蛋白組學(xué)揭示運(yùn)動(dòng)預(yù)防大腦衰老的關(guān)鍵蛋白酶

衰老是一個(gè)永恒的話題，也是科研熱點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)鍛煉能延緩衰老，但老年群體由于身體虛弱或健康狀態(tài)不佳，會(huì)降低鍛煉的能力或意愿。如通過合適的干預(yù)延緩大腦的衰老，可有助于降低年齡相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生率。因此，找出運(yùn)動(dòng)緩解衰老的分子機(jī)制，開發(fā)防治年齡相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的藥物，對(duì)改善老年群體的健康狀況具有重要的意義。

2020年7月，加州大學(xué)舊金山分校Saul A. Villeda等研究團(tuán)隊(duì)在《Science》（IF=41.8）上發(fā)表了題為“Blood factors transfer beneficial effects of exercise on neurogenesis and cognition to the aged brain”的研究文章，首先利用蛋白組學(xué)和過表達(dá)動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)和明確了蛋白酶Gpld1是運(yùn)動(dòng)改善老年小鼠神經(jīng)元功能的關(guān)鍵因子，然后利用蛋白組學(xué)和酶活突變體探究和驗(yàn)證了Gpld1的調(diào)控機(jī)制，闡明了Gpld1在運(yùn)動(dòng)緩解神經(jīng)元衰老中的作用與機(jī)理，為防治年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病提供了新的方向和理論依據(jù)。

研究材料

1、老年運(yùn)動(dòng)小鼠（18月齡，連續(xù)跑步6周）和老年靜坐小鼠（18月齡）血漿；

2、老年運(yùn)動(dòng)小鼠，老年靜坐小鼠，成年運(yùn)動(dòng)小鼠（7月齡）和成年靜坐小鼠（7月齡）血清和各器官組織；

3、老年運(yùn)動(dòng)人群和老年靜坐人群血清；

4、Gpld1過表達(dá)小鼠（Gpld1）和對(duì)照組小鼠（Ctrl）血清及海馬組織；

5、Gpld1酶活突變體小鼠（H133N），Gpld1過表達(dá)小鼠（Gpld1）和對(duì)照組小鼠（Ctrl）血清及海馬組織。

技術(shù)方法

iTRAQ 、Label-free蛋白組學(xué)、免疫組化、qPCR、Western Blot等

實(shí)驗(yàn)路線圖


研究結(jié)果


老年運(yùn)動(dòng)組血漿可改善小鼠海馬區(qū)受損的神經(jīng)元和認(rèn)知能力

分別取老年運(yùn)動(dòng)組及老年靜坐組小鼠血漿注射到另一組老年靜坐小鼠，檢測發(fā)現(xiàn)：注射運(yùn)動(dòng)組血漿可同時(shí)增加老年小鼠海馬新生神經(jīng)元和成熟神經(jīng)元的數(shù)量，并增高海馬區(qū)神經(jīng)營養(yǎng)因子BDNF的表達(dá)，以及改善老年小鼠海馬依賴性學(xué)習(xí)記憶障礙。說明運(yùn)動(dòng)改善神經(jīng)元功能的因子。


運(yùn)動(dòng)組血漿對(duì)小鼠海馬區(qū)神經(jīng)元和認(rèn)知影響


蛋白組學(xué)篩選功能蛋白

?通過蛋白組和WB驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)組（老年/成年）對(duì)比靜坐組（老年/成年）血清中Gpld1的表達(dá)水平顯著增加，并且在老年人群（運(yùn)動(dòng)組VS靜坐組）血清樣本中得到了驗(yàn)證。說明Gpld1很有可能參與了運(yùn)動(dòng)改善神經(jīng)元功能的作用。


運(yùn)動(dòng)組和靜坐組血清中蛋白表達(dá)差異


Gpld1功能驗(yàn)證

作者先是在各器官組織中檢測發(fā)現(xiàn)Gpld1在肝臟中高表達(dá)，并且運(yùn)動(dòng)組肝臟中的表達(dá)比靜坐組更高。通過高壓尾靜脈注射Gpld1-GFP質(zhì)粒構(gòu)建肝臟Gpld1過表達(dá)模型，發(fā)現(xiàn)肝臟中過表達(dá)Gpld1也可以改善神經(jīng)元功能。


Gpld1對(duì)神經(jīng)元功能的改善作用


Gpld1作用機(jī)制探究

為探究Gpld1的作用機(jī)理，作者通過蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：過表達(dá)Gpld1組血清中表達(dá)差異最大的40個(gè)蛋白在uPAR信號(hào)通路有富集，而uPAR是GPI的錨定底物。提示Gpld1可能通過水解GPI-錨定底物發(fā)揮運(yùn)動(dòng)改善神經(jīng)元功能的作用。


Gpld1過表達(dá)后血清中差異蛋白表達(dá)分析


Gpld1酶活突變體功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證Gpld1通過酶解作用改善神經(jīng)元功能，作者通過構(gòu)建突變體Gpld1過表達(dá)模型發(fā)現(xiàn)：Gpld1-H133N過表達(dá)不能改善神經(jīng)元功能，而野生型Gpld1過表達(dá)可以改善神經(jīng)元功能。說明Gpld1是通過酶活發(fā)揮改善神經(jīng)元功能的作用。


Gpld1-H133N過表達(dá)對(duì)神經(jīng)元功能的影響

小結(jié)

本研究從運(yùn)動(dòng)引起的差異表達(dá)蛋白入手，通過構(gòu)建關(guān)鍵蛋白的過表達(dá)模型驗(yàn)證了Gpld1改善神經(jīng)元功能的作用，再通過蛋白組檢測Gpld1過表達(dá)引起的蛋白表達(dá)譜改變探究其作用機(jī)理，最后通過酶活突變體驗(yàn)證Gpld1通過酶活發(fā)揮對(duì)神經(jīng)元功能的改善作用。該篇文章展示了非常經(jīng)典的研究模式：蛋白組學(xué)篩選-功能驗(yàn)證-組學(xué)機(jī)制探究-機(jī)制驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了Gpld1在運(yùn)動(dòng)改善神經(jīng)元功能中的作用和機(jī)制，為開發(fā)老年人群抗神經(jīng)衰老藥物提供了非常有價(jià)值的研究基礎(chǔ)和理論依據(jù)。