(90年- - - - - -93年]。
而调节自噬被广泛研究的核心组件(例如,123年]),输入所知甚少,特别是改变这个过程,特别是如何转译后的修改会影响自噬流量和/或自噬营业额。三种类型的多功能天车,被称为“自噬”的三个火枪手磷酸化,ubiquitylation, acetylation-are自噬诱导的关键,监管,微调和受到各种刺激的影响。了解自噬调控的机制将提供生物老年学家更深的洞察过程和指向新的治疗途径124年]。
4.1。蛋白质氧化和聚合
最早的提到的影响细胞内氧化应激中可以找到的描述分子(氧化剂和抗氧化剂的化学性质125年]。氧化和抗氧化效果之间的平衡保持细胞健康,而这种不平衡与疾病和衰老有关。ROS是氧化损伤的特点。不均衡的影响细胞的氧化还原状态的修改主要涉及redox-sensitive分子,如氧化半胱氨酸和蛋氨酸的蛋白质,脂类的过氧化反应,氧化DNA碱基的13]。这些修改的后果对致病蛋白质包括直接影响和间接影响酶和/或辅助因子,反过来影响致病蛋白的功能(116年,117年]。
几项研究已经确定了蛋白质参与调停或对抗活性氧产量和行动。最近的一个评论(126年)关注体内氧化损伤中老化的损伤积累理论指出,慢性氧化损伤的主要原因是与年龄相关的疾病。细胞衰老,定义为一个细胞分裂,能动性,和蛋白质周转,随着时间的推移发生损伤累积的结果,被认为是衰老的一个重要特征13]。形态变化由于细胞蛋白质总量的积累也视为蛋白质氧化损伤引起的细胞衰老的特征。
广泛的体内疾病至少部分与蛋白质氧化损伤有关。包括眼疾,代谢疾病如糖尿病和肥胖、炎症性疾病如关节炎、心血管并发症如动脉粥样硬化、肾脏疾病,呼吸道疾病,癌症,神经退行性疾病如阿尔茨海默氏症(119年和帕金森症120年)的疾病。因此,Radman [127年)最近提出,衰老和衰老相关疾病表型的后果可能是蛋白质组损伤模式。
目镜白内障人口老龄化是一个常见的异常,导致视力恶化的。背后的一个主要变化在白内障的眼睛晶状体蛋白质聚合。虽然环境因素如烟云,紫外线辐射,化学烟雾导致白内障的形成,蛋白质天车也扮演了一个重要的角色在透镜的结构和稳定蛋白质,导致他们的聚合在镜头128年]。蛋白质氧化中起着特别重要的作用在晶状体蛋白聚合,和抗氧化剂往往白内障的临床管理规定(129年]。使用这两种人类和小鼠模型的实验研究已经确定了半胱氨酸氧化的关键地点几个酶在人类和小鼠的镜头,包括一些代谢酶,即3 -磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、谷胱甘肽合成酶,醛脱氢酶,和山梨糖醇脱氢酶,以及蛋白质deglycase DJ-1(帕金森病蛋白质7或PARK7) (130年]。广泛的中间丝蛋白氧化等BFSP1 BFSP12,波形蛋白,细胞角蛋白,以及微丝和微管丝蛋白微管蛋白和肌动蛋白等,也被报道(130年]。
阿尔茨海默病(AD)是一种主要的老龄化带来的障碍,严重影响老年人的生活质量131年]。广告的临床症状包括认知功能下降和内存和混乱的状态。在细胞水平上,广告主要有两种蛋白质:相关τ和淀粉样蛋白β。microtubule-associated蛋白质的分离,τ,从神经细胞的细胞骨架导致随后的细胞内聚合成螺旋细丝配对称为神经原纤维缠结。细胞外-淀粉样蛋白的积累β肽在大脑中是另一个主要因素驱动的病理广告。淀粉样蛋白的形成β肽发生由于降解淀粉样前体蛋白(APP)。在正常情况下,肽被蛋白酶降解,包括锌蛋白酶称为neprilysins endothelin-converting酶,降解酶(132年]。氧化应激在老化可能导致amyloid-degrading酶的抑制,随后的结果在一个异常的细胞外-淀粉样蛋白的积累β在大脑中肽(133年]。
广告的发展是伴随着hyperphosphorylationτ。过度磷酸化蛋白在degradation-resistant螺旋灯丝核心的神经原纤维缠结134年]。有趣的是,最近的一份报告表明,氢peroxide-mediated氧化应激可引起暂时减少τ磷酸化(135年]。此外,8-nitroguanosine 3′, 5′环一磷酸(8-nitro-cGMP)、一氧化氮(NO)的第二信使信号通路引起的氧化S-guanylation半胱氨酸残基,导致减少τ聚合(136年]。形式的广告病理学涉及转译后的修改β和τ,以及其他蛋白质。这些多功能天车的研究是理解的关键与疾病发病相关的分子机制也为治疗策略和药物开发提供了新的机遇。
帕金森病(PD)是另一个来历不明的神经退行性疾病,影响全世界约630万人(137年]。帕金森病的病理病灶路易小体(磅),intraneuronal蛋白质的夹杂物主要由错误折叠α-核蛋白(138年]。磅含有聚合α不仅在PD -核蛋白发现还在其他神经退行性疾病,如多系统萎缩、痴呆和磅,或广告(139年]。翻译后的修改α-核蛋白,如磷酸化、泛素化或硝化,参与α-核蛋白聚合过程和对其细胞神经毒性(有不同的影响140年- - - - - -144年]。
的分子机制参与的间隙α-核蛋白聚集是阐明的一个核心问题α-synuclein-related毒性。然而,线索破译蛋白聚合,这可能最终导致进展的理解α-synucleinopathies,可能会出现通过单细胞生物模型的使用。不同的表达α-核蛋白在酿酒酵母也会导致蛋白质聚集和细胞毒性LB-containing人类细胞的特征。在酿酒酵母、细胞间隙机制包括ubiquitin-mediated 26 s蛋白酶体功能以及溶酶体/ vacuole-associated趋向下降的通道(即。自噬)。各种各样的转译后的修改被发现改变的细胞毒性α-核蛋白及其分布不同的间隙通路酿酒酵母。确认修改的几个网站似乎是守恒的从酵母到人类(145年]。
老化是心血管疾病的危险因素,如高血压、冠心病、中风和心力衰竭。一些实验和临床观察结果支持假设过度氧化应激或活性氧(ROS)生产在这些疾病的发病机理中发挥作用(146年]。例如,氧化损伤相关的心血管疾病主要是低密度脂蛋白(LDL),产生脂质过氧化脂质过氧化物等产品,isoprostanes, oxysterols,羟基脂肪酸、醛(147年]。同样,最近的研究在BMAL1(大脑和肌肉ARNT-like蛋白1)显示Bmal1零小鼠年龄过早,因为ROS增加生产。这些老鼠还显示一个与心脏功能的下降,表现为心室直径和射血分数的变化(148年]。抗氧化剂治疗4-hydroxy-2 2 6 6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPOL)阻止妥协在这些小鼠心脏功能。端粒保护心脏从氧化TEMPOL BMAL1-deficient老鼠也观察到,进一步支持针对蛋白质氧化衰老的治疗相关性(148年]。
急性肾损伤和慢性肾脏疾病的研究在老化也强调的作用氧化受损蛋白质和蛋白质总量(149年]。肾脏蛋白质受到氧化损伤包括NADPH氧化酶(NOX)、血红素oxygenase-1 (HO-1),硫氧还蛋白1 (TRX1)和瞬时受体电位阳离子通道,亚米,成员2 (TRPM2)。在这种背景下,氧化应激之间的平衡和自噬被认为是控制炎症和细胞死亡的一个重要因素在肾脏疾病(150年]。
各种代谢紊乱,如肥胖、胰岛素抵抗,和糖尿病的特点是体重增加,高葡萄糖水平和能量水平降低。环境和营养的压力被认为是代谢紊乱的主要驱动力,可能涉及氧化损伤。活性氧的积累介导氧化代谢酶和蛋白质的改性,一样的消费高碳水化合物或高脂肪的饮食151年]。酶蛋氨酸亚砜还原酶(同行)是一种抗氧化剂酶在细胞参与对抗氧化应激的影响,涉及显著发展中维护,防止氧化应激和蛋白质两个至关重要的因素在衰老过程152年]。最近的一项研究[153年)使用转基因老鼠发现,MsrA影响寿命和改善了与年龄有关的代谢紊乱的影响,如胰岛素抵抗。
综上所述,这些研究结果突出了角色的蛋白质氧化损伤的过程中老化和老龄化带来的病态。因此,药物和非药物影响细胞的氧化应激的平衡策略是重要的近端策略的道路扩展健寿。
4.2。蛋白质氯化老化
活性氯物种被认为是一个主要来源的酶催化蛋白质氯化(154年]。free-hydroxyl-containing酪氨酸是主要的氨基酸卤素修改目标。髓过氧化物酶催化3-chlorotyrosine[的形成155年]。早期研究蛋白质氯化(156年)发现酪氨酸残基载脂蛋白-ⅰ(apoA-I)作为网站氯化或硝化根据髓过氧物酶或过氧硝酸盐的作用,分别。有趣的是,氯化但不影响硝化apoA-I功能和显著降低了胆固醇流出活动。
髓过氧化物酶水平升高与慢性心力衰竭,及其表达增加心脏内皮细胞接触后过氧化氢(157年]。最近的一项研究发现,抑制髓过氧物酶使用2-thioxanthines导致的蛋白质减少氯化在小鼠腹膜炎模型158年]。
皮肤老化通常用作人体生理参数评估与年龄相关的变化。最近的一份报告在皮肤光老化159年)提出了一个inflammation-induced蛋白质脱硝与光致皮肤老化之间的关系。作者发现高浓度的卤代酪氨酸和炎性细胞在皮肤样品接触和受光,表明卤化可能是正常衰老过程的一部分。
神经退化衰老发生的另一个主要后果是由于多种因素,包括氧化应激。最近的一份报告发现,5 -羟色胺作为清道夫的次氯酸(HOCl)在大脑中160年),防止HOCl-induced 2-thio-5-nitrobenzoate氧化,细胞的损失α酮戊二酸脱氢酶活性和细胞死亡。有趣的是,两相的删除HOCl和后续预防2-thio-5-nitrobenzoate氧化涉及HOCl-induced氯化羟色胺的活性聚合氯化的5 -羟色胺的形成,暗示一个反馈的过程。此外,选择性5 -羟色胺再摄取抑制剂,如氟西汀、减少蛋白质氯化在大脑中,显示一个潜在的治疗方法对与年龄相关的蛋白质氯化作用[160年]。
4.3。蛋白质硝化
硝化是一种氧化蛋白质酪氨酸残基发生松动。过量的活性氮物种(RNS)的主要来源是硝化反应(154年]。过多的活性氧,连同RNS,导致额外的硝化实体的形成,即过氧硝酸盐。RNS-induced蛋白质硝化反应的一个常见的例子是3-nitrotyrosine的形成,这是在老化过程中与nitroxidative压力增加有关(161年]。氨基酸酪氨酸硝化修改的生化特性,包括其pKa、氧化还原电位,疏水性,和大小,随后导致显著影响蛋白质的结构和功能的变化。蛋白质生物化学变化引起衰老的细胞和硝化的生理表现。此外,蛋白质酪氨酸硝化是由非酶的自由基反应涉及的形成一个中间酪氨酰激进。使用快速反应动力学和生物分析方法研究以及结构评估使用电子顺磁共振使酪氨酸硝化的综合表征(162年]。最近的研究表明,膜相关蛋白质酪氨酸硝化涉及氧化脂质过氧化氢自由基,膜脂质过氧化反应的副产品,也与年龄增长有关的(163年]。此外,一些研究表明,蛋白质酪氨酸硝化网站出现一些酪氨酸残基在蛋白质和目标,因此,限制蛋白质组的一小部分(162年]。硝化实体的时空定位起着重要的作用在选择目标蛋白质中的酪氨酸残基。研究线粒体蛋白质同质的选择性硝化进一步支持特定站点的整体效果以及蛋白质酪氨酸硝化在衰老和与年龄有关的疾病58,59]。而蛋白质酪氨酸硝化最初被认为是不可逆转的,最近的研究已经确定了denitrase酶(164年]。Denitrase活动中发现一系列的组织和细胞而不是平滑肌细胞。最近的一项研究表明,denitrase利用硝化cyclooxygease-1 (COX-1)作为衬底,以促进脱硝反应,表明硝化和脱硝的可逆循环可能发挥作用在调节细胞氧化/ nitrosative负担,后来调节衰老(164年]。
另一个最近的研究(165年]关于蛋白质硝化的影响与年龄相关的系统性炎症(全身炎症反应综合征或SIRS)已经表明,toxemia-induced肺损伤增加蛋白质酪氨酸硝化水平,降低了超氧化物歧化酶的活性在小鼠肺。此外,显示较高的蛋白质硝化的年长老鼠血管endothelia相比,年轻的老鼠。特定的蛋白质,维持肺血管通透性也显示更高的酪氨酸硝化,包括profilin-1 transgelin-2, LASP 1,原肌球蛋白和肌凝蛋白165年]。
5。细菌作为潜在的简单的工具来研究天车在衰老和与年龄有关的疾病
在单细胞生物衰老的观察缺乏遗传或环境变化打开门建议这样的生物可以作为简单的定量实验系统解决衰老的分子机制(79年,110年]。细菌衰老似乎与真核生物老化的过程分享一些共同的特征,即氧化损伤的作用,和蛋白质质量控制系统引发衰老的影响(166年]。例如,在真核生物中,细菌老化与氧化蛋白质的积累的形式聚集在老细胞的两极(76年,78年)(图1)。这种积累像许多已知的真核蛋白质折叠与年龄相关的疾病(130年,131年,至少在真核生物,增加蛋白质聚合和改变细胞proteostasis一直与氧化应激相关转译后的修改(167年]。是否这个过程中也扮演了重要的角色在细菌蛋白质总量的积累尚不清楚。蛋白质氧化损伤的模式和聚合的老化大肠杆菌似乎类似UVA辐射引起的,表明相同类型的ROS可能参与决定细胞损伤下两个过程(81年,82年]。事实上,辐射的生物效应和衰老之间的相似性很容易观察到生存曲线绘制作为辐射剂量或时间的函数:都显示一个微不足道的“肩膀”象征死亡后的指数衰减与辐射剂量和年龄增加(图生存2)[127年]。因此,细菌现在被认为是有用的生物模型在老化的研究中,特别是在理解衰老和老龄化带来的压力的影响蛋白质稳定性和功能(168年]。
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在的情况下大肠杆菌,很大一部分与年龄相关的健康损失已占蛋白质总量的积累在老细菌波兰人(数字3和4)。错误折叠的蛋白质可以被动地和自发聚集在细胞两极大肠杆菌由于减少了扩散和类核阻塞114年,118年]。因此,错误折叠蛋白自由分散在细胞质中,倾向于坚持彼此由于接触表面疏水性的补丁。增加更多的无定形的聚集生长的错误折叠肽,它们排除在类核和积累在细胞两极,在那里他们可以进一步扩大。支持这个模型,计算机模拟表明,粒子的被动扩散,其内在独处的能力,以及缺乏类核在两极足以获得一个极本地化模式仅靠熵(169年]。
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此外,各种各样的转译后的修改,如磷酸化状态的变化或核苷酸绑定,可以控制的复杂细胞内分布一些蛋白质,参与细胞周期调控、信号转导、极化能动性和附着力122年,170年)(图5(一个))。尽管大多数例子迄今为止已知相关的蛋白质在某些时候招募两极通过蛋白质-蛋白质之间的关系,类似的修改也可以影响某些蛋白质的独处能力,从而影响其自发的极地积累。如果存在同源激酶的活性,如磷酸酶和GTPase-activating蛋白质(差距),是根据时间的规定,这可以提供一种方法来管理一个自发的极地本地化(图5 (b)),报告的情况链霉菌属coelicolor(171年- - - - - -173年]。蛋白质乳沟由特定蛋白酶也可能代表一个策略来调节极性定位在空间和时间,作为极地PodJ灯塔的提议。PodJ转换从一个长形式(PodJL)更短的形式(PodJS) cell-cycle-regulated蛋白水解,最终降解PodJS序列,确保适当的定位,随后其功能(123年,124年)(图5 (c))。然而,精确的机制,这两种PodJ形式不同定位在两极仍有待确定。
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Nε赖氨酸乙酰化被认为是一个无处不在的监管转译后的修改影响多种真核细胞中重要的生理过程。最近,乙酰化作用中也被发现普遍的细菌。细菌包含成百上千的乙酰化蛋白质影响不同的细胞通路。有关规定,仍然所知甚少或生物相关的几乎所有这些修改。发现乙酰化作用的潜在管理角色,最近的一项研究分析了乙酰化模式和增长阶段之间的丰度变化枯草芽孢杆菌。作者发现关键的乙酰化作用的事件的一个子集,是细胞生长期间暂时监管。此外,他们展示了一种stationary-phase-enriched基本MreB shape-determining蛋白质乙酰化作用,导致他们提出一个角色MreB乙酰化作用在控制细胞宽度通过限制细胞壁增长(174年]。赖氨酸乙酰化碳源利用和代谢通量也坐标沙门氏菌可逆的方式,使细胞能够及时应对环境变化感应细胞能量状态和灵活地改变反应速率或方向175年]。因此,赖氨酸乙酰化作用可能代表一个代谢调控机制,从细菌到哺乳动物是守恒的。作为证据支持保护至少一些老化的特征在细菌继续出现74年,129年,176年,177年),这将是有趣的调查天车的作用在调节细菌老化。
6。结论和未来的角度
天车在衰老中的作用的认识和体内疾病的增长,迫切需要发展的方法来检测蛋白质天车更加迅速和准确。此外,最近发现的稀有和非传统的修改与年龄相关的疾病的要求更具体的和敏感的方法来检测的发展这样的修改(27]。最近的大规模的基因组学和蛋白质组学技术的快速发展可能是此类研究的催化因素。药物目标天车,如磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化,将成为有用的工具在探索多功能天车调制的基本机制和提供一个药理学平台对抗衰老的不利影响178年]。
从非药物的角度来看,运动干预,推迟衰老的负面影响的有效手段在物理和代谢水平。多项证据表明,运动可以通过调制为老年人带来好处的炎症和氧化还原状态,与对proteostasis、胰岛素敏感性、身体成分(如脂肪组织,骨骼肌)和激素水平,等等。同样,热量限制是另一个nongenetic几乎普遍过程延缓衰老的发生和延长寿命最大(179年]。然而,运动和饮食对蛋白质的影响铝仍相对未开发。研究覆盖这个特定领域有潜力开发广泛的访问和负担得起的干预策略应对老龄化带来的疾病。
最后,原核模型的效用在理解衰老的生物学是值得注意的,鉴于aging-associated守恒的可能性在进化的分子机制。作为microbiogerontology领域的研究进展,这将是有趣的发现在多大程度上这样的分子机制是守恒的。这可能打开一个全新的窗口的机会搜索方法可以减缓衰老和延长健康寿命。
信息披露
投资者没有参与研究设计、数据收集、分析;决定发表;或准备手稿。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认安盛研究基金会(http://www.axa-research.org/)的支持。